A napfény tüzelőanyaggá alakítása: Ionos folyékony étrend kulcs a biomassza cukrok felszabadításához

Kapcsolattartó: Lynn Yarris (510) 486-5375, [e-mail védett]

Az „ionos folyadék” kifejezés napjainkban nagyrészt ismeretlen lehet a nagyközönség számára, de ezek a sók, amelyek szobahőmérsékleten nem folyékonyak, hanem kristályok, a jövőben sokkal ismertebbnek tűnnek, mivel várhatóan főszerepet játszanak a biomassza átalakításában. fenntartható és szén-dioxid-semleges közlekedési üzemanyagokba. Az ionos folyadékok egyedülállóan képesek feloldani a lignocellulózos biomasszát és elősegíteni a keletkező folyadék cukrokká történő hidrolizálását, de ezen a tényen túl keveset tudunk. A Berkeley Lab munkatársai részesei annak az országos törekvésnek, hogy többet megtudjanak az ionos folyadékokról és a biomasszáról. Kutatásaik kezdik értékes válaszokat adni.

folyékony

Alexis Bell vegyészmérnök, a katalízis vezető hatósága tanulmányt vezet az ionos bioüzemanyagok előállításának alkalmazásáról.

"Az volt a kihívásunk, hogy megértsük, milyen tulajdonságok szükségesek az ionos folyadékoktól a lignocellulóz hatékony feloldásához" - mondja Alexis Bell, vegyészmérnök, a Berkeley Lab és a Kaliforniai Egyetem (UC) Berkeley közös kinevezéseivel, valamint a katalízis. Bell és csoportja az UC Berkeley által vezetett partnerség, az Energy Biosciences Institute (EBI) támogatásával tanulmányozta az ionos folyadékokat, amely magában foglalja a Berkeley Lab-ot és az Illinois-i Egyetemet Urbana-Champaignban. Az EBI-t a BP finanszírozza.

Az American Chemical Society 2009. tavaszi, Salt Lake City-i országos találkozójának egyik nemrégiben tartott beszédében Bell leírta egy tanulmányát, amelyet ő és csoportja hajtott végre arról, hogy az ionos folyadékok hogyan oldják fel a lignocellulózt, majd depolimerizálják fermentálható cukrokká. Bár ez a tanulmány még fiatal, a kutatók már azonosították a lignocellulóz dekonstrukciós folyamat hatékonyabbá tételének lehetséges módjait.

"Ha megnézzük egy növény sejtfalát mikroszkóp alatt, láthatjuk, hogy három komponensből áll - cellulózból, hemicellulózból és ligninből" - mondta Bell. "A cellulózt kristályos fibrillákba csomagolják, amelyeket hemicellulóz vesz körül, és egy ligninhüvelybe burkolják, amely az egész szerkezetet természetesen ellenszenves (ellenáll a lebomlásnak)."

Más célkitűzések mellett Bell és csoportja arra keresi a választ, hogy az ionos folyadék összetétele hogyan befolyásolja a cellulóz és a lignin oldhatóságát, hogyan befolyásolja a hőmérséklet a cellulóz depolimerizációjából származó cukrok oldhatóságát, valamint hogy az összetétel, a hőmérséklet és a az oldószeres adalékok befolyásolhatják a cellulóz/ionos folyékony oldatok viszkozitását.

"A viszkozitás rendkívül fontos, mert bár az ionos folyadékok nagy oldószerek, a bennük oldott anyag melaszként áramlik, és még rosszabb" - mondta Bell.

Az 1-butil-3-metil-imidazolium-kloriddal vagy a [BMIM] [Cl] ionos folyadékkal dolgozva Bell és csoportja azt találta, hogy a víz forráspontján - 100 Celsius fok - a BMIM] [Cl] is feloldja a cellulóz cukrokat strukturális változásokat idéz elő a cukrokban. Bell és csapata azt is megállapította, hogy a hőmérséklet akár 120 Celsius-fokot is megemelhet, mielőtt a cellulózszerkezet súlyosan lebomlik, ami jelentősen csökkenti az oldott termék értékét.

"Amikor feloldja a cellulózt, azt olyan formába teszi, amelyhez a hibák (például az élesztő) fermentációs célból hozzáférhetnek" - mondta Bell. "120 Celsius fok feletti hőmérsékleten az általunk vizsgált ionos folyadékok elég savasak voltak ahhoz, hogy sötétbarna oldhatatlan vegyületeket képezzenek, amelyeket technikailag huminnak neveznek, de amit a legtöbb kémikus nevezhet gunknak."

Az ionos folyadék összetételének az oldhatóságra gyakorolt ​​hatásának tesztelésekor Bell és csoportja megváltoztatta ionos folyadékban lévő kationok és anionok típusát. Megállapították, hogy a cellulóz oldhatósága mind az aniontól, mind a kationtól függ, és hogy a klorid a legjobb anion, míg a piridinium a legjobb kation.

A viszkozitási tesztekben Bell és munkatársai azt találták, hogy a cukrok [BMIM] [Cl] -ben való oldása nagymértékben növeli az ionos folyadék viszkozitását, és hogy társoldószerek, például acetonitril vagy butironitril hozzáadása csökkenti a viszkozitást anélkül, hogy a cukrok kicsapódnának - jó dolog.

"Ahhoz, hogy kémiai műveletet végezzünk ezekkel az oldott cukrokkal, képesnek kell lennünk keverni őket, ami azt jelenti, hogy viszkozitásra van szükségünk, de nem túl nagy viszkozitásra" - mondta Bell. „Csökkentenünk kell a viszkozitást a cellulóz kicsapása nélkül. Az acetonitril és a butironitril társoldószerek, amelyek képesek trükközni. "

Miután a cellulóz és a hemicellulóz komponensek feloldódtak, azokat cukrokká depolimerizálni kell. Ehhez Bell és munkatársai különféle katalizátorokat teszteltek, amelyek elősegítik a cukor átrendeződését és az oxigén hidrogénezés útján történő eltávolítását. Többek között azt találták, hogy a savak katalizálják a glükóz fruktózzá izomerizációját és a fruktóz furfurálissá történő átalakulását. Megmutatták azt is, hogy egy sav és egy hidrogénező katalizátor együttes hatása a termékek széles spektrumához vezethet, és hogy e termékek eloszlását a savkoncentrációk és a hidrogénnyomás szabályozzák.

Bell mondta: "Az oldott cellulóz hidrolízise savas katalizátor jelenlétében könnyen megtörténik, és a glükóz hidrogenolízisét egy szénnel támogatott fém elősegíti."