Chen, R., Zhu, S., Chen, C., Cheng, B., Chen, J., e Wu, Y. (2014). “Revivendo o processo de hidrólise ácida de material lignocelulósico em biorefinaria”, BioRes. 9(2), 1824-1827.
Abstract
A hidrólise ácida do material lignocelulósico (LM) é um dos subprocessos mais amplamente estudados e importantes na biorefinaria LM. Após a hidrólise ácida, LM pode ser convertido em vários biocombustíveis, bioquímicos e biomateriais através de métodos químicos ou bioquímicos. Entretanto, a hidrólise convencional de ácido LM não é considerada um processo econômico e ecologicamente correto, pois tem inconvenientes como dificuldades na recuperação de ácidos, corrosão de equipamentos e resíduos químicos da neutralização de ácidos e da remoção de produtos de degradação LM. O uso de líquidos iônicos e ácidos sólidos durante a hidrólise de LM forneceu ferramentas técnicas potenciais para superar esses problemas e deu nova vida ao processo de hidrólise de ácidos LM na biorefinaria. Este editorial irá discutir o papel do processo de hidrólise de ácidos LM na biorefinaria de LM, fornecer uma análise do processo convencional de hidrólise de ácidos LM e discutir brevemente novos desenvolvimentos no processo de hidrólise de ácidos LM.
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Culto Artigo
Reavivando o Processo de Hidrólise Ácida de Material Lignocelulósico na Biorefinaria
Rui Chen,a Shengdong Zhu,b,* Cunwu Chen,a Bo Cheng,b Jie Chen,b e Yuanxin Wu b
A hidrólise ácida do material lignocelulósico (LM) é um dos subprocessos mais estudados e importantes na biorefinaria LM. Após a hidrólise ácida, o LM pode ser convertido em vários biocombustíveis, bioquímicos e biomateriais através de métodos químicos ou bioquímicos. Entretanto, a hidrólise convencional de ácido LM não é considerada um processo econômico e ecologicamente correto, pois tem inconvenientes como dificuldades na recuperação de ácidos, corrosão de equipamentos e resíduos químicos da neutralização de ácidos e da remoção de produtos de degradação LM. O uso de líquidos iônicos e ácidos sólidos durante a hidrólise de LM forneceu ferramentas técnicas potenciais para superar esses problemas e deu nova vida ao processo de hidrólise de ácidos LM na biorefinaria. Este editorial irá discutir o papel do processo de hidrólise de ácido LM na biorefinaria de LM, fornecer uma análise do processo convencional de hidrólise de ácido LM, e discutir brevemente novos desenvolvimentos no processo de ácido LM.
Keywords: Processo de hidrólise ácida; Material lignocelulósico; Biorefinaria
Informação para contato: a: Faculdade de Biotecnologia e Engenharia Farmacêutica, Universidade West Anhui, 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;
* Autor correspondente: [email protected]
Passo do Processo de Hidrólise de Ácido LM em Biorefinaria
A crescente demanda de energia e preocupações ambientais, juntamente com a diminuição das reservas de combustíveis fósseis, tem motivado quantidades crescentes de trabalho no sentido de desenvolver uma tecnologia de plataforma de biorefinaria conveniente e eficiente para converter material lignocelulósico (LM) em biocombustíveis, produtos químicos valiosos e biomateriais (Cheng e Zhu 2009). O LM é uma mistura complexa de celulose, hemicelulose e lignina que está intimamente ligada por interações físicas e químicas. O processo de hidrólise de ácido LM pode efetivamente quebrar sua estrutura complexa, fracionar seus componentes e converter sua celulose e hemicelulose em mono-sugares (hexoses e pentoses), que podem ser convertidos em vários biocombustíveis e bioquímicos através de métodos bioquímicos e químicos. O processo de hidrólise de ácidos LM pode ser um ponto de entrada em um esquema de biorefinaria LM (Rinaldi e Schuth 2009). Após a hidrólise de ácidos LM, os mono-sugares obtidos como fonte de carbono podem ser fermentados para muitos produtos, incluindo etanol, butanol, ácidos orgânicos e solventes (Fig. 1). Eles também podem ser quimicamente transformados em importantes compostos de plataforma biorefinaria, como xilose, furfural, 5-hidroximetil furfural e ácido levulínico, que podem ser posteriormente convertidos em uma série de biocombustíveis, produtos químicos valiosos e biomateriais. A lignina obtida pode ser usada como aditivos de cimento, incinerada como combustível para eletricidade, ou transformada em química fina, por exemplo, ligantes e adesivos naturais.
Fig. 1. Esquema de biorefinaria de LM baseado no processo de hidrólise do ácido LM
Análise do processo convencional de hidrólise do ácido LM
A hidrólise do ácido LM para a produção de etanol e produtos químicos tem uma história de quase 100 anos (Taherdazeh e Karimi 2007). A hidrólise convencional do ácido LM inclui dois tipos de processos: o processo de hidrólise ácida diluída e o processo de hidrólise ácida concentrada. O processo de hidrólise ácida diluída opera frequentemente a alta temperatura e pressão. O processo Scholler é um processo típico de hidrólise ácida diluída. Neste processo, é usado ácido sulfúrico a 0,5%, e opera a 170 oC abaixo de 20 bar durante aproximadamente 45 minutos. O rendimento dos mono-sugares no hidrolisado é de apenas cerca de 50%, porque se forma uma grande quantidade de subprodutos. A fim de melhorar este processo, foram feitos alguns esforços para aumentar o rendimento dos mono-sugares no hidrolisado e a sua produtividade. Por exemplo, o sistema de hidrólise em duas etapas e a operação de hidrólise contínua foram desenvolvidos. Apesar deste progresso, o processo de hidrólise ácida diluída ainda apresenta deficiências, tais como forte corrosão do equipamento, condições de operação adversas e baixos rendimentos de mono-sugares no hidrolisado. O processo de hidrólise ácida concentrada geralmente opera à temperatura ambiente com ácido mineral concentrado. O processo de Bergius é um processo típico de hidrólise concentrada. O processo de hidrólise concentrada sempre tem alto rendimento de mono-sugares no hidrolisado. Seu principal problema é a forte corrosão do equipamento e a recuperação inadequada do ácido. Embora algumas medidas tenham sido tomadas para resolver estes problemas, por exemplo, através do uso de HCl gasoso ou HF anidro para facilitar a recuperação ácida, estes problemas ainda existem. Além disso, o hidrolisado precisa ser neutralizado e desintoxicado antes de poder ser usado para produzir etanol, seja do processo de hidrólise ácida diluída ou do processo de hidrólise ácida concentrada. Isto irá aumentar o seu custo de processo e causar alguns problemas ambientais. Com base nesta análise é claro que o processo convencional de hidrólise de ácido LM, seja o processo de hidrólise ácida diluída ou o processo de hidrólise ácida concentrada, tem seus próprios inconvenientes para se tornar um processo econômico e ambientalmente correto na biorefinaria LM.
Novos desenvolvimentos no processo de hidrólise de ácido LM
Para superar as deficiências no processo de hidrólise de ácido LM convencional, algumas novas tecnologias foram adotadas. Entre elas, a utilização de líquidos iônicos e ácidos sólidos é a mais promissora (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012; Li et al. 2008; Wang et al. 2011). Os líquidos iônicos são um grupo de sais orgânicos recentemente investigados que existem como líquidos a temperaturas relativamente baixas (<100 oC). Devido à sua pressão de vapor não detectável e alta estabilidade química e térmica, eles são frequentemente chamados de “solventes verdes”. Uma série de estudos tem mostrado que LM ou alguns de seus componentes podem ser dissolvidos em líquidos iônicos baseados em imidazólio hidrofílico, como o cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio, cloreto de 1-alil-3-metilimidazólio, cloreto de 1-benzil-3-metilimidazólio, e acetato de 1-etil-3-metilimidazólio (Zhu et al. 2006). Quando a LM pode ser completamente dissolvida em líquidos iônicos, o processo de hidrólise do ácido LM em líquidos iônicos é uma reação homogênea. Em comparação com o processo convencional de hidrólise ácida diluída, a hidrólise ácida da LM em líquidos iônicos pode ser realizada em condições suaves. Em comparação com o processo convencional de hidrólise ácida concentrada, a hidrólise ácida de LM em líquidos iônicos necessita apenas de uma quantidade vestigiais de ácido. Isso pode diminuir muito a corrosão do equipamento e o custo do processo. É também um processo mais amigável ao meio ambiente. Quando a LM pode ser dissolvida apenas parcialmente em líquidos iônicos, o processo de hidrólise ácida da LM em líquidos iônicos ainda é uma reação heterogênea. Entretanto, alguns componentes da LM dissolvida em líquidos iônicos mudam sua estrutura, o que leva a um processo de hidrólise do ácido LM relativamente mais rápido (Tadesse e Luque 2011). Portanto, o uso de líquidos iônicos realmente oferece novas oportunidades para melhorar o processo de hidrólise de ácido LM convencional.
Besidesides líquidos iônicos, o uso de ácidos sólidos é outra escolha para melhorar o processo de hidrólise de ácido LM convencional. Em comparação com os ácidos minerais usados no processo convencional de hidrólise de ácido LM, os ácidos sólidos são facilmente recuperados do hidrolisado e também são menos corrosivos para o equipamento; assim, eles reduzem o custo do processo e são mais amigáveis para o meio ambiente. Os ácidos sólidos comumente utilizados no processo de hidrólise de LM podem ser agrupados em cinco tipos: Zeólitos de forma H, óxidos de metais de transição, resinas de troca catiônica, ácidos sólidos suportados, e compostos heteropolizados. Entre eles, o ácido sólido carbonáceo é considerado um dos mais promissores porque proporciona bom acesso da LM aos locais ácidos dos grupos SO3H, o que o torna de alta atividade e seletividade. Nos últimos anos, estudos de pesquisa têm demonstrado que novas tecnologias como microondas, ultra-sonicação e nanotecnologia podem melhorar muito a atividade e seletividade durante a hidrólise dos ácidos sólidos de LM (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012). Embora o uso de líquidos iônicos e ácidos sólidos apresente essas vantagens, ainda existem grandes desafios em relação ao seu uso em escala industrial. Para a tecnologia de líquidos iônicos, é necessária mais pesquisa para entender o mecanismo da hidrólise de ácidos LM em líquidos iônicos, e para entender como reduzir seu custo de síntese, para aumentar a eficiência da separação de líquidos iônicos com mono-sugares em hidrolisados, e como reciclar os líquidos iônicos. Para a tecnologia de ácidos sólidos, mais trabalho deve focar no projeto de ácidos sólidos com alta atividade, estabilidade e seletividade. Com base no progresso recente no campo, é razoável esperar que um processo de hidrólise de ácido LM industrial eficiente e economicamente viável em biorefinaria seja estabelecido num futuro próximo.
ACKNOWLEDGMENTS
Este trabalho foi apoiado pela 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
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Jiang, Y., Li, X., Wang, X., Meng, L., Wang, H., Peng, G., Wang, X., e Mu, X. (2012). “Sacarificação eficaz da biomassa lignocelulósica sobre resíduos de hidrólise de ácido sólido derivado da hidrólise sob irradiação de microondas”, Green Chem. 14, 2162-2167.
Li, C., Wang Q., e Zhao Z. (2008). “Ácido em líquido iônico: Um sistema eficiente para hidrólise de lignocelulose”, Green Chem. 10(2), 177-182.
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Tadesse, H., e Luque, R. (2011). “Advances on biomass prereatment using ionic liquid: an overview”, Energy Environ. Sci. 4, 3913-3929.
Taherdazeh, M. J., e Karimi, K. (2007). “Processos de hidrólise ácida para etanol a partir de materiais lignocelulósicos”: A review”, BioResources 2(3), 472-499.