Chen, R., Zhu, S., Chen, C., Cheng, B., Chen, J., and Wu, Y. (2014). „Oživení procesu kyselé hydrolýzy lignocelulózového materiálu v biorafinérii,“ BioRes. 9(2), 1824-1827.
Abstract
Kyselá hydrolýza lignocelulózového materiálu (LM) je jedním z nejvíce studovaných a důležitých dílčích procesů v biorafinérii LM. Po kyselé hydrolýze lze LM chemickými nebo biochemickými metodami přeměnit na různá biopaliva, biochemikálie a biomateriály. Konvenční kyselá hydrolýza LM však není považována za nákladově efektivní a ekologicky šetrný proces, protože má nevýhody, jako jsou potíže s obnovou kyseliny, koroze zařízení a chemické odpady z neutralizace kyseliny a odstraňování produktů rozkladu LM. Použití iontových kapalin a pevných kyselin při hydrolýze LM poskytlo potenciální technické nástroje k překonání těchto problémů a vdechlo nový život procesu kyselé hydrolýzy LM v biorafinériích. Tento úvodník se bude zabývat úlohou procesu kyselé hydrolýzy LM v biorafinérii LM, poskytne analýzu konvenčního procesu kyselé hydrolýzy LM a stručně pojedná o novém vývoji procesu kyselé hydrolýzy LM.
Stáhnout PDF
Celý článek
Obnovení procesu kyselé hydrolýzy lignocelulózového materiálu v biorafinérii
Rui Chen,a Shengdong Zhu,b,* Cunwu Chen,a Bo Cheng,b Jie Chen,b a Yuanxin Wu b
Kyselá hydrolýza lignocelulózového materiálu (LM) je jedním z nejvíce studovaných a důležitých dílčích procesů v biorafinérii LM. Po kyselé hydrolýze lze LM chemickými nebo biochemickými metodami přeměnit na různá biopaliva, biochemikálie a biomateriály. Konvenční kyselá hydrolýza LM však není považována za nákladově efektivní a ekologicky šetrný proces, protože má nevýhody, jako jsou potíže s obnovou kyseliny, koroze zařízení a chemické odpady z neutralizace kyseliny a odstraňování produktů rozkladu LM. Použití iontových kapalin a pevných kyselin při hydrolýze LM poskytlo potenciální technické nástroje k překonání těchto problémů a vdechlo nový život procesu kyselé hydrolýzy LM v biorafinériích. Tento úvodník pojednává o úloze procesu kyselé hydrolýzy LM v biorafinérii LM, poskytuje analýzu konvenčního procesu kyselé hydrolýzy LM a stručně pojednává o novém vývoji procesu kyselé hydrolýzy LM.
Klíčová slova:
Kontaktní informace: a: Klíčová laboratoř Ministerstva školství pro zelené chemické procesy, Klíčová laboratoř Hubei pro nové chemické reaktory a zelenou chemickou technologii, Škola chemického inženýrství a farmacie, Wuhanský technologický institut, Wuhan 430073, ČLR;
* Korespondující autor: [email protected]
Role of the LM Acid Hydrolysis Process in Biorefinery
Stále rostoucí energetické nároky a obavy o životní prostředí spolu s ubývajícími zásobami fosilních paliv podnítily stále větší množství prací na vývoji vhodné a účinné technologie biorafinační platformy pro přeměnu lignocelulózového materiálu (LM) na biopaliva, cenné chemikálie a biomateriály (Cheng a Zhu 2009). LM je komplexní směs celulózy, hemicelulózy a ligninu, která je pevně spojena fyzikálními a chemickými interakcemi. Proces kyselé hydrolýzy LM může účinně rozložit jeho složitou strukturu, frakcionovat jeho složky a přeměnit jeho celulózu a hemicelulózu na monocukry (hexózy a pentózy), které lze biochemickými a chemickými metodami přeměnit na různá biopaliva a biochemické látky. Proces kyselé hydrolýzy LM může být vstupním bodem do systému biorafinace LM (Rinaldi a Schuth 2009). Po kyselé hydrolýze LM lze získané monocukry jako zdroj uhlíku fermentovat na mnoho produktů včetně ethanolu, butanolu, organických kyselin a rozpouštědel (obr. 1). Lze je také chemicky transformovat na důležité sloučeniny biorafinérské platformy, jako je xylóza, furfural, 5-hydroxymethyl furfural a kyselina levulinová, které lze dále přeměnit na řadu biopaliv, cenných chemických látek a biomateriálů. Získaný lignin lze použít jako přísadu do cementu, spalovat jako palivo pro výrobu elektřiny nebo přeměnit na jemné chemikálie, například přírodní pojiva a lepidla.
Obr. 1. Schéma biorafinace LM založené na procesu kyselé hydrolýzy LM
Analýza konvenčního procesu kyselé hydrolýzy LM
Kyselá hydrolýza LM pro výrobu etanolu a chemikálií má téměř stoletou historii (Taherdazeh a Karimi 2007). Konvenční kyselá hydrolýza LM zahrnuje dva druhy procesů: proces zředěné kyselé hydrolýzy a proces koncentrované kyselé hydrolýzy. Proces zředěné kyselé hydrolýzy často probíhá při vysoké teplotě a tlaku. Typickým procesem zředěné kyselé hydrolýzy je Schollerův proces. Při tomto procesu se používá 0,5% kyselina sírová a pracuje se při 170 oC pod tlakem 20 barů po dobu přibližně 45 minut. Výtěžek monocukrů v hydrolyzátu je pouze asi 50 %, protože vzniká velké množství vedlejších produktů. Za účelem zlepšení tohoto procesu bylo vynaloženo určité úsilí na zvýšení výtěžku monocukrů v hydrolyzátu a jeho produktivity. Byl například vyvinut dvoustupňový systém hydrolýzy a kontinuální hydrolýza. Navzdory tomuto pokroku má proces hydrolýzy zředěnou kyselinou stále nedostatky, jako je silná koroze zařízení, náročné provozní podmínky a nízké výtěžky monocukrů v hydrolyzátu. Proces hydrolýzy koncentrovanou kyselinou obvykle probíhá při pokojové teplotě s koncentrovanou minerální kyselinou. Bergiův proces je typickým procesem koncentrované hydrolýzy. Proces koncentrované hydrolýzy má vždy vysoký výtěžek monocukrů v hydrolyzátu. Jeho hlavním problémem je silná koroze zařízení a nedostatečná výtěžnost kyseliny. Ačkoli byla přijata některá opatření k vyřešení těchto problémů, například použitím plynné HCl nebo bezvodého HF k usnadnění zpětného získávání kyseliny, tyto problémy stále přetrvávají. Kromě toho je třeba hydrolyzát před použitím k výrobě ethanolu neutralizovat a detoxikovat, ať už jde o hydrolyzu zředěnou kyselinou nebo o hydrolyzu koncentrovanou kyselinou. To zvýší náklady na jeho zpracování a způsobí některé ekologické problémy. Na základě této analýzy je zřejmé, že konvenční proces kyselé hydrolýzy LM, ať už se jedná o proces zředěné kyselé hydrolýzy nebo proces koncentrované kyselé hydrolýzy, má své nevýhody, aby se stal nákladově efektivním a ekologickým procesem v biorafinérii LM.
Nový vývoj v procesu kyselé hydrolýzy LM
Pro překonání nedostatků konvenčního zpracování LM hydrolýzou byly přijaty některé nové technologie. Mezi nimi je nejslibnější použití iontových kapalin a pevných kyselin (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012; Li et al. 2008; Wang et al. 2011). Iontové kapaliny jsou skupinou nově zkoumaných organických solí, které existují jako kapaliny při relativně nízkých teplotách (<100 oC). Vzhledem k jejich nedetekovatelnému tlaku par a vysoké chemické a tepelné stabilitě se často nazývají „zelená rozpouštědla“. Řada studií ukázala, že LM nebo některé jeho složky lze rozpustit v hydrofilních iontových kapalinách na bázi imidazolu, jako je 1-butyl-3-methylimidazolium chlorid, 1-allyl-3-methylimidazolium chlorid, 1-benzyl-3-methylimidazolium chlorid a 1-ethyl-3-methylimidazolium acetát (Zhu et al. 2006). Pokud lze LM zcela rozpustit v iontových kapalinách, je proces kyselé hydrolýzy LM v iontových kapalinách homogenní reakcí. Ve srovnání s běžným procesem hydrolýzy zředěnou kyselinou lze kyselou hydrolýzu LM v iontových kapalinách provádět za mírných podmínek. Ve srovnání s konvenčním procesem koncentrované kyselé hydrolýzy potřebuje kyselá hydrolýza LM v iontových kapalinách pouze stopové množství kyseliny. To může výrazně snížit korozi zařízení a náklady na proces. Je to také proces šetrnější k životnímu prostředí. Pokud lze LM v iontových kapalinách rozpustit pouze částečně, je proces kyselé hydrolýzy LM v iontových kapalinách stále heterogenní reakcí. Některé složky LM rozpuštěné v iontových kapalinách však mění svou strukturu, což vede k relativně rychlejšímu procesu kyselé hydrolýzy LM (Tadesse a Luque 2011). Proto použití iontových kapalin skutečně poskytuje nové možnosti, jak zlepšit konvenční proces hydrolýzy LM.
Kromě iontových kapalin je další možností, jak zlepšit konvenční proces kyselé hydrolýzy LM, použití pevných kyselin. Ve srovnání s minerálními kyselinami používanými v konvenčním procesu kyselé hydrolýzy LM se pevné kyseliny snadno získávají z hydrolyzátu a jsou také méně korozivní pro zařízení; snižují tedy náklady na proces a jsou šetrnější k životnímu prostředí. Běžně používané tuhé kyseliny v procesu hydrolýzy LM lze rozdělit do pěti typů: H-formu zeolitů, oxidy přechodných kovů, kationtově výměnné pryskyřice, podporované pevné kyseliny a heteropolymerní sloučeniny. Z nich je tuhá kyselina na bázi uhlíku považována za jednu z nejslibnějších, protože zajišťuje dobrý přístup LM ke kyselým místům skupin SO3H, díky čemuž má vysokou aktivitu a selektivitu. V posledních letech výzkumné studie ukázaly, že nové technologie, jako jsou mikrovlnné trouby, ultrazvuk a nanotechnologie, mohou výrazně zlepšit aktivitu a selektivitu při hydrolýze LM pevnou kyselinou (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012). Přestože použití iontových kapalin a pevných kyselin představuje tyto výhody, stále existují velké problémy týkající se jejich použití v průmyslovém měřítku. Pro technologii iontových kapalin je zapotřebí dalšího výzkumu, aby bylo možné pochopit mechanismus kyselé hydrolýzy LM v iontových kapalinách a porozumět tomu, jak snížit náklady na jejich syntézu, zvýšit účinnost separace iontových kapalin s monocukry v hydrolyzátu a jak iontové kapaliny recyklovat. V případě technologie pevných kyselin by se mělo více pracovat na návrhu pevných kyselin s vysokou aktivitou, stabilitou a selektivitou. Na základě nedávného pokroku v této oblasti lze očekávat, že v blízké budoucnosti bude vytvořen účinný a ekonomicky životaschopný průmyslový proces hydrolýzy LM kyselinou v biorafinérii.
PODĚKOVÁNÍ
Tato práce byla podpořena National Natural Science Foundation of China č. 21176196, Lu’an City Orientation Commissioned the West Anhui University Project No.201310376001 a West Anhui University Outstanding Young Talent Foundation WXYQ1306.
REFERENCES CITED
Cheng, S., and Zhu, S. (2009). „Biorafinace lignocelulózových surovin – budoucnost chemického a energetického průmyslu,“ BioResources 4(2), 456-457.
Guo, F., Fang, Z., Xu, C. C., Smith Jr, R. L. (2012). „Solid acid mediated hydrolysis of biomass for producing biofuels,“ Prog. Energy Combust. Sci. 38(5), 672-690.
Jiang, Y., Li, X., Wang, X., Meng, L., Wang, H., Peng, G., Wang, X., and Mu, X. (2012). „Effective saccharification of lignocellulosic biomass over hydrolysis residue derived solid acid under microwave irradiation“, Green Chem. 14, 2162-2167.
Li, C., Wang Q., and Zhao Z. (2008). „Kyselina v iontové kapalině: An efficient system for hydrolysis of lignocellulose,“ Green Chem. 10(2), 177-182.
Rinaldi, R., and Schuth, F. (2009). „Acid hydrolysis of cellulose as entry point into biorefinery schemes,“ ChemSusChem. 2, 1096-1107.
Tadesse, H., and Luque, R. (2011). „Advances on biomass pretreatment using ionic liquid: an overview,“ Energy Environ. Sci. 4, 3913-3929.
Taherdazeh, M. J., and Karimi, K. (2007). „Acid-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: A review,“ BioResources 2(3), 472-499.
.