Chen, R., Zhu, S., Chen, C., Cheng, B., Chen, J., and Wu, Y. (2014). ”Reviving the acid hydrolysis process of lignocellulosic material in biorefinery”, BioRes. 9(2), 1824-1827.
Abstract
Syrahydrolys av lignocellulosamaterial (LM) är en av de mest studerade och viktiga delprocesserna i LM-bioraffinaderiet. Efter syrahydrolys kan LM omvandlas till olika biobränslen, biokemikalier och biomaterial genom kemiska eller biokemiska metoder. Konventionell syrahydrolys av LM anses dock inte vara en kostnadseffektiv och miljövänlig process eftersom den har nackdelar som svårigheter med att återvinna syra, korrosion av utrustning och kemiskt avfall från neutralisering av syra och avlägsnande av LM-nedbrytningsprodukter. Användning av joniska vätskor och fasta syror under LM-hydrolys har gett potentiella tekniska verktyg för att övervinna dessa problem och har gett nytt liv åt LM-syrahydrolysprocessen i bioraffinaderiet. I denna artikel diskuteras LM-syrahydrolysens roll i LM-bioraffinaderiet, en analys av den konventionella LM-syrahydrolysen och en kortfattad diskussion om den nya utvecklingen av LM-syraprocessen.
Ladda ner PDF
Full Article
Reviving the Acid Hydrolysis Process of Lignocellulosic Material in Biorefinery
Rui Chen,a Shengdong Zhu,b,* Cunwu Chen,a Bo Cheng,b Jie Chen,b och Yuanxin Wu b
Syrahydrolys av lignocellulosamaterial är en av de mest studerade och viktiga delprocesserna i LM-bioraffinaderiet. Efter syrahydrolys kan LM omvandlas till olika biobränslen, biokemikalier och biomaterial genom kemiska eller biokemiska metoder. Konventionell syrahydrolys av LM anses dock inte vara en kostnadseffektiv och miljövänlig process eftersom den har nackdelar som svårigheter med att återvinna syra, korrosion av utrustning och kemiskt avfall från neutralisering av syra och avlägsnande av LM-nedbrytningsprodukter. Användning av joniska vätskor och fasta syror under LM-hydrolys har gett potentiella tekniska verktyg för att övervinna dessa problem och har gett nytt liv åt LM-syrahydrolysprocessen i bioraffinaderiet. I denna ledare diskuteras LM-syrahydrolysens roll i LM-bioraffinaderiet, en analys av den konventionella LM-syrahydrolysen och en kortfattad diskussion om den nya utvecklingen av LM-syraprocessen.
Nyckelord: Syrahydrolysprocess; Lignocellulosamaterial; Bioraffinaderi
Kontaktinformation: a: b: Nyckellaboratorium för gröna kemiska processer vid utbildningsministeriet, 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;
* Motsvarande författare:: 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: [email protected]
Rollen för LM-syrahydrolysprocessen i bioraffinaderi
De ständigt ökande energikraven och miljöproblemen, tillsammans med de minskande reserverna av fossila bränslen, har föranlett alltmer arbete för att utveckla en bekväm och effektiv bioraffinaderiplattformsteknik för att omvandla lignocellulosamaterial (LM) till biobränslen, värdefulla kemikalier och biomaterial (Cheng och Zhu 2009). LM är en komplex blandning av cellulosa, hemicellulosa och lignin som är tätt bundna genom fysiska och kemiska interaktioner. Syrahydrolysprocessen för LM kan effektivt bryta ner dess komplexa struktur, fraktionera dess komponenter och omvandla dess cellulosa och hemicellulosa till monosocker (hexoser och pentoser), som kan omvandlas till olika biobränslen och biokemikalier via biokemiska och kemiska metoder. Syrahydrolysprocessen för LM kan vara en ingång till ett bioraffineringssystem för LM (Rinaldi och Schuth 2009). Efter LM-syrahydrolys kan de erhållna mono-sockren som kolkälla fermenteras till många produkter, bland annat etanol, butanol, organiska syror och lösningsmedel (fig. 1). De kan också omvandlas kemiskt till viktiga plattformsföreningar för bioraffinaderier, t.ex. xylos, furfural, 5-hydroximetylfurfural och levulinsyra, som kan omvandlas vidare till en rad biobränslen, värdefulla kemikalier och biomaterial. Det framställda ligninet kan användas som cementtillsatser, förbrännas som bränsle för elproduktion eller omvandlas till finkemikalier, t.ex. naturliga bindemedel och lim.
Fig. 1. Schema för LM-bioraffinaderi baserat på LM-syrahydrolysprocessen
Analys av den konventionella LM-syrahydrolysprocessen
Syrahydrolysen av LM för produktion av etanol och kemikalier har en nästan 100-årig historia (Taherdazeh och Karimi 2007). Den konventionella syrahydrolysen av LM omfattar två typer av processer: den utspädda syrahydrolysen och den koncentrerade syrahydrolysen. Den utspädda syrahydrolysen sker ofta vid hög temperatur och högt tryck. Scholler-processen är en typisk utspädd syrahydrolys. I denna process används 0,5 % svavelsyra och processen pågår vid 170 oC och 20 bar i cirka 45 minuter. Avkastningen av monosocker i hydrolyzat är endast cirka 50 % eftersom en stor mängd biprodukter bildas. För att förbättra denna process har vissa ansträngningar gjorts för att öka utbytet av monosocker i hydrolyzat och dess produktivitet. Man har t.ex. utvecklat ett tvåstegshydrolysesystem och en kontinuerlig hydrolys. Trots dessa framsteg har hydrolysprocessen med utspädd syra fortfarande brister, t.ex. stark korrosion av utrustningen, hårda driftsförhållanden och låg avkastning av monosocker i hydrolyzat. Hydrolys med koncentrerad syra sker vanligtvis vid rumstemperatur med koncentrerad mineralsyra. Bergiusprocessen är en typisk koncentrerad hydrolysprocess. Den koncentrerade hydrolysprocessen ger alltid ett högt utbyte av monosocker i hydrolyzat. Det största problemet är den starka korrosionen i utrustningen och den otillräckliga syraåtervinningen. Även om vissa åtgärder har vidtagits för att lösa dessa problem, t.ex. genom användning av gasformig HCl eller vattenfri HF för att underlätta syraåtervinningen, kvarstår dessa problem. Dessutom måste hydrolyzat neutraliseras och avgiftas innan det kan användas för att framställa etanol, oavsett om det kommer från hydrolys med utspädd syra eller från hydrolys med koncentrerad syra. Detta kommer att öka processkostnaden och orsaka vissa miljöproblem. Baserat på denna analys står det klart att den konventionella LM-syrahydrolysprocessen, oavsett om det är den utspädda syrahydrolysprocessen eller den koncentrerade syrahydrolysprocessen, har sina egna nackdelar för att bli en kostnadseffektiv och miljövänlig process i LM-bioraffinaderiet.
Nya utvecklingar inom LM-syrahydrolysprocessen
För att överbrygga bristerna i den konventionella LM-hydrolysbehandlingen har en del ny teknik antagits. Bland dem är användningen av joniska vätskor och fasta syror den mest lovande (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012; Li et al. 2008; Wang et al. 2011). Joniska vätskor är en grupp nyligen undersökta organiska salter som existerar som vätskor vid relativt låga temperaturer (<100 oC). På grund av deras icke-detekterbara ångtryck och höga kemiska och termiska stabilitet kallas de ofta för ”gröna lösningsmedel”. En rad studier har visat att LM eller vissa av dess komponenter kan lösas upp i hydrofila imidazoliumbaserade joniska vätskor, t.ex. 1-butyl-3-metylimidazoliumklorid, 1-allyl-3-metylimidazoliumklorid, 1-benzyl-3-metylimidazoliumklorid och 1-etyl-3-metylimidazoliumacetat (Zhu et al. 2006). När LM kan lösas helt och hållet i joniska vätskor är LM-syrahydrolysprocessen i joniska vätskor en homogen reaktion. Jämfört med den konventionella hydrolysprocessen med utspädd syra kan syrahydrolysen av LM i joniska vätskor utföras under milda förhållanden. Jämfört med den konventionella koncentrerade syrahydrolysprocessen krävs det endast ett spår av syra för syrahydrolys av LM i joniska vätskor. Detta kan avsevärt minska korrosionen i utrustningen och processkostnaderna. Det är också en mer miljövänlig process. När LM endast delvis kan lösas upp i joniska vätskor är syrahydrolysen av LM i joniska vätskor fortfarande en heterogen reaktion. Vissa komponenter i LM som löses upp i joniska vätskor ändrar dock sin struktur, vilket leder till en relativt snabbare LM-syrahydrolys (Tadesse och Luque 2011). Därför ger användningen av joniska vätskor verkligen nya möjligheter att förbättra den konventionella LM-hydrolysprocessen.
Bortsett från joniska vätskor är användningen av fasta syror ett annat alternativ för att förbättra den konventionella LM-syrahydrolysprocessen. Jämfört med mineralsyror som används i den konventionella LM-syrehydrolysprocessen är fasta syror lätta att återvinna från hydrolyzat och de är också mindre korrosiva för utrustningen, vilket sänker processkostnaderna och är mer miljövänliga. De fasta syror som vanligen används i LM-hydrolysprocessen kan delas in i fem typer: H-formiga zeoliter, övergångsmetalloxider, katjonbytarhartser, bärande fasta syror och heteropolföreningar. Bland dessa anses den kolhaltiga fasta syran vara en av de mest lovande eftersom den ger LM god tillgång till SO3H-gruppernas sura platser, vilket gör att den har hög aktivitet och selektivitet. På senare år har forskningsstudier visat att ny teknik som mikrovågsugn, ultraljud och nanoteknik kraftigt kan förbättra aktiviteten och selektiviteten under hydrolysen av LM med fast syra (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012). Även om användningen av joniska vätskor och fasta syror har dessa fördelar finns det fortfarande stora utmaningar när det gäller deras användning i industriell skala. När det gäller tekniken för joniska vätskor behövs mer forskning för att förstå mekanismen för LM-syrahydrolys i joniska vätskor och för att förstå hur man kan sänka synteskostnaden, öka den effektiva separationen av joniska vätskor med monosocker i hydrolyzat och hur man kan återvinna de joniska vätskorna. När det gäller tekniken för fasta syror bör mer arbete inriktas på att utforma fasta syror med hög aktivitet, stabilitet och selektivitet. Baserat på de senaste framstegen på området är det rimligt att förvänta sig att en effektiv och ekonomiskt bärkraftig industriell LM-syrahydrolys i bioraffinaderi kommer att etableras inom en nära framtid.
ÅTERKÄNSNINGAR
Detta arbete stöddes av Kinas nationella naturvetenskapliga stiftelse No.21176196, Lu’an City Orientation Commissioned the West Anhui University Project No.201310376001, och West Anhui University Outstanding Young Talent Foundation WXYQ1306.
REDOVISNINGSHANDLING
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. och Mu, X. (2012). ”Effektiv förkalkning av lignocellulosabiomassa över hydrolysrester som härrör från fast syra under mikrovågsbestrålning”, Green Chem. 14, 2162-2167.
Li, C., Wang Q. och Zhao Z. (2008). ”Syra i jonisk vätska: Ett effektivt system för hydrolys av lignocellulosa”, Green Chem. 10(2), 177-182.
Rinaldi, R. och Schuth, F. (2009). ”Acid hydrolysis of cellulose as entry point into biorefinery schemes”, ChemSusChem. 2, 1096-1107.
Tadesse, H. och Luque, R. (2011). ”Advances on biomass pretreatment using ionic liquid: an overview”, Energy Environ. Sci. 4, 3913-3929.
Taherdazeh, M. J. och Karimi, K. (2007). ”Syrabaserade hydrolysprocesser för etanol från lignocellulosamaterial: A review”, BioResources 2(3), 472-499.