La presente invención se refiere a un procedimiento de conversión de azúcares en productos líquidos,

mayoritariamente en 5 Hidroximetil furfural, mediante un tratamiento termoquímico en el cual se introduce el azúcar en un medio solvente y se somete a la acción de catalizadores seleccionados dentro del grupo compuesto por un catalizador básico, un catalizador ácido de Lewis y cualquier combinación de ellos, a una temperatura comprendida entre 100ºC y 250ºC incluidos ambos límites, y a una presión seleccionada entre 1 bar y 10 bar incluidos ambos límites, hasta producirse una fracción líquida que se retira y enfría en continuo, a la vez que se retira y condensa el vapor de agua que se forma en el transcurso de la reacción. Asimismo, otro objeto de la presente invención es la instalación de transformación de azúcares en una fase líquida de acuerdo con el método aquí descrito.

Método de obtención de 5 hidroximetil furfural a partir de glucosa y fructosa e instalación para realizar dicho método

CAMPO TÉCNICO Y OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo de la Ingeniería Química, y se refiere a la conversión de azúcares en productos líquidos, que pueden ser usados como precursores de la industria del petróleo y del plástico. Concretamente, se trata de un método destinado a la conversión de azúcares en general (sacarosa, lactosa, glucosa, fructosa y otros) , mayoritariamente en 5 Hidroximetil furfural (en adelante HMF5) , mediante un tratamiento termoquímico en el cual se introduce el azúcar en un medio solvente y se somete a la acción de catalizadores y de la temperatura, en unas condiciones de reacción definidas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El consumo continuado de combustibles fósiles llevará a su agotamiento paulatino, actualmente pasamos por una época de escasez que provoca un aumento continuado de precios, lo que está desencadenando un interés creciente por la búsqueda de combustibles alternativos. Dentro de estas inciativas, se enmarca el desarrollo de los denominados biocombustibles, en concreto el bioetanol y el biodiesel, obteniendo el primero de la caña de azúcar, la remolacha azucarera, de los cereales y de la biomasa. La presente invención expone un método alternativo al proceso de obtención del bioetanol, en el cual se produce un aprovechamiento integral de la cadena carbonada presente en los azúcares.

Los azúcares derivados de las hexosas se pueden transformar en etanol, de acuerdo con la siguiente fórmula: C6H12O6 -> 2 CH3-CH2OH + 2 CO2 Como se puede observar, en la conversión de glucosa a etanol sólo se aprovechan el 67% de los carbonos presentes inicialmente, ya que se generan 2 moles de CO2. Una alternativa que no se ha desarrollado convenientemente hasta el momento es la conversión de la glucosa en HMF5, mediante un proceso de deshidratación, de acuerdo con la fórmula: C6H12O6 -> C6H6O3 + 3 H2O

Actualmente, existe un interés creciente en esta transformación. Podemos destacar las siguientes publicaciones sobre la materia: Glucose reactions with acid and base catalysts in hot compressed water at 473 K. Masaru Watanabe et all.

Carbohydrate Research 340 (2005) 1925–1930. Bicker, M.; Hirth, J.; Vogel, H. Green Chem. 2003, 5, 280–284. Ramayya, S.; Brittain, A.; DeAlmeida, C.; Mok, W.; Antal, M. J., Jr. Fuel 1987, 66, 1364–1371. Tomita, K.; Koda, S.; Oshima, Y. Ind. Eng. Chem. Res. 2002, 41, 3341–3344. Watanabe, M.; Osada, M.; Inomata, H.; Arai, K.; Kruse, A. Appl. Catal. A 2003, 245, 333–341. Watanabe, M.; Iida, T.; Aizawa, Y.; Ura, H.; Inomata, H.; Arai, K. Green Chem. 2003, 5, 539–544. Watanabe, M.; Aizawa, Y.; Iida, T.; Levy, C.; Aida, T. M.; Inomata, H. Carbohydr. Res. 2005, 340, in this issue, please

see doi:10.1016/j.carres.2005.05.019. Watanabe, M.; Inomata, H.; Arai, K. Biomass Bioenergy 2002, 22, 405–410. Moreau, C.; Durand, R.; Roux, A.; Tichit, D. Appl. Catal. A Gen. 2000, 193, 257–264. Antal, M. J., Jr.; Mok, W. S. L.; Richard, G. N. Carbohydr. Res. 1990, 199, 91–109. Kuster, B. F. M.; van der Baan, H. S. Carbohydr. Res. 1977, 54, 165–176. Busca, G. Phys. Chem. Chem. Phys. 1999, 1, 723–736. Tomishige, K.; Sakaihori, T.; Ikeda, Y.; Fujimoto, K.Catal. Lett. 1999, 58, 225–229.

La mayoría tienen en común, una poco eficaz conversión o unas condiciones de reacción en el laboratorio que no son trasladables a nivel industrial, como puede ser la elevada presión de trabajo.

El método que se propone, obtiene una conversión cercana a la totalidad y presenta además, la gran ventaja de realizarse a presión atmosférica dentro de un medio solvente, lo que la hace idónea para su producción a gran escala.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Descripción general

En ámbitos industriales se usa la palabra azúcar o azúcares para designar los diferentes monosacáridos y disacáridos, que generalmente tienen sabor dulce, aunque por extensión se refiere a todos los hidratos de carbono.

Entre los monosacáridos más importantes destacan la glucosa, la fructosa y la galactosa. Su fórmula general es C6H12O6 y su principal función es producir energía, ya que 1 gramo de cualquier hexosa produce unas 4 kilocalorías de energía. Los disacáridos o azúcares dobles y triples son un tipo de hidratos de carbono, o carbohidratos, formados por la unión de dos monosacáridos iguales o distintos. Los disacáridos más comunes son:

Sacarosa: Formada por una glucosa y una fructosa, se le llama también azúcar común.

Lactosa: Formada por la unión de una glucosa y una galactosa, es el azúcar de la leche.

Maltosa, Isomaltosa, Trehalosa, Celobiosa: Formadas todas por la unión de dos glucosas, son diferentes dependiendo de la unión entre las glucosas.

El objeto principal de la presente invención es proponer un método de transformación de azúcares en HMF5, caracterizado por comprender las siguientes etapas:

1ª Diluir los azúcares, molidos a un tamaño igual o inferior a 0, 5 mm., en una solución que incluye al menos los siguientes componentes:

· al menos un líquido solvente, y

· al menos un catalizador, bien uno básico de Lowr y , bien uno ácido de Lewis, o cualquier combinación de ellos;

2ª Someter la disolución a una temperatura comprendida entre 100ºC y 250ºC, incluidos ambos límites, y a una presión seleccionada entre 1 bar y 10 bar, incluidos ambos límites, hasta producirse una fracción líquida compuesta por el medio original y el HMF5; y

3ª Aplicación de ultrasonidos para acelerar la reacción y producir una mayor mezcla entre los distintos componentes que interaccionan entre sí, el medio, los azúcares y los catalizadores.

4ª Retirar y enfriar la fracción líquida.

En definitiva, el tratamiento de los azúcares mezclados con los componentes indicados, consiste en provocar su disolución, en al menos un medio solvente a la temperatura y presión de trabajo especificadas, siendo la reacción catalizada por al menos un catalizador o una combinación de ellos. De esta manera, se obtiene la transformación de los azúcares en una variedad de productos líquidos, pero siendo muy mayoritario el HMF5. Durante el proceso de conversión de los azúcares se produce una deshidratación de los mismos por formación de H2O, de forma que el líquido obtenido tiene un poder calorífico superior al del azúcar original.

Gracias al diseño del reactor (batch) donde se produce la reacción, se puede trabajar de forma continua, sin necesidad de parar la reacción ni de efectuar ciclos de calentamiento-enfriamiento de la instalación.

Descripción detallada

El azúcar, una vez que se ha licuado acorde al proceso de disolución aquí definido, se compone fundamentalmente de 5 Hidroximetil furfural, pero puede venir acompañado de otras sustancias como el 1, 6 anhidroglucosa. El HMF5 también se denomina 5-Hidroximetil 2-furaldehído, con número de CAS 67-47-0, y se trata de un derivado del furano, que contiene al mismo tiempo un grupo aldehído y un grupo alcohol, y puede ser convertido posteriormente en 2, 5 dimetilfurano, un aditivo de las gasolinas con características superiores al propio etanol.

Durante el proceso de conversión, se busca que se produzca la tautomerización de glucosa en fructosa, ya que ésta, mediante la ulterior deshidratación, se convierte en HMF5. Para que esto ocurra, se añadirá al baño un catalizador básico que al mismo tiempo promueva la deshidratación. Este catalizador básico se escoge de entre el grupo formado por el NaOH (hidróxido sódico) , KOH (hidróxido potásico) y CaO (óxido cálcico) .

Preferiblemente, la concentración inicial de azúcar en el medio solvente será nula y se va añadiendo en el interior del reactor a medida que se alcanza la temperatura seleccionada. En cuanto al catalizador básico de Lowr y utilizado, su concentración en peso con respecto al azúcar añadido deberá estar comprendida entre 3% y 10% incluidos ambos límites, y preferiblemente para la mejora de la reacción, entre el 5% y 7%, ambos limites incluidos..

A este primer catalizador básico descrito, es necesario añadirle, para reforzar el proceso...

1. Método de transformación de azúcares en una fase líquida, caracterizado por que comprende al menos las siguientes etapas:

- mezclar los azúcares en una solución que comprende: · al menos un líquido solvente, y · al menos un catalizador, seleccionado dentro del grupo compuesto por un catalizador básico, un catalizador

ácido de Lewis, y cualquier combinación de ellos, una instalación en la cual los azúcares se añaden en continuo una vez que el medio con los catalizadores han alcanzado la temperatura de reacción; -someter la mezcla a una temperatura comprendida entre 100ºC y 250ºC, incluidos ambos límites, y a una presión seleccionada entre 1 bar y 10 bar, incluidos ambos límites, hasta producirse una fracción líquida, -retirar y enfriar la fracción líquida en continuo a medida que se forma, y retirar y condensar el vapor de agua que se forma en el transcurso de la reacción.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el azúcar está molido en un tamaño comprendido entre 0, 5 y 1 mm, incluidos ambos límites.

3. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que los azúcares están seleccionados dentro del grupo compuesto por glucosa, fructosa, sacarosa, lactosa o cualquier combinación de los mismos.

4. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que los azúcares se añaden en continuo desde la parte superior del reactor una vez que se ha alcanzado la temperatura de proceso, así como los catalizadores que intervienen.

5. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que al menos un medio solvente es seleccionado dentro del grupo compuesto por: Etilén glicol, CA.

10. 21-1; Dietilén glicol, CA.

11. 46-6; Trietilén glicol, CA.

11. 27-6; Propilén glicol, CA.

5. 55-6; Dipropilén glicol, CA.

11. 98-5; Tripropilén glicol, CAS 24800-44-0; Butil glicol y cualquier combinación de los mismos.

6. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el catalizador básico es seleccionado dentro del grupo compuesto por: hidróxido sódico, hidróxido potásico y óxido de calcio.

7. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el catalizador ácido de Lewis se selecciona dentro del grupo compuesto por: óxido de titanio TiO2, grado anatasa, y sulfato ferroso FeSO4.

8. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que la temperatura está comprendida entre 100ºC y 250ºC, incluidos ambos límites.

9. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que la acidez del baño debe ser controlada de forma continua y esta no debe bajar de pH=5, 5, añadiéndose más catalizador básico si baja de este valor.

10. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que la reacción se lleva a cabo a una presión comprendida entre 1 y 10 bares, incluidos ambos límites.

11. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que parte o la totalidad de la fracción líquida obtenida en la reacción de transformación se reutiliza como medio solvente.

12. Instalación de transformación de azúcares en una fase líquida de acuerdo con el método descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende:

- un sistema de alimentación de los azúcares en continuo;

- un sistema de alimentación del medio solvente; -un sistema de alimentación del catalizador básico; -un sistema de alimentación del catalizador ácido de Lewis;

- un sistema de calentamiento externo del reactor;

- un reactor donde se produce la reacción; -un sistema de aplicación de los ultrasonidos;

- unos medios de salida de la fracción líquida generada en el interior del reactor; 5 - medios de almacenamiento de la fracción líquida obtenida en el reactor;

- unos medios de salida que dirigen el vapor de agua producido en la reacción;

- una torre de condensación donde se enfría el vapor de agua;

- unos medios de almacenamiento del agua condensada en la torre;

caracterizado por que el funcionamiento del sistema se produce en continuo, tanto la alimentación de los azúcares como la 10 extracción de agua y del HMF5 formados durante la reacción.