Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EEUU (PNNL), autores del avance, están ampliando el proceso para convertir alcohol procedente de gases residuales renovables o industriales en combustible para reactores o diésel, con la ayuda de socios de la Universidad Estatal de Oregón y de los expertos en reciclaje de carbono de LanzaTech.
Dos tecnologías clave impulsan las unidades de producción del combustible. Por un lado, una conversión química de un solo paso agiliza lo que actualmente es un proceso de varios pasos. El nuevo catalizador patentado por el PNNL convierte el biocombustible (etanol) directamente en una versátil "plataforma" química llamada n-buteno. Y el diseño de un reactor de microcanales reduce aún más los costes, al tiempo que ofrece un sistema de procesamiento modular escalable.
En la actualidad, el n-buteno se produce a partir de materias primas fósiles mediante el craqueo -o descomposición- de grandes moléculas, que requiere mucha energía. La nueva tecnología reduce las emisiones de dióxido de carbono al utilizar materias primas renovables o recicladas. Utilizando este n-buteno obtenido de forma sostenible, los procesos existentes pueden refinar aún más el producto químico para múltiples usos comerciales. Por ejemplo, como combustible para aviones y como lubricante industrial.
"La biomasa es una fuente de energía renovable difícil por su elevado coste. Además, la escala de la biomasa impulsa la necesidad de plantas de procesamiento más pequeñas y distribuidas", señala Vanessa Dagle, co-investigadora principal del estudio, en un artículo publicado en la revista ACS Catalysis. "Hemos reducido la complejidad y mejorado la eficiencia del proceso, reduciendo al mismo tiempo los costes de capital. Una vez demostrado el procesamiento modular a escala, este enfoque ofrece una opción realista para la producción de energía localizada y distribuida."
Un paso más
En un salto hacia la comercialización del n-buteno, el PNNL se está asociando con colaboradores de la Universidad Estatal de Oregón para integrar el proceso en reactores de microcanales construidos mediante una tecnología de impresión 3D recientemente desarrollada. La impresión 3D permite al equipo de investigación crear un "panal" plisado de minirreactores, que aumentan en gran medida la relación superficie-volumen disponible para la reacción.
La tecnología de microcanales permitiría construir biorreactores a escala comercial cerca de los centros agrícolas donde se produce la mayor parte de la biomasa. Así se daría respuesta a uno de los mayores impedimentos para utilizar la biomasa como combustible, al evitar tener que transportarla hasta las grandes plantas de producción centralizadas.
"El diseño modular reduce el tiempo y el riesgo necesarios para desplegar un reactor", afirma Robert Dagle, otro de los investigadores del estudio. "Con el tiempo, los módulos podrían añadirse a medida que crezca la demanda".
Una vez completado el prototipo, el socio comercial del PNNL, LanzaTech, suministrará etanol para alimentar el proceso. LanzaTech convierte en etanol los desechos y residuos ricos en carbono producidos por industrias como la fabricación de acero, el refinado de petróleo y la producción química, así como los gases generados por la gasificación de residuos forestales y agrícolas y los residuos municipales.
LanzaTech ya ha ampliado la primera generación de la tecnología de PNNL para la producción de combustible para aviones a partir de etanol y ha creado una nueva empresa, LanzaJet, para comercializar LanzaJet™ Alcohol-to-Jet. El proyecto actual representa el siguiente paso en la racionalización de ese proceso, al tiempo que proporciona flujos de productos adicionales a partir del n-buteno.
Un proceso ajustable
Desde sus primeros experimentos, el equipo ha seguido perfeccionando el proceso. Al pasar el etanol por un catalizador sólido a base de plata y circonio soportado en sílice, éste lleva a cabo las reacciones químicas esenciales que convierten el etanol en n-buteno o, con algunas modificaciones en las condiciones de reacción, en butadieno. Pero lo más importante es que, tras estudios de larga duración, el catalizador se mantiene estable.
El equipo de investigación ha demostrado, además, que si el catalizador pierde actividad, puede regenerarse mediante un sencillo procedimiento para eliminar el coque, una dura capa de carbono que puede acumularse con el tiempo.
La investigación ha sido apoyada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), dentro del Consorcio (público-privado) de Catálisis Química para la Bioenergía (ChemCatBio), patrocinado por la Oficina de Tecnología de la Bioenergía (BETO).
