La industria mundial de la aviación se esfuerza por reducir su impacto ambiental, por lo que ha comenzado la carrera para desarrollar combustibles de aviación sostenibles (SAF) que puedan sustituir al combustible de aviación tradicional a base de petróleo. Una solución prometedora reside en una fuente poco probable: el abundante biopolímero lignina. Los investigadores han demostrado ahora un novedoso proceso para convertir directamente la lignina en hidrocarburos de alta calidad para el combustible de los aviones, allanando el camino hacia un futuro más sostenible del transporte aéreo.

El reto de los combustibles de aviación sostenibles

El sector de la aviación es uno de los principales responsables de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero, con un 2-3% del total mundial. Dado que se prevé un fuerte repunte del transporte aéreo en las próximas décadas, es necesario encontrar formas de descarbonizar el sector. Los SAE han surgido como una parte clave de la solución, ya que ofrecen la posibilidad de reducir drásticamente las emisiones en comparación con el combustible de aviación convencional.

La mayoría de los SAF actuales se producen a partir de lípidos vegetales y animales, como aceites vegetales y grasas animales. Sin embargo, la limitada disponibilidad de estas materias primas impide ampliar su producción para satisfacer el aumento previsto de la demanda futura de combustible para aviones. "Todos coinciden en que serán necesarias muchas vías nuevas para alcanzar el objetivo de emisiones netas nulas en la aviación para 2050", afirma Bin Yang, profesor de la Universidad Estatal de Washington y autor principal del nuevo estudio.

Otro reto es que muchos SAF carecen de las propiedades deseadas del combustible convencional para reactores. "Muchas aerolíneas limitan el uso directo de estos SAF y equilibran su combustible con el combustible de aviación convencional para rectificar las preocupaciones en torno a la densidad, el hinchamiento de las juntas y otros componentes", explica Yang. Esto se debe en gran parte a la falta de determinadas clases de hidrocarburos, como los aromáticos y los cicloalcanos, que son importantes para la compatibilidad y el rendimiento del combustible.

Aprovechar el potencial de la lignina

La lignina es un polímero aromático complejo que, después de la celulosa, es el segundo polímero natural más abundante en la Tierra. La lignina es un subproducto de varios procesos de biorrefinería, con una producción mundial de unos 300 millones de toneladas al año. "La lignina tiene la capacidad de producir un polímero basado en una estructura aromática que puede servir de base para producir combustibles, productos químicos y materiales", afirma Yang.

Investigaciones anteriores del grupo de Yang y otros han demostrado el potencial del uso de la despolimerización catalítica y la hidrodesoxigenación (HDO) para convertir la lignina en hidrocarburos aptos para combustible de aviación. Estos procesos pueden producir selectivamente una mezcla de cicloalcanos, una clase de hidrocarburo que puede sustituir potencialmente a los aromáticos en el combustible de aviación, proporcionando una densidad y unas propiedades de hinchamiento del sello comparables.

Sin embargo, el reto ha sido desarrollar un proceso de flujo continuo que pueda manejar la complejidad de las materias primas de lignina técnica. "Abordar los retos que plantea la naturaleza heterogénea de la lignina es crucial para el éxito del procesamiento de la lignina técnica en reactores de flujo continuo", afirma Yang.

Un gran avance en la conversión continua de la lignina

En su último trabajo, publicado en Fuel Processing Technology, los investigadores demuestran un novedoso proceso de "despolimerización e hidrodesoxigenación simultáneas" (SDHDO) que puede convertir continuamente la lignina en hidrocarburos de alta calidad para combustible de aviación.

La clave es un catalizador bifuncional de ingeniería, denominado Ru-HY-60-MI, que combina un soporte de zeolita ácida con nanopartículas de rutenio muy dispersas. "El diseño y la síntesis de catalizadores bifuncionales eficientes para la HDO directa de la lignina constituyen todo un reto", explica Adarsh Kumar, primer autor del artículo e investigador del Laboratorio Nacional de Energías Renovables.

"La competencia entre la despolimerización, la saturación anular y la hidrogenólisis C-O crea dificultades para originar hidrocarburos saturados anulares. Una excelente combinación de estas propiedades puede ser un catalizador eficaz para la producción de hidrocarburos saturados."

Los investigadores introdujeron el catalizador Ru-HY-60-MI en un reactor de flujo continuo y alimentaron una solución de lignina de rastrojo de maíz tratada con álcali. En condiciones de reacción optimizadas de 250 °C y 1.150 psi de presión de hidrógeno, consiguieron un rendimiento máximo de carbono del 17,9% para el producto combustible de aviación a base de lignina (LJF).

Un análisis detallado reveló que el LJF estaba compuesto por un 60,2% de monocicloalcanos y un 21,6% de policicloalcanos, clases de hidrocarburos cruciales para la compatibilidad y el rendimiento del combustible. "Las pruebas de propiedades de combustible Tier α indican que la producción de LJF mediante la química SDHDO puede producir SAF con alta compatibilidad, buenas propiedades de sellado, bajas emisiones y alta densidad energética para aeronaves", afirma Yang.

Un aspecto clave de la investigación fue la caracterización detallada del catalizador Ru-HY-60-MI antes y después de su uso. Esto proporcionó valiosos conocimientos sobre la estructura y el comportamiento del catalizador durante el proceso SDHDO.

El equipo descubrió que la estructura y cristalinidad de la zeolita HY se conservaban en gran medida tras los pasos de ingeniería del catalizador, con pequeñas nanopartículas de rutenio (tamaño medio de 2,9 nm) dispersas por todo el soporte. El análisis de reducción programada por temperatura reveló la presencia de dos tipos diferentes de especies de óxido de rutenio, lo que sugiere buenas interacciones metal-soporte.

Sin embargo, el catalizador gastado mostró algunos cambios significativos. El análisis de plasma acoplado inductivamente detectó un aumento sustancial del contenido de potasio, probablemente debido al intercambio de iones entre la solución de lignina y la zeolita HY. También había indicios de deposición de carbono en la superficie del catalizador, lo que contribuyó a su desactivación con el tiempo.

"La desactivación del catalizador debido a los contaminantes y a la formación de coque es uno de los principales retos que debemos superar para que este enfoque sea comercialmente viable", afirma Kumar. "Hay que seguir trabajando para desarrollar catalizadores más robustos y diseños de reactores que puedan soportar las duras condiciones de la conversión de la lignina".

Los investigadores creen que sus conocimientos sobre las relaciones estructura-actividad del catalizador ayudarán a orientar el desarrollo de catalizadores de nueva generación para la mejora continua de la lignina. "Las metodologías de caracterización del catalizador sugieren que Ru-HY-60-MI tiene un tamaño de Ru pequeño con buena dispersión sobre el soporte HY-60", señala Kumar. "Sin embargo, se observó una desactivación del catalizador debido al intercambio de iones K+ de la solución de lignina al HY-60 y a la deposición de carbono en la superficie de Ru-HY-60-MI durante el experimento."

La demostración con éxito del proceso SDHDO en flujo continuo supone un importante paso adelante para la comercialización de combustibles de aviación a base de lignina. Los estudios anteriores sobre LJF se habían basado en reactores discontinuos, menos escalables y económicamente viables para la producción a gran escala.

"La producción a escala comercial ayudará a hacer realidad los beneficios medioambientales del combustible de aviación sostenible", afirma Yang. "Para alcanzar el objetivo de producción comercial de LJF, se requiere un proceso continuo".

Los investigadores señalan que su enfoque aborda varios retos clave asociados a la conversión continua de la lignina. "Superamos las complejidades de la conversión directa de la lignina y la conservación de las estructuras cíclicas en el producto empleando técnicas innovadoras de ingeniería de la reacción", explica Yang.

De cara al futuro, el equipo trabaja para seguir optimizando el proceso y superar los obstáculos pendientes. "Seguiremos avanzando hacia la implantación del proceso superando tres retos principales: reducir el coste del catalizador de hidrotratamiento, mejorar la eficiencia de los catalizadores sólidos debido a la estructura polimérica de la lignina y evitar la desactivación del catalizador por la presencia de contaminantes y la formación de coque", afirma Yang.

Si tiene éxito, el combustible de aviación a base de lignina podría abrir nuevas posibilidades para la aviación sostenible. "El LJF puede ofrecer propiedades complementarias a las actuales vías de SAF, proporcionando la densidad y el oleaje de sellado necesarios que los n-alcanos y los isoalcanos no pueden alcanzar, al tiempo que aumenta el índice de cetano derivado del combustible mezclado", explica Yang.

Los beneficios potenciales para el medio ambiente también son significativos. "La producción económica de combustible de aviación a base de lignina puede mejorar la sostenibilidad de los combustibles de aviación sostenibles y reducir las emisiones globales de gases de efecto invernadero", afirma Yang.

¿Un camino prometedor hacia un futuro más ecológico en la aviación?

El desarrollo de combustible de aviación a base de lignina representa un gran avance en la búsqueda de un transporte aéreo más sostenible. Aprovechando el recurso abundante e infrautilizado de la lignina técnica, los investigadores han demostrado una vía viable para producir hidrocarburos de alta calidad para combustible de aviación que pueden complementar las opciones de SAE existentes.

El proceso continuo SDHDO, posibilitado por un innovador catalizador bifuncional, supera varios retos clave asociados a la conversión de la lignina y sienta las bases para una posible producción a escala comercial. Aunque aún quedan retos por superar, la promesa del combustible derivado de la lignina es clara: un futuro en el que el transporte aéreo pueda funcionar con combustibles renovables y de bajas emisiones derivados de residuos vegetales.

Mientras la industria mundial de la aviación sigue lidiando con su impacto ambiental, soluciones como el combustible de aviación a base de lignina permiten vislumbrar un camino más sostenible. Con más investigación y optimización, esta tecnología podría desempeñar un papel crucial para ayudar al sector a alcanzar sus ambiciosos objetivos de descarbonización.

Referencia(s)

1. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2024.108129

Pulse TAGS para ver artículos relacionados :

AVIACIÓN | CAMBIO CLIMÁTICO | MEDIO AMBIENTE | SOCIEDAD