Chen, R., Zhu, S., Chen, C., Cheng, B., Chen, J., and Wu, Y. (2014). “Reviving the acid hydrolyse process of lignocellulosic material in biorefinery,” BioRes. 9(2), 1824-1827.
Abstract
De zure hydrolyse van lignocellulosisch materiaal (LM) is een van de meest bestudeerde en belangrijke deelprocessen in de LM-bioraffinage. Na zure hydrolyse kan LM worden omgezet in verschillende biobrandstoffen, biochemicaliën en biomaterialen via chemische of biochemische methoden. Conventionele zure hydrolyse van LM wordt echter niet als een kosteneffectief en milieuvriendelijk proces beschouwd, omdat het nadelen heeft zoals moeilijkheden bij de terugwinning van zuur, corrosie van de apparatuur en chemisch afval door de neutralisatie van het zuur en de verwijdering van LM-afbraakproducten. Het gebruik van ionische vloeistoffen en vaste zuren tijdens de LM-hydrolyse heeft potentiële technische hulpmiddelen opgeleverd om deze problemen op te lossen en heeft het LM-zure hydrolyseproces in de bioraffinaderij nieuw leven ingeblazen. Dit hoofdartikel bespreekt de rol van het LM zuur hydrolyse proces in de LM bioraffinaderij, geeft een analyse van het conventionele LM zuur hydrolyse proces, en bespreekt kort de nieuwe ontwikkelingen in het LM zuur proces.
Download PDF
Volledig artikel
Herleving van het zure hydrolyseproces van Lignocellulosehoudend materiaal in de bioraffinage
Rui Chen,a Shengdong Zhu,b,* Cunwu Chen,a Bo Cheng,b Jie Chen,b and Yuanxin Wu b
De zure hydrolyse van lignocellulosehoudend materiaal (LM) is één van de meest bestudeerde en belangrijke subprocessen in de LM bioraffinaderij. Na zure hydrolyse kan LM worden omgezet in verschillende biobrandstoffen, biochemicaliën en biomaterialen via chemische of biochemische methoden. Conventionele zure hydrolyse van LM wordt echter niet als een kosteneffectief en milieuvriendelijk proces beschouwd, omdat het nadelen heeft zoals moeilijkheden bij de terugwinning van zuur, corrosie van de apparatuur en chemisch afval door de neutralisatie van het zuur en de verwijdering van LM-afbraakproducten. Het gebruik van ionische vloeistoffen en vaste zuren tijdens de LM-hydrolyse heeft potentiële technische hulpmiddelen opgeleverd om deze problemen op te lossen en heeft het LM-zure hydrolyseproces in de bioraffinaderij nieuw leven ingeblazen. Dit redactioneel zal de rol van het LM zuur hydrolyse proces in de LM bioraffinaderij bespreken, een analyse geven van het conventionele LM zuur hydrolyse proces, en kort ingaan op nieuwe ontwikkelingen in het LM zuur proces.
Keywords: Zure hydrolyse proces; Lignocellulose materiaal; Bioraffinage
Contactinformatie: 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;
* Corresponderende auteur: [email protected]
Rol van het LM Zure Hydrolyse Proces in Bioraffinage
De steeds toenemende vraag naar energie en de bezorgdheid om het milieu, samen met de afnemende reserves aan fossiele brandstoffen, hebben geleid tot een toenemende hoeveelheid werk in de richting van de ontwikkeling van handige en efficiënte bioraffinage platformtechnologie om lignocellulose materiaal (LM) om te zetten in biobrandstoffen, waardevolle chemicaliën, en biomaterialen (Cheng en Zhu 2009). LM is een complex mengsel van cellulose, hemicellulose en lignine dat nauw verbonden is door fysische en chemische interacties. Het zure hydrolyseproces van LM kan de complexe structuur effectief afbreken, de componenten fractioneren en de cellulose en hemicellulose omzetten in monosuikers (hexoses en pentoses), die via biochemische en chemische methoden kunnen worden omgezet in verschillende biobrandstoffen en biochemicaliën. Het zuur-hydrolyseproces van LM kan een ingangspunt zijn in een LM-bioraffinageproces (Rinaldi en Schuth 2009). Na de zuurhydrolyse van LM kunnen de verkregen monosuikers als koolstofbron worden vergist tot tal van producten, waaronder ethanol, butanol, organische zuren en oplosmiddelen (Fig. 1). Ze kunnen ook chemisch worden omgezet in belangrijke bioraffinage-platformverbindingen zoals xylose, furfural, 5-hydroxymethylfurfural, en levulinezuur, die verder kunnen worden omgezet in een reeks biobrandstoffen, waardevolle chemicaliën, en biomaterialen. De verkregen lignine kan worden gebruikt als additief voor cement, worden verbrand als brandstof voor elektriciteit, of worden omgezet in fijnchemicaliën, bijvoorbeeld natuurlijke bindmiddelen en kleefstoffen.
Fig. 1. LM-bioraffinageschema op basis van het LM-zuurhydrolyseproces
Analyse van het conventionele LM-zuurhydrolyseproces
De zure hydrolyse van LM voor de productie van ethanol en chemicaliën heeft een bijna 100-jarige geschiedenis (Taherdazeh en Karimi 2007). De conventionele zure hydrolyse van LM omvat twee soorten processen: het verdunde zure hydrolyseproces en het geconcentreerde zure hydrolyseproces. Het verdunde zure hydrolyseproces werkt vaak bij hoge temperatuur en druk. Het Schollerproces is een typisch verdund zuur hydrolyseproces. In dit proces wordt 0,5% zwavelzuur gebruikt, en het werkt bij 170 oC onder 20 bar gedurende ongeveer 45 minuten. De opbrengst aan monosuikers in het hydrolysaat is slechts ongeveer 50% omdat er een grote hoeveelheid bijproducten wordt gevormd. Om dit proces te verbeteren zijn pogingen ondernomen om het rendement van monosuikers in het hydrolysaat en de productiviteit ervan te verhogen. Zo zijn bijvoorbeeld het tweefasige hydrolyse-systeem en de continue hydrolyse ontwikkeld. Ondanks deze vooruitgang heeft het verdunde zure hydrolyseproces nog steeds tekortkomingen, zoals sterke corrosie van de apparatuur, moeilijke bedrijfsomstandigheden en een laag rendement aan monosuikers in het hydrolysaat. Het geconcentreerde zure hydrolyseproces werkt gewoonlijk bij kamertemperatuur met geconcentreerd mineraalzuur. Het Bergius-procédé is een typisch geconcentreerd hydrolyseprocédé. Het geconcentreerde hydrolyseproces levert altijd een hoge opbrengst aan monosuikers in het hydrolysaat op. Het voornaamste probleem is de sterke corrosie van de apparatuur en de ontoereikende terugwinning van zuur. Hoewel er maatregelen zijn genomen om deze problemen op te lossen, bijvoorbeeld door het gebruik van gasvormig HCl of watervrij HF om de zuurterugwinning te vergemakkelijken, bestaan deze problemen nog steeds. Bovendien moet het hydrolysaat worden geneutraliseerd en ontgift voordat het kan worden gebruikt voor de productie van ethanol, of het nu afkomstig is van het hydrolyseproces met verdund zuur of van het hydrolyseproces met geconcentreerd zuur. Dit verhoogt de proceskosten en veroorzaakt een aantal milieuproblemen. Op basis van deze analyse is het duidelijk dat het conventionele LM zure hydrolyse proces, of het nu het verdunde zuur hydrolyse proces of het geconcentreerde zuur hydrolyse proces is, zijn eigen nadelen heeft om een kosteneffectief en milieuvriendelijk proces in LM bioraffinage te worden.
Nieuwe ontwikkelingen in het LM Zure Hydrolyse Proces
Om de tekortkomingen in de conventionele LM hydrolyse verwerking te overwinnen, zijn enkele nieuwe technologieën aangenomen. Onder hen is het gebruik van ionische vloeistoffen en vaste zuren het meest veelbelovend (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012; Li et al. 2008; Wang et al. 2011). Ionische vloeistoffen zijn een groep van recent onderzochte organische zouten die bij relatief lage temperaturen (<100 oC) als vloeistof bestaan. Vanwege hun niet-detecteerbare dampspanning en hoge chemische en thermische stabiliteit worden ze vaak “groene oplosmiddelen” genoemd. Uit een reeks studies is gebleken dat LM of sommige van zijn bestanddelen kunnen worden opgelost in hydrofiele ionische vloeistoffen op basis van imidazolium, zoals 1-butyl-3-methylimidazoliumchloride, 1-allyl-3-methylimidazoliumchloride, 1-benzyl-3-methylimidazoliumchloride en 1-ethyl-3-methylimidazoliumacetaat (Zhu et al. 2006). Wanneer LM volledig in ionische vloeistoffen kan worden opgelost, is het LM-hydrolyseproces met zuur in ionische vloeistoffen een homogene reactie. Vergeleken met het conventionele verdunde zure hydrolyseproces kan de zure hydrolyse van LM in ionische vloeistoffen onder milde omstandigheden worden uitgevoerd. Vergeleken met het conventionele geconcentreerde zure hydrolyseproces is voor de zure hydrolyse van LM in ionische vloeistoffen slechts een kleine hoeveelheid zuur nodig. Dit kan de corrosie van de apparatuur en de proceskosten sterk verminderen. Het is ook een milieuvriendelijker proces. Wanneer LM slechts gedeeltelijk in ionische vloeistoffen kan worden opgelost, is het zure hydrolyseproces van LM in ionische vloeistoffen nog steeds een heterogene reactie. Sommige bestanddelen van LM opgelost in ionische vloeistoffen veranderen echter van structuur, wat leidt tot een relatief sneller LM-hydrolyseproces in zuur (Tadesse en Luque 2011). Daarom biedt het gebruik van ionische vloeistoffen inderdaad nieuwe mogelijkheden om het conventionele LM-hydrolyseproces te verbeteren.
Naast ionische vloeistoffen is het gebruik van vaste zuren een andere keuze om het conventionele LM-zuurhydrolyseproces te verbeteren. Vergeleken met minerale zuren die in het conventionele LM-hydrolyseproces worden gebruikt, kunnen de vaste zuren gemakkelijk uit het hydrolysaat worden teruggewonnen en zijn zij ook minder corrosief voor de apparatuur; zij verlagen dus de proceskosten en zijn vriendelijker voor het milieu. De vaste zuren die gewoonlijk in het LM-hydrolyseproces worden gebruikt, kunnen in vijf types worden ingedeeld: H-vormige zeolieten, overgangsmetaaloxiden, kationenuitwisselende harsen, ondersteunde vaste zuren, en heteropolige verbindingen. Onder hen wordt het koolstofhoudend vast zuur beschouwd als één van de meest veelbelovende omdat het LM een goede toegang verschaft tot de zure sites van SO3H-groepen, waardoor het een hoge activiteit en selectiviteit heeft. In de afgelopen jaren hebben onderzoekstudies aangetoond dat nieuwe technologieën zoals microgolven, ultra-sonatie en nanotechnologie de activiteit en selectiviteit tijdens de hydrolyse van LM met vast zuur sterk kunnen verbeteren (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012). Hoewel het gebruik van ionische vloeistoffen en vaste zuren deze voordelen biedt, zijn er nog grote uitdagingen met betrekking tot hun gebruik op industriële schaal. Voor ionische vloeistoftechnologie is meer onderzoek nodig om het mechanisme van de hydrolyse van LM-zuren in ionische vloeistoffen te begrijpen, en om te begrijpen hoe de synthesekosten ervan kunnen worden verlaagd, hoe de efficiënte scheiding van ionische vloeistoffen met monosuikers in het hydrolysaat kan worden vergroot, en hoe de ionische vloeistoffen kunnen worden gerecycleerd. Voor de technologie van vaste zuren moet meer worden gedaan aan het ontwerpen van vaste zuren met een hoge activiteit, stabiliteit en selectiviteit. Gebaseerd op recente vooruitgang in het veld, is het redelijk om te verwachten dat een efficiënt en economisch levensvatbaar industrieel LM zuur hydrolyse proces in bioraffinaderij in de nabije toekomst zal worden vastgesteld.
ACKNOWLEDGMENTS
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation van China No.21176196, Lu’an City Orientation Commissioned the West Anhui University Project No.201310376001, en West Anhui University Outstanding Young Talent Foundation WXYQ1306.
REFERENCES CITED
Cheng, S., and Zhu, S. (2009). “Lignocellulosic feedstock biorefinery – the future of the chemical and energy industry,” 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). “Effectieve saccharificatie van lignocellulosehoudende biomassa over van hydrolyseresidu afgeleid vast zuur onder microgolfbestraling,” Green Chem. 14, 2162-2167.
Li, C., Wang Q., and Zhao Z. (2008). “Zuur in ionische vloeistof: Een efficiënt systeem voor hydrolyse van lignocellulose,” Green Chem. 10(2), 177-182.
Rinaldi, R., and Schuth, F. (2009). “Acid hydrolyse 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 hydrolyse processes for ethanol from lignocellulosic materials: A review,” BioResources 2(3), 472-499.