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Química Orgánica de los Procesos Bioquímicos I
Carrera de Bioquímica y Farmacia
Departamento de Bioquímica y Farmacia
“ACTIVIDAD DE AUTOAPRENDIZAJE N0 4 – INFORME
RESUMEN - IR ”
Documento Elaborado por: Kimberly Michael Ari Condori Estefany Condori Santiestevez Universidad del Valle - UNIVALLE Cochabamba, mayo 2025
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD
B Y F
INFORME DE INVESTIGACIÓN DE
QUÍMICA ORGÁNICA DE LOS PROCESOS BIOQUÍMICOS I –
INVESTIGACIÓN LECTURA DE TESIS DOCTORAL
“DISEÑO DE CATALIZADORES HETEROGÉNEOSPARA LA
OBTENCIÓN DE HIDROCARBUROSMEDIANTE EL CRAQUEO
DE ACEITESVEGETALES”
1. RESUMEN
Este informe resume la tesis doctoral de Rubén Ramos Velarde, “Diseño de Catalizadores Heterogéneos para la Obtención de Hidrocarburos mediante el Craqueo de Aceites Vegetales” (2014, Universidad Rey Juan Carlos). La investigación estudia cómo convertir aceite de colza, un aceite vegetal, en hidrocarburos para combustibles o químicos, como una alternativa sostenible al petróleo. Me parece un tema muy interesante porque usa química para enfrentar problemas reales, como reducir la dependencia de combustibles fósiles y cuidar el medio ambiente. La tesis se enfoca en el craqueo catalítico, un proceso donde se calienta el aceite a altas temperaturas (400-600°C) con catalizadores para romper sus moléculas grandes en hidrocarburos más pequeños, como gases (C1-C4), gasolinas (C5- C10), queroseno (C11-C13) o diésel (C14-C18). Este método es práctico porque no necesita hidrógeno externo, lo que lo hace más barato, y puede usar los equipos de las refinerías actuales, así que no hay que construir nada nuevo. Hicieron pruebas con diferentes velocidades de alimentación del aceite (3.8-12.4 h^-1) y lograron eliminar más del 77% del oxígeno del aceite a través de reacciones como descarbonilación, descarboxilación y deshidratación. Esto es clave para que los hidrocarburos sean buenos combustibles, porque el oxígeno puede causar problemas en los motores. El estudio probó varios catalizadores heterogéneos, que son sólidos que aceleran las reacciones y se pueden reutilizar. Usaron zeolitas (ZSM-5 y Beta), materiales con poros grandes (Al-MCM-41 y Al-SBA-15), y versiones mejoradas con poros más amplios o metales como níquel (Ni), zinc (Zn), molibdeno (Mo), galio (Ga) o cerio (Ce). La zeolita ZSM-5 fue la estrella porque es muy ácida y produce muchas olefinas ligeras (28.6% p/p) y aromáticos (28.8% p/p), que sirven para combustibles o plásticos. Cuando le hacían poros más grandes (h-ZSM-5), las olefinas subían a 35.9% y se formaba menos coque, un residuo que tapa los catalizadores. Con níquel (Ni/ZSM-5), llegaban a 37% de olefinas, pero producían más coque, a veces como nanotubos de carbono, que es algo curioso. Con zinc (Zn/ZSM-5), sacaban hasta 43% de aromáticos y mucho hidrógeno (44% molar), ideal para industrias químicas.
impregnación húmeda o intercambio iónico, con el propósito de conferir al sistema catalítico una función adicional ( ya sea hidrogenante o desoxigenante ) que potencie la actividad global del catalizador, favorezca la formación de olefinas y mejore su resistencia a la desactivación por formación de coque durante el proceso de conversión térmica del aceite. Evaluar el desempeño catalítico de los materiales sintetizados en reacciones de craqueo del aceite de colza en fase vapor, utilizando un reactor de lecho fijo bajo condiciones de operación controladas. Esta evaluación incluirá el análisis cuantitativo y cualitativo de los productos obtenidos (olefinas C2–C4, hidrocarburos del rango de gasolina, aromáticos ligeros y gases), así como la determinación de la conversión, la selectividad y el rendimiento de cada sistema catalítico, empleando técnicas analíticas como cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC-MS). Optimizar las condiciones de operación del proceso catalítico, incluyendo la temperatura de reacción, la velocidad espacial, la relación catalizadora/sustrato y el tiempo de residencia, mediante un diseño experimental adecuado que permita identificar las variables críticas que inciden en el rendimiento del proceso. Esta optimización buscará maximizar la producción de fracciones ligeras y minimizar la generación de subproductos indeseados, como coque o compuestos oxigenados residuales. Analizar la estabilidad y la resistencia a la desactivación de los catalizadores desarrollados, considerando fenómenos como la formación de depósitos de carbono, la pérdida de acidez o la sinterización de las partículas metálicas. Este análisis permitirá entender mejor los mecanismos de desactivación presentes en el sistema y proponer estrategias para mejorar la vida útil de los catalizadores, tales como regeneración térmica o modificación de la arquitectura del soporte.
3. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN 3.1. Síntesis de hidrocarburos – métodos de obtención La obtención de hidrocarburos a partir de biomasas, particularmente aceites vegetales, se realiza mediante procesos termoquímicos y bioquímicos, destacando los siguientes métodos: Pirólisis: Consiste en la descomposición térmica de la biomasa en ausencia de oxígeno, produciendo bioaceite, gases y carbón. Es adecuada para residuos lignocelulósicos y oleaginosos, pero requiere catalizadores para mejorar la calidad del bioaceite. Gasificación: Convierte biomasa en gases (CO, H2, CH4) mediante reacción con oxígeno o vapor a altas temperaturas. Los gases pueden transformarse en hidrocarburos vía síntesis Fischer- Tropsch.
Hidrólisis: Utilizada principalmente para biomasa azucarada o amilácea, produce azúcares fermentables que se convierten en bioetanol o hidrocarburos mediante procesos biotecnológicos. Transesterificación: Transforma aceites vegetales en biodiesel mediante reacción con alcoholes (metanol o etanol) y catalizadores básicos o ácidos. Aunque no produce hidrocarburos puros, es un precursor para biocombustibles. Hidrotratamiento: Convierte triglicéridos en hidrocarburos parafínicos (green diesel) mediante hidrogenación catalítica, eliminando oxígeno en forma de H2O, CO y CO2. Craqueo Catalítico: Método central de la tesis, transforma triglicéridos en hidrocarburos (C1-C18) a 400-600°C en atmósfera inerte, utilizando catalizadores como zeolitas o materiales mesoestructurados. Este proceso es económico, no requiere hidrógeno externo y es compatible con refinerías existentes. El craqueo catalítico destaca por su versatilidad, produciendo hidrocarburos gaseosos, gasolinas, queroseno y diésel, con alta desoxigenación y selectividad controlada por el catalizador. 3.2. ¿Qué son los catalizadores? y ¿Cuáles son los más recomendados para la síntesis de hidrocarburos? Los catalizadores son sustancias que aceleran reacciones químicas sin consumirse, reduciendo la energía de activación. En el craqueo de aceites vegetales, los catalizadores heterogéneos (sólidos) son preferidos por su facilidad de separación y reutilización. Estos poseen sitios ácidos (Brönsted y Lewis) que facilitan reacciones como el craqueo, descarbonilación y descarboxilación, y sitios metálicos que promueven deshidrogenación y aromatización. Catalizadores recomendados: Zeolita ZSM-5: Alta acidez y selectividad hacia olefinas ligeras (28.6% p/p) y aromáticos (28.8% p/p). Su estructura microporosa favorece la conversión de triglicéridos en hidrocarburos ligeros, aunque puede desactivarse por coque. Zeolita ZSM- 5 de Porosidad Jerarquizada: Mejora la accesibilidad a sitios activos, aumentando el rendimiento de olefinas ligeras (hasta 35.9% p/p) y reduciendo la formación de coque. ZSM- 5 Impregnada con Níquel (Ni/ZSM-5): Incrementa la producción de olefinas ligeras (37% p/p) y limita la aromatización, aunque genera coque en forma de nanotubos de carbono. ZSM- 5 Impregnada con Zinc (Zn/ZSM-5): Favorece hidrocarburos aromáticos (hasta 43% p/p) y produce alta concentración de hidrógeno (44 mol%), ideal para aplicaciones químicas.
aprovechar biomasa oleaginosa. La biomasa, particularmente los aceites vegetales, es una fuente renovable clave para la bioindustria. RECOMENDACIONES: Optimizar la síntesis de zeolitas de porosidad jerarquizada para reducir costos y escalar su producción. Investigar catalizadores bifuncionales con otros metales para mejorar la selectividad hacia productos específicos. Desarrollar estrategias para minimizar la formación de coque, como el uso de reactores de lecho fluidizado. Promover el uso de cultivos energéticos no alimentarios para evitar conflictos con la seguridad alimentaria. Realizar análisis de ciclo de vida para evaluar la sostenibilidad de los procesos a gran escala.
5. BIBLIOGRAFÍA [1] Ramos Velarde, R. (2014). Diseño de Catalizadores Heterogéneos para la Obtención de Hidrocarburos mediante el Craqueo de Aceites Vegetales. Tesis Doctoral, Universidad Rey Juan Carlos. [2] Botas, J.A., Serrano, D.P., García, A., de Vicente, J., Ramos, R. (2012). Catalytic conversion of rapeseed oil into raw chemicals and fuels over Ni- and Mo-modified nanocrystalline ZSM-5 zeolite. Catalysis Today, 195, 59-70. [3] Botas, J.A., Serrano, D.P., García, A., Ramos, R. (2014). Catalytic conversion of rapeseed oil for the production of raw chemicals, fuels and carbon nanotubes over Ni-modified nanocrystalline and hierarchical ZSM-5. Applied Catalysis B: Environmental, 145, 205-215. 6. ANEXOS Tabla 1: Comparación de Catalizadores en el Craqueo de Aceite de Colza Table 1: Rendimiento de productos seleccionados con diferentes catalizadores a 550°C y WHSV=7.6 h−.
