El etanol es un producto importante de la industria química con una importancia enormemente creciente. Más de 84.000 millones de toneladas de etanol se producen en todo el mundo cada año. Los mayores productores son América del Norte y Central, seguidos por el Brasil y América del Sur. El etanol es muy valorado como combustible o aditivo de combustible.
La mayor parte de la producción mundial de etanol se basa en la fermentación de azúcares (bioetanol de primera generación ). El etanol de alta pureza se obtiene mediante la hidrogenación del etileno.
Además de las rutas clásicas, la heterogénea síntesis catalizada de etanol a partir de gas de síntesis se ha convertido en el centro de la investigación y el desarrollo. El objetivo, comparado con la ruta de la fermentación, es utilizar biomasa que no compita con la industria alimentaria. Las materias primas biogénicas, como la paja o los residuos de madera, pueden convertirse en gas de síntesis mediante un proceso de gasificación y este gas de síntesis puede convertirse en etanol con la ayuda de un catalizador correspondiente (bioetanol de segunda generación).
La conversión industrial de la síntesis de etanol a partir de gas de síntesis no ha superado aún la escala experimental.
Básicamente, se distinguen cuatro tipos diferentes de catalizadores para la síntesis de etanol a partir del gas de síntesis:
Catalizadores basados en el rodio El rodio (Rh) tiene la capacidad única de adsorber monóxido de carbono (CO) tanto disociativa como asociativamente. Una adsorción de CO disociativa junto con una adsorción de CO asociativa es esencial para la formación de etanol a partir de gas de síntesis. La actividad del rodio puede aumentarse aún más añadiendo varios promotores. Debido al alto precio, la aplicación a gran escala de un catalizador basado en el Rh para la síntesis de etanol se considera antieconómica.
Catalizadores basados en el molibdeno Especialmente los catalizadores basados en el disulfuro de molibdeno (MoS2) muestran una alta actividad y una gran selectividad para la síntesis de etanol a partir del gas de síntesis. La actividad y la selectividad pueden ser mejoradas por ciertos promotores y ciertos soportes de catalizadores. La principal desventaja de los catalizadores de MoS2 es la contaminación de los productos por bajos niveles de azufre.
Catalizadores para la síntesis de metanol En la síntesis de metanol se utilizan catalizadores a base de óxido de zinc y óxido de cromo (ZnO/Cr2O3) o de cobre y óxido de zinc (Cu/ZnO). Dopando los catalizadores de síntesis de metanol con metales alcalinos, se puede promover la formación de etanol. Independientemente del grado de dopaje, el metanol sigue siendo el producto principal.
Catalizadores Fischer-Tropsch Los catalizadores basados en cobalto (Co) o en hierro (Fe) se utilizan industrialmente para la síntesis de Fischer-Tropsch. Dopando los catalizadores Fischer-Tropsch con otros metales de transición y metales alcalinos, se puede promover la formación de etanol. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los hidrocarburos siguen siendo la mayor parte del espectro de productos.
La formación de etanol a partir de gas de síntesis puede tener lugar mediante la hidrogenación de monóxido de carbono y mediante la hidrogenación de dióxido de carbono:
2CO + 4H2 → C2H5OH+H2O
2CO2 + 6H2 → C2H5OH+3H2O
Ambas reacciones están vinculadas a través de la reacción de conversión inversa del monóxido de carbono (desplazamiento del CO):
CO2 + H2 → CO + H2O
Desde el punto de vista termodinámico, se prefieren las bajas temperaturas y las altas presiones para un alto rendimiento del etanol. A diferencia de la síntesis selectiva de metanol, la síntesis de etanol requiere más reacciones para formar subproductos como metanol, alcoholes superiores, metano e hidrocarburos superiores.
Para la formación de etanol a partir de gas de síntesis en catalizadores basados en Rh, catalizadores basados en MoS2 y catalizadores basados en Fischer-Tropsch, se supone un mecanismo de reacción similar: el CO o elCO2 se disocia primero en la superficie del catalizador. El etanol se produce por hidrogenación e incorporación de una molécula de CO absorbida asociativamente.
Para la formación de etanol a partir de gas de síntesis en catalizadores de síntesis de metanol, se supone mecánicamente el acoplamiento de dos moléculas de metanol para formar etanol.
ethanol synthesis