Furfural. Síntesis y uso industrial. Joel de la Barrera Benavidez.
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Introducción.
El furfural fue descubierto por primera ves en 1832 por Johann Wolfgang Doreiner, sin embargo su producción comercial empezó en 1921, siendo Quaker Oats quien empezo su producción comercial en 1920 (Mandalika, 2012). Actualmente la síntesis de furfural a partir de desperdicios agrícolas, representa una actividad económica viable, sustentable y ecológica. (Ambalkar & Talib, 2012) El furfural y sus derivados son usados ampliamente en la industria química (Sangarunlert, Piumsomboon, & Ngamprasertsith, 2007). Es usado como solvente para separar compuestos saturados, de compuestos insaturados, principalmente en la industrias química, alimenticia, agricultura, petrolera, refinerías de gas, de aceite y de diesel. También es usado como precursor en la síntesis de polímeros y es demandado por sus derivados, como el furfuril alcohol (Sangarunlert, Piumsomboon, & Ngamprasertsith, 2007) (Ambalkar & Talib, 2012). Ya que las resinas de este compuesto, permiten que la madera obtenga estabilidad, dureza, resistencia a la humedad y resistencia a la degradación por bacterias. La producción de furfural es de 200,000 - 2800,000 ton, de los cuales 120,000 – 130,000 corresponden a la síntesis de furfuril alcohol (Ambalkar & Talib, 2012), siendo China el mayor productor de furfural con el 71% de la producción global (Mandalika, 2012). Actualmente existen 4 aplicaciones potenciales en la industria. La agroquímica, biocombustibles, plásticos de PLA y tratamiento de timber (Ambalkar & Talib, 2012). Síntesis química del Furfural.
En la industria moderna química a partir de biomasa, busca la utilización de todos sus componentes en productos de valor agregado, uno de estos es la obtención de furfural a partir de pentosas, las cuales se encuentran en diferentes proporciones dentro de la hemicelulosa, dependiendo del tipo de cultivo o especie vegetal del cual se obtiene la biomasa (Sangarunlert, Piumsomboon, & Ngamprasertsith, 2007). La materia prima (Pentosas), para sintetizar el furfural se puede obtener por hidrólisis en medio ácido a partir de monosacáridos en la biomasa vegetal (Pentosan) (Ec. 1). Posteriormente la pentosa obtenida por este medio es convertida en furfural a través de la deshidratación de las pentosas, catalizada en medio ácido (Ec. 2) (Sangarunlert, Piumsomboon, & Ngamprasertsith, 2007) (Zeitsch, 2000). Con una eficiencia teorica de 0.727 g Pentosano/g Furfural.
La reacción se lleva a cabo en dos etapas, en la primera ocurre la hidrólisis de pentosano para dar lugar a las pentosas. El pentosano es una molécula que contiene anillos de pentosas, unidos por enlaces a oxigeno (Ilustración 1). Y en la segunda etapa se lleva a cabo la deshidratación de una molécula de pentosa, para dar lugar al furfural (Ilustración 1).
Ilustración 1. 1) Hidrolisis de pentosano en medio ácido para dar lugar a pentosas. 2) Deshidratación de pentosa en medio ácido para dar lugar a furfural. (Zeitsch, 2000) (Zeitsch, 2000)
A nivel laboratorio, la síntesis de furfural se puede realizar a partir de la destilación con vapor, de biomasa en medio ácido, lo que da como resultado un condensado de agua y furfural (Ilustración 2).
Ilustración 2. Síntesis de Furfural a nivel laboratorio.
La producción industrial de furfural, se enfoca en reactores continuos o por lote, donde la fracción de hemicelulosa presente en la biomasa vegetal, es convertida en monosacáridos, por medio de la hidrólisis ácida, posteriormente la deshidratación ácida de las pentosas conlleva a la síntesis de furfural (Sangarunlert, Piumsomboon, & Ngamprasertsith, 2007). Sin embargo con este tipo de producción se obtienen bajas concentraciones, debido a que el furfural se polimeriza o reacciona con su precursor (pentosa) (Arnold & Buzzard, 2003) (Zeitsch, 2000; Zeitsch, 2000). Para evitar
esto suele usarse al igual que en la síntesis a nivel laboratorio. La destilación de furfural con vapor de agua (Ilustración 3), sin embargo este método es ineficaz, debido a que el furfural se difunde poco hacia el vapor de agua y por que esta practica representa un gran gasto energético a nivel industrial. Como alternativa se ha propuesto el uso de fluidos supercríticos durante la etapa de reacción, para extraer el furfural, obteniéndose una eficiencia del 90% respecto al máximo teórico (Sangarunlert, Piumsomboon, & Ngamprasertsith, 2007).
Ilustración 3. Síntesis de Furfural a nivel industrial.
Usos del furfural.
El furfural es un producto químico con múltiples aplicaciones. Con un precio de $1700 USD/Tonelada (Mandalika, 2012), el mercado mundial de este producto se cotiza en 476 millones de dólares. Es usado como un solvente selectivo en la refinería de petróleo, aceites lubricantes, combustibles diesel y aceites vegetales. Donde ha sido usado para separar compuestos aromáticos y ciertos tipos de compuestos parafinados, de la mezcla (Mandalika, 2012). Además el furfural tiene propiedades nematicida, superior a algunos compuestos comerciales. (Mandalika, 2012). Propiedades Fungicidas, siendo superior y en menores concentraciones que el formaldehido (Mandalika, 2012). Sin embargo el furfural es el precursor de varios químicos derivados, como el Furfuril alcohol, furanos, ácido furoico,
Furano. La conversión a furano, se lleva cabo por la descarboxilación catalítica de furfural a temperaturas altas. El uso de furanos es en su mayoría para la producción farmacéuticos, químicos agrícolas y estabilizadores. También es usado para la síntesis de tiofeno y pirrol. (Mandalika, 2012)
Ilustración 4. Descarboxilación catalítica de furfural, para producir furano (Mandalika, 2012).
Tetrahidrofurano. El uso mas prometedor del furano es su conversión a tetrahidrofurano, el cual es usado como solvente. Es producido por la hidrogenación catalítica de furano (Mandalika, 2012).
Ilustración 5. Hidrogenación catalítica de furano para producir Tetrahidrofurano (Mandalika, 2012).
Ácido Furoico. La conversión en ácido furoico, se lleva a cabo por la acidificación de furancarboxilato, el cual se obtiene por la descarboxilación de furfural en una solución acuosa de hidróxido de sodio (Mandalika, 2012). El ácido furoico es un intermediario de farmacéuticos y es usado en la manufactura de fungicidas e insecticidas (Mandalika, 2012). Furfuril Alcohol. La conversión a este derivado, representa el 62% de la producción global de furfural. El uso principal es para la fabricación de resinas, también es usado en la fabricación de plásticos a partir del mismo. La conversión de furfural a furfuril alcohol, se lleva a cabo por la hidrogenación catalítica de furfural (Mandalika, 2012).
Ilustración 6. Hidrogenación catalítica de furfural, para producir furfuril alcohol (Mandalika, 2012).
Referencias.
Sangarunlert, W., Piumsomboon, P., & Ngamprasertsith, S. (2007). Furfural production by acid hydrolysis and supercritical carbon dioxide extraction from rice husk. Korean J. Chem. Eng. , 24 (6), 936-941. Zeitsch, K. (2000). The chemistry and technology of furfural and its many by products. Elsevier. Ambalkar, V. U., & Talib, M. I. (2012). Synthesis of furfural from lignocellulosic biomass as agricultural residues: A review. The International Journal of Engineering And Sciences , 1 (1), 30-36. Arnold, D., & Buzzard, J. (2003). A novel process for furfural production. Proceedings of South African Chemical Engineering Congress. Mandalika, A. S. (2012). Enabling the development of furan-based biorefineries.
