Chen, R., Zhu, S., Chen, C., Cheng, B., Chen, J., and Wu, Y. (2014). “A lignocellulóz anyag savas hidrolízisének újraélesztése a biofinomításban”, BioRes. 9(2), 1824-1827.
Abstract
A lignocellulóz anyag (LM) savas hidrolízise az egyik legszélesebb körben vizsgált és legfontosabb alfolyamat a LM biofinomításban. A savas hidrolízis után az LM kémiai vagy biokémiai módszerekkel különböző bioüzemanyagokká, biokémiai anyagokká és bioanyagokká alakítható. A hagyományos savas LM-hidrolízis azonban nem tekinthető költséghatékony és környezetbarát eljárásnak, mivel olyan hátrányai vannak, mint a sav visszanyerésének nehézségei, a berendezések korróziója, valamint a sav semlegesítéséből és a LM-bomlástermékek eltávolításából származó vegyi hulladékok. Az ionos folyadékok és szilárd savak használata a LM-hidrolízis során potenciális technikai eszközöket biztosított e problémák leküzdésére, és új életet adott a LM savas hidrolízis folyamatának a biofinomítóban. Ez a szerkesztőségi cikk a LM savas hidrolízis folyamat szerepét tárgyalja a LM biofinomítóban, elemzi a hagyományos LM savas hidrolízis folyamatot, és röviden tárgyalja a LM savas folyamat új fejlesztéseit.
PDF letöltése
Teljes cikk
Lignocellulóz anyag savas hidrolízisének újraélesztése a biofinomításban
Rui Chen,a Shengdong Zhu,b,* Cunwu Chen,a Bo Cheng,b Jie Chen,b és Yuanxin Wu b
A lignocellulóz anyag savas hidrolízise az egyik legszélesebb körben vizsgált és fontos alfolyamat az LM biofinomítóban. A savas hidrolízis után az LM kémiai vagy biokémiai módszerekkel különböző bioüzemanyagokká, biokémiai anyagokká és bioanyagokká alakítható. A hagyományos savas LM-hidrolízis azonban nem tekinthető költséghatékony és környezetbarát eljárásnak, mivel olyan hátrányai vannak, mint a sav visszanyerésének nehézségei, a berendezések korróziója, valamint a sav semlegesítéséből és a LM-bomlástermékek eltávolításából származó vegyi hulladékok. Az ionos folyadékok és szilárd savak használata a LM-hidrolízis során potenciális technikai eszközöket biztosított e problémák leküzdésére, és új életet adott a LM savas hidrolízis folyamatának a biofinomítóban. Ez a szerkesztőségi cikk a LM savas hidrolízis folyamat szerepét tárgyalja a LM biofinomítóban, elemzi a hagyományos LM savas hidrolízis folyamatát, és röviden tárgyalja a LM savas folyamat új fejlesztéseit.
Kulcsszavak: Savas hidrolízis eljárás; Lignocellulóz anyag; Biofinomító
Elérhetőségek: a: College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, West Anhui University, Lu’an 237012, PR China; b: Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education, Hubei Key Laboratory of Novel Chemical Reactor and Green Chemical Technology, School of Chemical Engineering and Pharmacy, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, PR China;
* Corresponding author: [email protected]
A LM savas hidrolízis folyamatának szerepe a biofinomításban
Az egyre növekvő energiaigény és a környezetvédelmi aggályok, valamint a csökkenő fosszilis tüzelőanyag-készletek egyre több munkát indítottak el a kényelmes és hatékony biofinomítási platformtechnológia kifejlesztésére a lignocellulóz anyagok (LM) bioüzemanyagokká, értékes vegyi anyagokká és bioanyagokká történő átalakítására (Cheng és Zhu 2009). A LM cellulóz, hemicellulóz és lignin összetett keveréke, amely fizikai és kémiai kölcsönhatások révén szorosan kötődik egymáshoz. Az LM savas hidrolízise hatékonyan képes lebontani összetett szerkezetét, frakcionálni összetevőit, és cellulózt és hemicellulózt monocukrokká (hexózokká és pentózokká) alakítani, amelyek biokémiai és kémiai módszerekkel különböző bioüzemanyagokká és biokémiai anyagokká alakíthatók. Az LM savas hidrolízis folyamata belépési pont lehet egy LM biofinomítási rendszerbe (Rinaldi és Schuth 2009). Az LM savas hidrolízis után a kapott monocukrokat mint szénforrást számos termékké lehet fermentálni, beleértve az etanolt, a butanolt, a szerves savakat és az oldószereket (1. ábra). Kémiailag is átalakíthatók olyan fontos biofinomítási platformvegyületekké, mint a xilóz, a furfurol, az 5-hidroximetil-furfurol és a levulinsav, amelyek tovább alakíthatók bioüzemanyagok, értékes vegyi anyagok és bioanyagok sorozatává. A nyert lignin felhasználható cementadalékként, elégethető villamos energia tüzelőanyagként, vagy finom vegyi anyagokká, például természetes kötőanyagokká és ragasztókká alakítható.
1. ábra. Az LM savas hidrolízis eljáráson alapuló LM biofinomítási séma
A hagyományos LM savas hidrolízis eljárás elemzése
A LM savas hidrolízise etanol és vegyi anyagok előállítására közel 100 éves múltra tekint vissza (Taherdazeh és Karimi 2007). A hagyományos savas LM-hidrolízis kétféle eljárást foglal magában: a híg savas hidrolízis és a tömény savas hidrolízis. A híg savas hidrolízis gyakran magas hőmérsékleten és nyomáson működik. A Scholler-eljárás egy tipikus híg savas hidrolízis eljárás. Ebben az eljárásban 0,5%-os kénsavat használnak, és 170 oC-on, 20 bar nyomáson működik kb. 45 percig. A hidrolizátumban a monocukrok hozama csak kb. 50%, mivel nagy mennyiségű melléktermék keletkezik. Az eljárás javítása érdekében erőfeszítéseket tettek a hidrolizátumban lévő monocukrok hozamának és termelékenységének növelésére. Például kifejlesztették a kétlépcsős hidrolízis rendszert és a folyamatos hidrolízis műveletet. Az ilyen előrelépések ellenére a híg savas hidrolízis eljárásnak még mindig vannak hiányosságai, mint például a berendezés erős korróziója, a nehéz üzemi körülmények és a hidrolízisben lévő monocukrok alacsony hozama. A tömény savas hidrolízis általában szobahőmérsékleten, tömény ásványi savval működik. A Bergius-folyamat egy tipikus koncentrált hidrolízis eljárás. A koncentrált hidrolízis során a hidrolizátumban mindig nagy a monocukrok hozama. Fő problémája a berendezés erős korróziója és a nem megfelelő savvisszanyerés. Bár hoztak néhány intézkedést e problémák megoldására, például gáznemű HCl vagy vízmentes HF használatával a sav visszanyerésének megkönnyítésére, ezek a problémák még mindig fennállnak. Ezenkívül a hidrolízist semlegesíteni és méregteleníteni kell, mielőtt etanol előállítására lehetne használni, függetlenül attól, hogy híg savas hidrolízisből vagy tömény savas hidrolízisből származik. Ez növeli a folyamat költségeit és bizonyos környezeti problémákat okoz. Ezen elemzés alapján egyértelmű, hogy a hagyományos LM savas hidrolízis eljárásnak, akár a híg savas hidrolízis eljárás, akár a tömény savas hidrolízis eljárás, megvannak a maga hátrányai ahhoz, hogy költséghatékony és környezetbarát eljárássá váljon a LM biofinomítóban.
Új fejlesztések a LM savas hidrolízis eljárásban
A hagyományos LM hidrolízis eljárás hiányosságainak kiküszöbölésére néhány új technológiát fogadtak el. Ezek közül az ionos folyadékok és a szilárd savak használata a legígéretesebb (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012; Li et al. 2008; Wang et al. 2011). Az ionos folyadékok az újonnan vizsgált szerves sók egy csoportja, amelyek viszonylag alacsony hőmérsékleten (<100 oC) folyadékként léteznek. Nem kimutatható gőznyomásuk és nagy kémiai és termikus stabilitásuk miatt gyakran nevezik őket “zöld oldószereknek”. Egy sor vizsgálat kimutatta, hogy az LM vagy egyes összetevői oldhatók hidrofil imidazolium alapú ionos folyadékokban, mint például 1-butil-3-metillimidazolium-klorid, 1-allyl-3-metillimidazolium-klorid, 1-benzil-3-metillimidazolium-klorid és 1-etil-3-metillimidazolium-acetát (Zhu et al. 2006). Ha az LM teljesen feloldható ionos folyadékokban, akkor az LM savas hidrolízise ionos folyadékokban homogén reakció. A hagyományos híg savas hidrolízishez képest az LM savas hidrolízise ionos folyadékokban enyhe körülmények között végezhető el. A hagyományos koncentrált savas hidrolízishez képest az ionos folyadékokban történő savas hidrolízishez csak nyomokban van szükség savra. Ez nagymértékben csökkentheti a berendezések korrózióját és a folyamat költségeit. Ez egyúttal környezetbarátabb eljárás is. Ha az LM csak részben oldódik ionos folyadékokban, az LM savas hidrolízise ionos folyadékokban még mindig heterogén reakció. Az ionos folyadékokban oldott LM néhány összetevője azonban megváltoztatja a szerkezetét, ami viszonylag gyorsabb LM savas hidrolízishez vezet (Tadesse és Luque 2011). Ezért az ionos folyadékok használata valóban új lehetőségeket kínál a hagyományos LM-hidrolízis folyamatának javítására.
Az ionos folyadékok mellett a szilárd savak használata egy másik lehetőség a hagyományos LM savas hidrolízis folyamatának javítására. A hagyományos LM savas hidrolízis során használt ásványi savakkal összehasonlítva a szilárd savak könnyen kinyerhetők a hidrolízisből, és kevésbé korrodálják a berendezéseket; így csökkentik a folyamat költségeit és környezetbarátabbak. Az LM-hidrolízisfolyamatban általánosan használt szilárd savak öt típusba sorolhatók: H-formájú zeolitok, átmeneti fém-oxidok, kationcserélő gyanták, hordozós szilárd savak és heteropoli vegyületek. Közülük a szénalapú szilárd sav az egyik legígéretesebbnek tekinthető, mivel jó hozzáférést biztosít az LM számára a SO3H csoportok savas helyeihez, ami nagy aktivitást és szelektivitást tesz lehetővé. Az elmúlt években a kutatások kimutatták, hogy az új technológiák, mint például a mikrohullámú, az ultraszonáció és a nanotechnológia jelentősen javíthatják az aktivitást és a szelektivitást az LM szilárd savas hidrolízise során (Guo és mtsai. 2012; Jiang és mtsai. 2012). Bár az ionos folyadékok és a szilárd savak használata rendelkezik ezekkel az előnyökkel, még mindig nagy kihívások vannak ipari léptékű alkalmazásukkal kapcsolatban. Az ionos folyadékok technológiája esetében további kutatásokra van szükség az LM savas hidrolízisének ionos folyadékokban történő mechanizmusának megértéséhez, valamint annak megértéséhez, hogyan csökkenthető a szintézisük költsége, hogyan növelhető az ionos folyadékok hatékony elválasztása a hidrolízisben lévő monocukrokkal, és hogyan hasznosíthatók újra az ionos folyadékok. A szilárd savak technológiája esetében a további munkának a nagy aktivitású, stabil és szelektív szilárd savak tervezésére kell összpontosítania. A területen a közelmúltban elért eredmények alapján joggal várható, hogy a közeljövőben hatékony és gazdaságilag életképes ipari LM savas hidrolízisfolyamatot hoznak létre a biofinomításban.
HÁTTANULMÁNYOK
Ezt a munkát a National Natural Science Foundation of China No.21176196 támogatta, Lu’an City Orientation Commissioned the West Anhui University Project No.201310376001, és a West Anhui University Outstanding Young Talent Foundation WXYQ1306.
REFERENCES CITED
Cheng, S., and Zhu, S. (2009). “Lignocellulóz alapanyagú biofinomítás – a vegyipar és az energiaipar jövője”, BioResources 4(2), 456-457.
Guo, F., Fang, Z., Xu, C. C., Smith Jr, R. L. (2012). “A biomassza szilárd savakkal közvetített hidrolízise bioüzemanyagok előállítására”, 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). “A lignocellulóz biomassza hatékony szacharizálása hidrolízismaradékból származó szilárd savval mikrohullámú besugárzás alatt,” Green Chem. 14, 2162-2167.
Li, C., Wang Q., and Zhao Z. (2008). “Sav ionos folyadékban: A lignocellulóz hidrolízisének hatékony rendszere,” Green Chem. 10(2), 177-182.
Rinaldi, R., and Schuth, F. (2009). “A cellulóz savas hidrolízise mint belépési pont a biofinomítási rendszerekbe,” 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). “Sav alapú hidrolízis eljárások lignocellulóz anyagokból származó etanol előállítására: A review,” BioResources 2(3), 472-499.