Chen, R., Zhu, S., Chen, C., Cheng, B., Chen, J., and Wu, Y. (2014). “Ravvivare il processo di idrolisi acida di materiale lignocellulosico in bioraffineria”, BioRes. 9(2), 1824-1827.
Abstract
L’idrolisi acida del materiale lignocellulosico (LM) è uno dei sottoprocessi più studiati e importanti nella bioraffineria LM. Dopo l’idrolisi acida, il LM può essere convertito in vari biocarburanti, biochimici e biomateriali attraverso metodi chimici o biochimici. Tuttavia, l’idrolisi acida convenzionale del LM non è considerata un processo conveniente e rispettoso dell’ambiente perché ha degli svantaggi come le difficoltà nel recupero dell’acido, la corrosione delle attrezzature e i rifiuti chimici derivanti dalla neutralizzazione dell’acido e dalla rimozione dei prodotti di degradazione del LM. L’uso di liquidi ionici e acidi solidi durante l’idrolisi del LM ha fornito potenziali strumenti tecnici per superare questi problemi e ha dato nuova vita al processo di idrolisi acida del LM nella bioraffineria. Questo editoriale discuterà il ruolo del processo di idrolisi acida LM nella bioraffineria LM, fornirà un’analisi del processo convenzionale di idrolisi acida LM e discuterà brevemente i nuovi sviluppi del processo acido LM.
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Rivitalizzazione del processo di idrolisi acida di materiale lignocellulosico nella bioraffineria
Rui Chen,a Shengdong Zhu,b,* Cunwu Chen,a Bo Cheng,b Jie Chen,b e Yuanxin Wu b
L’idrolisi acida del materiale lignocellulosico (LM) è uno dei sottoprocessi più studiati e importanti nella bioraffineria LM. Dopo l’idrolisi acida, il LM può essere convertito in vari biocarburanti, biochimici e biomateriali attraverso metodi chimici o biochimici. Tuttavia, l’idrolisi acida convenzionale del LM non è considerata un processo conveniente e rispettoso dell’ambiente perché ha degli svantaggi come le difficoltà nel recupero dell’acido, la corrosione delle attrezzature e i rifiuti chimici derivanti dalla neutralizzazione dell’acido e dalla rimozione dei prodotti di degradazione del LM. L’uso di liquidi ionici e acidi solidi durante l’idrolisi del LM ha fornito potenziali strumenti tecnici per superare questi problemi e ha dato nuova vita al processo di idrolisi acida del LM nella bioraffineria. Questo editoriale discuterà il ruolo del processo di idrolisi acida LM nella bioraffineria LM, fornirà un’analisi del processo di idrolisi acida LM convenzionale e discuterà brevemente i nuovi sviluppi del processo acido LM.
Parole chiave: Processo di idrolisi acida; Materiale lignocellulosico; Bioraffineria
Informazioni di contatto: 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;
* Autore corrispondente: [email protected]
Ruolo del processo di idrolisi acida del LM nella bioraffineria
La crescente domanda di energia e le preoccupazioni ambientali, insieme alla diminuzione delle riserve di combustibili fossili, hanno spinto a lavorare sempre di più per sviluppare una tecnologia di piattaforma di bioraffineria conveniente ed efficiente per convertire il materiale lignocellulosico (LM) in biocarburanti, prodotti chimici di valore e biomateriali (Cheng e Zhu 2009). Il LM è una miscela complessa di cellulosa, emicellulosa e lignina che è strettamente legata da interazioni fisiche e chimiche. Il processo di idrolisi acida del LM può scomporre efficacemente la sua struttura complessa, frazionare i suoi componenti e convertire la cellulosa e l’emicellulosa in mono zuccheri (esosi e pentosi), che possono essere convertiti in vari biocarburanti e biochimici attraverso metodi biochimici e chimici. Il processo di idrolisi acida LM può essere un punto di ingresso in uno schema di bioraffineria LM (Rinaldi e Schuth 2009). Dopo l’idrolisi acida LM, i monosaccaridi ottenuti come fonte di carbonio possono essere fermentati in molti prodotti tra cui etanolo, butanolo, acidi organici e solventi (Fig. 1). Possono anche essere trasformati chimicamente in importanti composti della piattaforma di bioraffineria come xilosio, furfurale, 5-idrossimetil furfurale e acido levulinico, che possono essere ulteriormente convertiti in una serie di biocarburanti, prodotti chimici di valore e biomateriali. La lignina ottenuta può essere usata come additivo per il cemento, incenerita come combustibile per l’elettricità, o trasformata in prodotti chimici fini, per esempio, leganti naturali e adesivi.
Fig. 1. Figura 1. Schema di bioraffineria LM basato sul processo di idrolisi acida LM
Analisi del processo convenzionale di idrolisi acida LM
L’idrolisi acida del LM per la produzione di etanolo e prodotti chimici ha una storia di quasi 100 anni (Taherdazeh e Karimi 2007). L’idrolisi acida convenzionale di LM comprende due tipi di processi: il processo di idrolisi acida diluita e il processo di idrolisi acida concentrata. Il processo di idrolisi con acido diluito opera spesso ad alta temperatura e pressione. Il processo Scholler è un tipico processo di idrolisi con acido diluito. In questo processo, viene usato lo 0,5% di acido solforico, e funziona a 170 oC sotto 20 bar per circa 45 minuti. La resa di mono zuccheri nell’idrolizzato è solo circa il 50% perché si forma una grande quantità di sottoprodotti. Al fine di migliorare questo processo, sono stati fatti alcuni sforzi per aumentare la resa di mono zuccheri nell’idrolizzato e la sua produttività. Per esempio, sono stati sviluppati il sistema di idrolisi a due stadi e l’operazione di idrolisi continua. Nonostante questi progressi, il processo di idrolisi con acido diluito ha ancora dei difetti come la forte corrosione delle attrezzature, condizioni operative difficili, e bassi rendimenti di mono zuccheri nell’idrolizzato. Il processo di idrolisi con acido concentrato di solito opera a temperatura ambiente con acido minerale concentrato. Il processo Bergius è un tipico processo di idrolisi concentrata. Il processo di idrolisi concentrata ha sempre un’alta resa di monosaccaridi nell’idrolizzato. Il suo problema principale è la forte corrosione delle attrezzature e il recupero inadeguato dell’acido. Anche se sono state prese alcune misure per risolvere questi problemi, per esempio usando HCl gassoso o HF anidro per facilitare il recupero dell’acido, questi problemi esistono ancora. Inoltre, l’idrolizzato deve essere neutralizzato e detossificato prima di poter essere usato per produrre etanolo, sia che provenga dal processo di idrolisi con acido diluito o da quello con acido concentrato. Questo aumenterà il suo costo di processo e causerà alcuni problemi ambientali. Sulla base di questa analisi è chiaro che il processo di idrolisi acida LM convenzionale, sia il processo di idrolisi con acido diluito che il processo di idrolisi con acido concentrato, ha i suoi svantaggi per diventare un processo conveniente e rispettoso dell’ambiente nella bioraffineria LM.
Nuovi sviluppi nel processo di idrolisi acida LM
Per superare i difetti del processo di idrolisi LM convenzionale, sono state adottate alcune nuove tecnologie. Tra queste, l’uso di liquidi ionici e acidi solidi è il più promettente (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012; Li et al. 2008; Wang et al. 2011). I liquidi ionici sono un gruppo di sali organici recentemente studiati che esistono come liquidi a temperature relativamente basse (<100 oC). A causa della loro pressione di vapore non rilevabile e dell’alta stabilità chimica e termica, sono spesso chiamati “solventi verdi”. Una serie di studi ha dimostrato che il LM o alcuni dei suoi componenti possono essere dissolti in liquidi ionici idrofili a base di imidazolio come il cloruro di 1-butil-3-metilimidazolio, il cloruro di 1-allil-3-metilimidazolio, il cloruro di 1-benzil-3-metilimidazolio e l’acetato di 1-etil-3-metilimidazolio (Zhu et al. 2006). Quando LM può essere completamente dissolto in liquidi ionici, il processo di idrolisi acida LM in liquidi ionici è una reazione omogenea. Rispetto al processo convenzionale di idrolisi acida diluita, l’idrolisi acida di LM in liquidi ionici può essere effettuata in condizioni blande. Rispetto al convenzionale processo di idrolisi acida concentrata, l’idrolisi acida di LM in liquidi ionici ha bisogno solo di una quantità minima di acido. Questo può diminuire notevolmente la corrosione delle attrezzature e il costo del processo. È anche un processo più rispettoso dell’ambiente. Quando LM può essere solo parzialmente dissolto in liquidi ionici, il processo di idrolisi acida di LM in liquidi ionici è ancora una reazione eterogenea. Tuttavia, alcuni componenti di LM disciolti nei liquidi ionici cambiano la loro struttura, il che porta a un processo di idrolisi acida di LM relativamente più veloce (Tadesse e Luque 2011). Pertanto, l’uso di liquidi ionici fornisce effettivamente nuove opportunità per migliorare il processo di idrolisi LM convenzionale.
Oltre ai liquidi ionici, l’uso di acidi solidi è un’altra scelta per migliorare il processo di idrolisi acida LM convenzionale. Rispetto agli acidi minerali usati nel processo di idrolisi LM convenzionale, gli acidi solidi sono facilmente recuperati dall’idrolizzato e sono anche meno corrosivi per le attrezzature; quindi abbassano il costo del processo e sono più amichevoli per l’ambiente. Gli acidi solidi comunemente usati nel processo di idrolisi LM possono essere raggruppati in cinque tipi: Zeoliti in forma H, ossidi di metalli di transizione, resine a scambio cationico, acidi solidi supportati e composti eteropoliti. Tra questi, l’acido solido carbonaceo è considerato uno dei più promettenti perché fornisce un buon accesso di LM ai siti acidi dei gruppi SO3H, il che gli fa avere un’alta attività e selettività. Negli ultimi anni, gli studi di ricerca hanno dimostrato che le nuove tecnologie come le microonde, l’ultrasonicazione e le nanotecnologie possono migliorare notevolmente l’attività e la selettività durante l’idrolisi dell’acido solido di LM (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012). Sebbene l’uso dei liquidi ionici e degli acidi solidi presenti questi vantaggi, ci sono ancora grandi sfide riguardo al loro uso su scala industriale. Per la tecnologia dei liquidi ionici, sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere il meccanismo dell’idrolisi degli acidi LM nei liquidi ionici, e per capire come abbassare il loro costo di sintesi, per aumentare l’efficienza della separazione dei liquidi ionici con mono zuccheri nell’idrolizzato, e come riciclare i liquidi ionici. Per la tecnologia degli acidi solidi, più lavoro dovrebbe concentrarsi sulla progettazione di acidi solidi con alta attività, stabilità e selettività. Sulla base dei recenti progressi nel campo, è ragionevole aspettarsi che un processo di idrolisi industriale efficiente ed economico dell’acido LM nella bioraffineria sarà stabilito nel prossimo futuro.
Significativi
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China No.21176196, Lu’an City Orientation Commissioned the West Anhui University Project No.201310376001, and West Anhui University Outstanding Young Talent Foundation WXYQ1306.
REFERENCES CITED
Cheng, S., and Zhu, S. (2009). “Lignocellulosic feedstock bioraffineria – il futuro dell’industria chimica ed energetica,” BioResources 4 (2), 456-457.
Guo, F., Fang, Z., Xu, C. C., Smith Jr, R. L. (2012). “Idrolisi mediata dall’acido solido della biomassa per la produzione di biocarburanti”, 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). “Efficace saccarificazione di biomassa lignocellulosica su acido solido derivato da residui di idrolisi sotto irradiazione a microonde”, Green Chem. 14, 2162-2167.
Li, C., Wang Q., e Zhao Z. (2008). “Acido in liquido ionico: Un sistema efficiente per l’idrolisi della lignocellulosa”, Green Chem. 10(2), 177-182.
Rinaldi, R., e Schuth, F. (2009). “Idrolisi acida della cellulosa come punto di ingresso negli schemi di bioraffinazione”, 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). “Processi di idrolisi basati sull’acido per l’etanolo da materiali lignocellulosici: A review,” BioResources 2(3), 472-499.