Chen, R., Zhu, S., Chen, C., Cheng, B., Chen, J., și Wu, Y. (2014). „Reviving the acid hydrolysis process of lignocellulosic material in biorefinery,” BioRes. 9(2), 1824-1827.
Abstract
Hidroliza acidă a materialului lignocelulozic (LM) este unul dintre cele mai larg studiate și importante subprocese în biorafinăria LM. După hidroliza acidă, LM poate fi transformat în diverși biocombustibili, produse biochimice și biomateriale prin metode chimice sau biochimice. Cu toate acestea, hidroliza acidă convențională a LM nu este considerată un proces eficient din punct de vedere al costurilor și ecologic, deoarece prezintă dezavantaje, cum ar fi dificultățile legate de recuperarea acidului, coroziunea echipamentelor și deșeurile chimice rezultate din neutralizarea acidului și eliminarea produselor de degradare a LM. Utilizarea lichidelor ionice și a acizilor solizi în timpul hidrolizei LM a oferit instrumente tehnice potențiale pentru a depăși aceste probleme și a dat o nouă viață procesului de hidroliză acidă LM în biorafinărie. Acest editorial va discuta rolul procesului de hidroliză acidă a LM în biorafinăria de LM, va oferi o analiză a procesului convențional de hidroliză acidă a LM și va discuta pe scurt noile evoluții ale procesului de hidroliză acidă a LM.
Download PDF
Full Article
Reînvierea procesului de hidroliză acidă a materialului lignocelulozic în biorafinărie
Rui Chen,a Shengdong Zhu,b,* Cunwu Chen,a Bo Cheng,b Bo Cheng,b Jie Chen,b și Yuanxin Wu b
Hidroliza acidă a materialului lignocelulozic (LM) este unul dintre cele mai studiate și importante subprocese în biorafinăria LM. După hidroliza acidă, LM poate fi transformat în diverși biocombustibili, produse biochimice și biomateriale prin metode chimice sau biochimice. Cu toate acestea, hidroliza acidă convențională a LM nu este considerată un proces eficient din punct de vedere al costurilor și ecologic, deoarece prezintă dezavantaje, cum ar fi dificultățile legate de recuperarea acidului, coroziunea echipamentelor și deșeurile chimice rezultate din neutralizarea acidului și eliminarea produselor de degradare a LM. Utilizarea lichidelor ionice și a acizilor solizi în timpul hidrolizei LM a oferit instrumente tehnice potențiale pentru a depăși aceste probleme și a dat o nouă viață procesului de hidroliză acidă LM în biorafinărie. Acest editorial va discuta rolul procesului de hidroliză acidă LM în biorafinăria LM, va oferi o analiză a procesului convențional de hidroliză acidă LM și va discuta pe scurt noile dezvoltări ale procesului acid LM.
Cuvintele cheie: Hidroliză acidă LM: Proces de hidroliză acidă; Material lignocelulozic; Biorafinărie
Informații de contact: a: Colegiul de Biotehnologie și Inginerie Farmaceutică, Universitatea West Anhui, Lu’an 237012, R.P. Chineză; b: Laboratorul cheie pentru procese chimice ecologice al Ministerului Educației, Laboratorul cheie Hubei de reactor chimic nou și tehnologie chimică ecologică, Școala de Inginerie Chimică și Farmacie, Institutul de Tehnologie Wuhan, Wuhan 430073, R.P. Chineză;
* Autor corespondent: [email protected]
Rolul procesului de hidroliză acidă a LM în biorafinărie
Creșterea continuă a cererii de energie și a preocupărilor legate de mediu, împreună cu rezervele din ce în ce mai mici de combustibili fosili, au determinat creșterea volumului de muncă în vederea dezvoltării unei platforme tehnologice de biorafinare convenabile și eficiente pentru a transforma materialul lignocelulozic (LM) în biocombustibili, substanțe chimice valoroase și biomateriale (Cheng și Zhu 2009). LM este un amestec complex de celuloză, hemiceluloză și lignină care este strâns legat prin interacțiuni fizice și chimice. Procesul de hidroliză acidă a LM poate descompune în mod eficient structura sa complexă, poate fracționa componentele sale și poate converti celuloza și hemiceluloza în monozaharuri (hexaze și pentose), care pot fi transformate în diverși biocombustibili și produse biochimice prin metode biochimice și chimice. Procesul de hidroliză acidă a LM poate fi un punct de intrare într-o schemă de biorafinare a LM (Rinaldi și Schuth 2009). După hidroliza acidă a LM, monozahărul obținut ca sursă de carbon poate fi fermentat în numeroase produse, inclusiv etanol, butanol, acizi organici și solvenți (Fig. 1). Aceștia pot fi, de asemenea, transformați chimic în compuși importanți ai platformei de biorafinare, cum ar fi xiloza, furfuralul, 5-hidroximetil furfuralul și acidul levulinic, care pot fi transformați în continuare într-o serie de biocombustibili, substanțe chimice valoroase și biomateriale. Lignina obținută poate fi utilizată ca aditivi pentru ciment, incinerată ca și combustibil pentru electricitate sau transformată în substanțe chimice fine, de exemplu, lianți și adezivi naturali.
Fig. 1. Schema de biorafinare a LM bazată pe procesul de hidroliză acidă a LM
Analiza procesului convențional de hidroliză acidă a LM
Hidroliza acidă a LM pentru producerea de etanol și substanțe chimice are o istorie de aproape 100 de ani (Taherdazeh și Karimi 2007). Hidroliza acidă convențională a LM include două tipuri de procese: procesul de hidroliză acidă diluată și procesul de hidroliză acidă concentrată. Procesul de hidroliză acidă diluată funcționează adesea la temperaturi și presiuni ridicate. Procesul Scholler este un proces tipic de hidroliză acidă diluată. În acest proces, se utilizează acid sulfuric 0,5% și se operează la 170 oC sub 20 bar timp de aproximativ 45 de minute. Randamentul de monozahăr din hidrolizat este de numai aproximativ 50%, deoarece se formează o cantitate mare de produse secundare. Pentru a îmbunătăți acest proces, s-au depus unele eforturi pentru a crește randamentul de monozahăr din hidrolizat și productivitatea acestuia. De exemplu, au fost dezvoltate sistemul de hidroliză în două etape și operațiunea de hidroliză continuă. În ciuda acestor progrese, procesul de hidroliză acidă diluată prezintă încă deficiențe, cum ar fi coroziunea puternică a echipamentului, condițiile de operare dure și randamentul scăzut de monosucrați în hidrolizat. Procesul de hidroliză acidă concentrată funcționează, de obicei, la temperatura camerei cu acid mineral concentrat. Procesul Bergius este un proces tipic de hidroliză concentrată. Procesul de hidroliză concentrată are întotdeauna un randament ridicat de monozahăr în hidrolizat. Principala sa problemă este coroziunea puternică a echipamentului și recuperarea insuficientă a acidului. Deși au fost luate unele măsuri pentru a rezolva aceste probleme, de exemplu prin utilizarea de HCl gazos sau HF anhidru pentru a facilita recuperarea acidului, aceste probleme există încă. În plus, hidrolizatul trebuie să fie neutralizat și detoxificat înainte de a putea fi utilizat pentru a produce etanol, indiferent dacă acesta provine din procesul de hidroliză acidă diluată sau din procesul de hidroliză acidă concentrată. Acest lucru va crește costul procesului și va cauza unele probleme de mediu. Pe baza acestei analize, este clar că procesul convențional de hidroliză acidă a LM, fie că este vorba de procesul de hidroliză acidă diluată sau de procesul de hidroliză acidă concentrată, are propriile dezavantaje pentru a deveni un proces rentabil și ecologic în biorafinăria LM.
Noi dezvoltări în procesul de hidroliză acidă a LM
Pentru a depăși neajunsurile procesului convențional de hidroliză LM, au fost adoptate unele tehnologii noi. Dintre acestea, utilizarea lichidelor ionice și a acizilor solizi este cea mai promițătoare (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012; Li et al. 2008; Wang et al. 2011). Lichidele ionice sunt un grup de săruri organice recent investigate care există sub formă lichidă la temperaturi relativ scăzute (<100 oC). Datorită presiunii lor de vapori nedetectabile și a stabilității chimice și termice ridicate, aceștia sunt adesea numiți „solvenți verzi”. O serie de studii au arătat că LM sau o parte din componentele sale pot fi dizolvate în lichide ionice hidrofile pe bază de imidazoliu, cum ar fi clorura de 1-butila-3-metilimidazoliu, clorura de 1-alil-3-metilimidazoliu, clorura de 1-benzil-3-metilimidazoliu și acetatul de 1-etil-3-metilimidazoliu (Zhu et al. 2006). Atunci când LM poate fi complet dizolvat în lichide ionice, procesul de hidroliză acidă a LM în lichide ionice este o reacție omogenă. În comparație cu procesul convențional de hidroliză acidă diluată, hidroliza acidă a LM în lichide ionice poate fi efectuată în condiții blânde. În comparație cu procesul convențional de hidroliză acidă concentrată, hidroliza acidă a LM în lichide ionice necesită doar o cantitate mică de acid. Acest lucru poate reduce considerabil coroziunea echipamentului și costul procesului. Este, de asemenea, un proces mai prietenos cu mediul. În cazul în care LM se poate dizolva doar parțial în lichidele ionice, procesul de hidroliză acidă a LM în lichide ionice este încă o reacție eterogenă. Cu toate acestea, unele componente ale LM dizolvate în lichidele ionice își modifică structura, ceea ce duce la un proces de hidroliză acidă a LM relativ mai rapid (Tadesse și Luque 2011). Prin urmare, utilizarea lichidelor ionice oferă într-adevăr noi oportunități de îmbunătățire a procesului convențional de hidroliză a LM.
În afară de lichidele ionice, utilizarea acizilor solizi este o altă alegere pentru a îmbunătăți procesul convențional de hidroliză acidă a LM. În comparație cu acizii minerali utilizați în procesul convențional de hidroliză acidă LM, acizii solizi sunt ușor de recuperat din hidrolizat și sunt, de asemenea, mai puțin corozivi pentru echipamente; astfel, ei reduc costul procesului și sunt mai prietenoși cu mediul înconjurător. Acizii solizi utilizați în mod obișnuit în procesul de hidroliză LM pot fi grupați în cinci tipuri: zeoliți cu formă H, oxizi de metale de tranziție, rășini schimbătoare de cationi, acizi solizi susținuți și compuși heteropolitici. Dintre aceștia, acidul solid carbonat este considerat unul dintre cei mai promițători, deoarece asigură un bun acces al LM la situsurile acide ale grupărilor SO3H, ceea ce îl face să aibă o activitate și o selectivitate ridicate. În ultimii ani, studiile de cercetare au demonstrat că noile tehnologii, cum ar fi microundele, ultrasunetele și nanotehnologia, pot îmbunătăți considerabil activitatea și selectivitatea în timpul hidrolizei cu acid solid a LM (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012). Deși utilizarea lichidelor ionice și a acizilor solizi prezintă aceste avantaje, există încă mari provocări în ceea ce privește utilizarea lor la scară industrială. În ceea ce privește tehnologia lichidelor ionice, sunt necesare mai multe cercetări pentru a înțelege mecanismul de hidroliză acidă a LM în lichide ionice și pentru a înțelege cum se poate reduce costul de sinteză al acestora, pentru a crește eficiența separării eficiente a lichidelor ionice cu monozahăr în hidrolizat și cum se pot recicla lichidele ionice. În ceea ce privește tehnologia acizilor solizi, mai multe lucrări ar trebui să se concentreze pe proiectarea unor acizi solizi cu activitate, stabilitate și selectivitate ridicate. Pe baza progreselor recente din domeniu, este rezonabil să ne așteptăm ca în viitorul apropiat să se stabilească un proces industrial eficient și viabil din punct de vedere economic de hidroliză a acidului LM în biorafinărie.
RECUNOȘTINȚELE DE FUNDAMENTARE
Această lucrare a fost susținută de Fundația Națională de Științe Naturale a Chinei nr. 21176196, Lu’an City Orientation Commissioned the West Anhui University Project No.201310376001, și West Anhui University Outstanding Young Talent Foundation WXYQ1306.
REFERINȚE CITEȘTE
Cheng, S., și 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. 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., și Mu, X. (2012). „Sacarizarea eficientă a biomasei lignocelulozice peste acidul solid derivat din reziduurile de hidroliză sub iradiere cu microunde”, Green Chem. 14, 2162-2167.
Li, C., Wang Q., și Zhao Z. (2008). „Acid în lichid ionic: An efficient system for hydrolysis of lignocellulose,” Green Chem. 10(2), 177-182.
Rinaldi, R., și Schuth, F. (2009). „Acid hydrolysis of cellulose as entry point into biorefinery schemes,” ChemSusChem. 2, 1096-1107.
Tadesse, H., și Luque, R. (2011). „Advances on biomass pretreatment using ionic liquid: an overview,” Energy Environ. Sci. 4, 3913-3929.
Taherdazeh, M. J., și Karimi, K. (2007). „Procese de hidroliză pe bază de acid pentru obținerea etanolului din materiale lignocelulozice: A review,” BioResources 2(3), 472-499.
.