Etanol, glicerina, syngas y PHA serían las mejores materias primas alternativas al petróleo y el gas

Etanol, glicerina, syngas y PHA serían las mejores materias primas alternativas al petróleo y el gas

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Por mucho tiempo, las materias primas fundamentales de la industria petroquímica han sido el petróleo y el gas. Hoy, existe un gran movimiento por encontrar alternativas a estas materias primas y algunas de ellas han empezado incluso a tornarse en realidad. Esto es parte del nuevo entorno de quienes están inmersos en el mundo de los plásticos que – hasta ahora – ha estado basado fundamentalmente en las materias primas tradicionales.

Por lo anterior, hemos decidido aventurarnos a hablar aquí del tema. Aunque esta vez tocaremos algunas alternativas de relevancia, dejaremos para una ocasión futura los temas del bio-diesel y de los líquidos a partir de carbón, que merecen ser tratados independientemente.

¿Qué motivos pueden tener la industria y los gobiernos para invertir en la búsqueda de alternativas a las materias primas tradicionales? Existe tanto un grupo de motores como de influencias que alimentan o condicionan dicho desarrollo. Los motores o argumentos de mayor relevancia se pueden agrupar básicamente en seis puntos:

  • Necesidad de lograr seguridad energética
  • El cambio climático
  • Beneficios agrícolas
  • Desarrollos tecnológicos
  • Especificaciones de producto
  • Políticas gubernamentales

De igual manera, las influencias pueden agruparse en los siguientes seis bloques:

  • Abasto
  • Competitividad
  • Estabilidad de precios de las materias primas
  • Aceptación entre los consumidores
  • Cadena logística
  • Consideraciones ambientales

Hoy, los esfuerzos para desarrollar alternativas realmente viables se llevan a cabo en tres grandes plataformas tecnológicas: la plataforma de la fermentación, la termoquímica y la plataforma de extracción química y/o transformación de estructuras moleculares naturales.

La plataforma de la fermentación se sustenta en dos pilares: los granos desde los cuales se puede obtener etanol, que se deshidrata para convertirse en etileno y --más adelante

  • en sus derivados y los substratos claros del azúcar, que por fermentación permiten obtener ácidos, aldehídos, acetonas y otros productos que, con la ayuda de catalizadores convencionales, pueden transformarse en solventes y químicos intermedios.

    Por su parte, la termoquímica es la plataforma de la gasificación de biomasa. En este caso, el llamado syngas (gas de síntesis; mezcla de gases que contiene monóxido de carbono e hidrógeno, resultado de la gasificación de un combustible que contiene carbono) se transforma en alcoholes u otros químicos.

    Finalmente, la extracción química y/o transformación de estructuras moleculares naturales lleva a tres posibles rutas para la obtención de químicos: la transformación de aceites naturales y grasas para obtener biodiesel y el producto secundario glicerina, la transformación de aceites minerales en polioles y la extracción a partir de maderas suaves, plantas marinas y otras biomasas.

    El papel que la biotecnología y las materias primas renovables juegan para la obtención de productos comerciales puede variar. Una fuente renovable puede sufrir una serie de procesos de biotransformación para convertirse en un producto comercial. En otro caso, a un proceso de biotransformación puede seguir un proceso petroquímico. Un producto comercial puede también ser el resultado de un proceso de biotransformación de una materia prima petroquímica tradicional.

    Todo esto resulta en una paleta de plataformas, rutas, materias primas y químicos que puede ser bastante confusa si no se analiza sistemáticamente. Con la idea de identificar aquellos químicos que hoy merecen especial atención, los expertos de nuestra empresa han evaluado más de 300 químicos con la idea de identificar aquellos que tienen potencial económico. El proceso de evaluación, que se llevó en dos etapas básicas de filtrado, permitió reducir el grupo a veinte productos, que se estudiaron más de cerca. El primer filtro se centró en calificadores en torno al tamaño del mercado destino del producto y su valor monetario. El segundo filtro consistió en una evaluación comparativa de los costos de producción de los nuevos procesos y las tecnologías existentes, además de la receptividad de los mercados y la industria.

    Los productos que hoy parecen prometedores pueden ser agrupados en cuatro categorías:

    • Etanol (para obtener etileno)
    • Glicerina
    • Syngas (gas de síntesis)
    • PHAs (polihidroxialcanoatos)

    Etanol
    La obtención de etileno a través de la deshidratación del etanol es una tecnología simple y probada (al retirar dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno de la molécula del etanol que contiene dos átomos de carbono, seis de hidrógeno y uno de oxígeno, se obtiene la molécula del etileno: dos carbonos unidos por un doble enlace, cada uno de ellos asociados igualmente a dos átomos de hidrógeno). Para la industria de los plásticos serán por supuesto relevantes los polímeros que se basan en la química del etileno, como lo son por ejemplo los polietilenos. Tanto Dow como Braskem han anunciado ya que producirán polietileno industrialmente a partir de etanol de caña de azúcar.

    A pesar de todo, debe tenerse conciencia de que cada una de las rutas que llevan a los químicos derivados del etanol presenta retos en mayor o menor grado. Algunos ejemplos de dichos químicos son: etil ésteres de ácidos grasos, etil acetato (ruta Davy), etil lactato, acetaldehído via deshidrogenación de etanol, etil aminas y trietil citrato. La tabla 1 ofrece una comparación cualitativa de estos productos.

    Una pregunta fundamental cuando se echa una mirada a las materias primas alternativas es evidentemente cómo se comparan con las materias primas tradicionales. Por ejemplo, una comparación (basada en costos de la Costa del Golfo de los Estados Unidos) de los costos de producir etanol a partir de maíz contra el costo de producirlo a partir de crackingde naphta mostraría que los costos de materia prima del etanol de maíz son casi el doble. Sin embargo, los costos de servicios (energía, vapor, etc.) son un tercio y la depreciación y los costos fijos son mucho menores. Como resultado, ambos productos tienen un costo comparable (y excluyo aquí el tema de las subvenciones al cultivo para fines energéticos). El etanol a partir del pasto panicum virgatum (un pasto conocido como switchgrass en los Estados Unidos, con diferentes nombres en español – por ejemplo pasto varilla en México) no es competitivo aún, aunque la tecnología sigue evolucionando.

    Glicerina
    Debido al hecho de que la producción de biodiesel arroja como producto secundario glicerina, el dramático incremento en abasto de glicerina asociada al incremento en la producción de biodiesel causa un desequilibrio oferta-demanda que requiere solución. El propilen glicol renovable (PGR) parece ofrecer una buena solución. La siguiente figura resume las rutas en forma ilustrativa.

    El proceso de glicerina cruda a propilen glicol ya es comercial. Hay varios proyectos en construcción, entre ellos: Senergy Chemical, Cargill/Ashland, ADM, además de trabajo de investigación por PNN/UOP, Virent, NREL y Suppes. Solvay construirá una planta para producir epiclorohidrina usando un proceso propio llamado Epicerol.

    Otros posibles derivados de la glicerina renovable pudieran ser 1.3 propano-diol, ácido glicérico y otros productos de oxidación. La glicerina también puede usarse como monómero: ésteres grasos para aplicaciones alimenticias, poliésteres no saturados/alquidales, otros.

    El trabajo realizado para la introducción del PGR ha dejado importantes aprendizajes. Vale la pena mencionar los siguientes

    • La discusión no está centrada en "verde contra petroquímico", ya que está aceptado generalmente como seguro (Generally Accepted As Safe, GRAS
    • Ofrece más ventajas efímeras ("huella" de carbobo) no capitalizadas en muchos casos
    • Aunque es "idéntico" al propilen glicol común, existen preocupaciones por sus impurezas
    • Dos grupos de filtros juegan un papel relevante, consumidor (olor, color, etilen glicol, otras impurezas, aprobaciones, etc.) e industria (por ejemplo para la producción de resinas poliéster; funcionalidad, control estadístico, evaluaciones).

    Syngas

  • La gasificación de bio-masa a líquidos (Bio-Mass to Liquids, BTL) puede ser aplicada para la producción de químicos commodity. Por ejemplo, se puede obtener bio-metanol, que al pasar por un proceso metanol-a-olefinas (Methanol to Olefins, MTO) abre las puertas a los químicos y polímeros derivados de ellas.

    La producción de químicos a partir de syngas es ya bastante conocida. Sin embargo, la comercialización del proceso de gasificación de biomasa no se ha dado a gran escala. Podría decirse que ya es de actualidad la obtención a partir de syngas de metanol, amoníaco, hidrógeno y combustibles líquidos sintéticos. En el caso de la gasificación de biomasa para obtener syngas, quizá hablemos de un horizonte de 5 años.

    Se espera que la demanda de syngas para GTL (Gas to Liquids, Gas a líquidos) se incremente dramáticamente en los años por venir. La demanda total en 2003 era de 373 mil millones de Nm3. Cerca de 66 porciento de dicho volumen fue utilizado para producir amoníaco, casi 20 por ciento para producir metanol, algo más del 11 por ciento para producir hidrógeno y el resto para productos más pequeños (con GTL alrededor del 2 por ciento). Para 2015, se espera que el consumo sea de 708 mil millones de Nm3 y que la distribución cambie, mostrando un crecimiento del uso para GTL a casi un 24 por ciento y para hidrógeno a casi 19 por ciento. Amonia y metanol, por su parte, se reducirán a aproximadamente 41 y 16 por ciento respectivamente.

    PHAs
    El ácido poliláctico (Polylactid acid, PLA) y los polihydroxialcanoatos (Polyhydroxialkanoates, PHA) – una familia de poliésteres naturales son productos relacionados que ofrecen rutas para la producción de polímeros bio-degradables.

    El ácido poliláctico parte de un monómero derivado de un proceso de fermentación que se puede polimerizar convencionalmente. Dado que el ácido láctico es caro, algunas empresas como Cargill han optado por utilizar más bien di-láctidos.

    Hasta ahora las empresas involucradas con estos productos han llevado a cabo un posicionamiento de marca y promoción más bien discreto. Dow salió del joint-venture que tenía con Cargill para comercializar PLA.

    En este contexto, cabe la pregunta ¿encontrarán los productores caminos para promover productos verdes sin canibalizar sus productos petroquímicos?

    Los PHAs pueden obtenerse a partir de fermentación y de cultivos. En ambos casos, se requiere de ingeniería genética para obtener productos genéticamente modificados (Genetically Modified, GM). La ruta de la fermentación es una ruta probada que anticipa plantas productoras de gran escala integradas con las instalaciones proveedoras del substrato de azúcar. Las rutas basadas en plantas presentan un mayor reto y se encuentran en desarrollo; el pasto varilla es un ejemplo.

    Un punto interesante adicional a considerar respecto a los PHAs es la posibilidad de des-polimerizarlos para obtener químicos tales como butanodiol y acrilatos.

    Con el tiempo, las proyecciones son que los PHAs basados en cultivos serán mucho más baratos que aquellos basados en fermentación. De esta forma, los PHAs de las diferentes rutas se posicionarían en diferentes mercados.

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