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Producción de Furfural a partir de Xilosa: Estudio comparativo de sistemas catalíticos heterogéneos y homogéneos basados en ácidos sólidos y líquidos iónicos

Resumen

La presente tesis doctoral aborda el desarrollo de tecnologías catalíticas sostenibles para la producción selectiva de furfural a partir de xilosa derivada de biomasa lignocelulósica, proponiendo una alternativa verde frente a los sistemas ácidos homogéneos convencionales. La investigación se estructuró en dos vertientes principales: el diseño de catalizadores sólidos bifuncionales y la optimización de las variables operacionales en sistemas de reacción bifásicos. En la etapa de síntesis, se prepararon materiales carbonosos mediante carbonización hidrotermal y calcinación de celulosa, funcionalizados con óxidos de estaño (Sn) o molibdeno (Mo) y ácido p-toluenosulfónico (pTSA). Las caracterizaciones demostraron que el control de la acidez superficial (relación de sitios de Lewis y Brønsted) y la preservación del área microporosa resultan más determinantes para la selectividad química que la densidad ácida bruta. Posteriormente, se evaluó el impacto de la temperatura, el tiempo de residencia y la configuración del solvente en la deshidratación de la pentosa. El empleo de un sistema bifásico reactivo agua:MIBK probó ser mandatorio para el blindaje cinético del proceso. La equilibrada hidrofobicidad y polaridad del MIBK permitieron la extracción instantánea del furfural desde la fase acuosa ácida, desplazando el equilibrio termodinámico y minimizando su polimerización consecutiva hacia huminas. Asimismo, la adición estratégica de NaCl potenció la transferencia de masa interfacial mediante el efecto salting-out. Los resultados experimentales demostraron que los catalizadores modificados con Sn promueven la isomerización concertada de xilosa a xilulosa gracias a sus centros de Lewis cristalinos, alcanzando rendimientos óptimos de furfural superiores al 80% en relaciones volumétricas agua:MIBK de 1:3. Finalmente, a pesar de registrarse fenómenos parciales de lixiviación metálica bajo condiciones hidrotérmicas severas 170 ºC, los soportes funcionalizados mantuvieron una notable estabilidad y capacidad de reutilización durante ciclos consecutivos