آیا مشتقات فران می توانند از زیست توده تجدید پذیر تهیه شوند؟

تلاش برای گزینه های پایدار برای مواد شیمیایی مبتنی بر نفت یکی از چالش های علمی تعیین کننده زمان ما است. از بین امیدوار کننده ترین نامزدها مشتقات فران ، کلاس از ترکیبات آلی با ساختار حلقه متمایز که پتانسیل عظیمی را به عنوان بلوک های ساختمانی برای پلاستیک ، سوخت و مواد شیمیایی ریز نگه می دارد. سوال اصلی دیگر نیست اگر این ترکیبات را می توان از زیست توده تجدید پذیر تهیه کرد ، اما چگونه از نظر کارآمد ، اقتصادی و پایدار این کار را می توان انجام داد. پاسخ یک بله بسیار جالب و در عین حال واجد شرایط است. تبدیل زیست توده لیگنوسلولوزیک به سیستم عامل های ارزشمند Furan یک زمینه فعال و به سرعت در حال پیشرفت در زمینه تحقیق و توسعه صنعتی است.

مورد furanics: چرا این مولکول ها اهمیت دارند

مشتقات فران صرفاً کنجکاوی علمی نیستند. آنها جایگزینی عملکردی برای معطر های معمولی مشتق از نفت مانند بنزن ، تولوئن و زایلن هستند. ساختار مولکولی آنها ، با اکسیژن در داخل حلقه ، واکنش پذیری منحصر به فردی را فراهم می کند که باعث می شود پیش سازهای ایده آل برای طیف گسترده ای از مواد باشد.

دو عضو برجسته این خانواده عبارتند از:

5-hydroxymethylfurfural (HMF): HMF که اغلب به عنوان "غول خواب" از شیمی مبتنی بر زیستی نامیده می شود ، یک مولکول سکو همه کاره است. می توان آن را به آرایه متنوعی از محصولات تبدیل کرد ، از جمله:

2،5-furandicarboxylic acid (FDCA): جایگزینی مستقیم برای اسید ترفنتالیک در تولید پلی اتیلن تفاتالات (PET). پلیمر حاصل ، پلی اتیلن فورانوات (PEF) ، دارای خاصیت سد برتر به اکسیژن و دی اکسید کربن است و آن را برای بطری های نوشیدنی ایده آل می کند.

2،5-dimethylfuran (DMF): سوخت زیستی انرژی بالا با چگالی انرژی قابل مقایسه با بنزین.

furfural: یک ماده شیمیایی صنعتی به خوبی تثبیت شده در مقیاس 300000 تن در سال تولید می شود. این ماده در درجه اول برای تهیه فرفوریل الکل ، یک رزین کلیدی برای اتصال دهنده های ماسه ای ریخته گری ، و به عنوان نقطه شروع برای سایر مواد شیمیایی مانند اسید فورویک و تتراهیدروفوران استفاده می شود.

ارزش این مولکول ها در توانایی آنها در ایجاد شکاف بین زیست توده پیچیده و محصولات نهایی با کارایی بالا قرار دارد.

مواد اولیه: فراوانی زیست توده لیگنوسلولوزیک

منبع اصلی فرهای مبتنی بر زیستی محصولات غذایی نیست ، اما زیست بشر این شامل باقیمانده های کشاورزی (به عنوان مثال ، ذرت ذرت ، نی گندم ، باگاس) ، محصولات اختصاصی انرژی (به عنوان مثال ، miscanthus ، switchgrass) و زباله های جنگلی (به عنوان مثال ، تراشه های چوبی ، خاک اره) است. این تمرکز "غیر غذایی" برای جلوگیری از رقابت با زنجیره تأمین مواد غذایی و اطمینان از پایداری واقعی بسیار مهم است.

لیگنوسلولوز یک ماتریس پیچیده است که از سه پلیمر اصلی تشکیل شده است:

سلولز: پلیمر کریستالی گلوکز.

hemicellulose: یک پلیمر شاخه ای ، آمورف در درجه اول قندهای C5 مانند زایلوز و آرابینوز.

لیگنین: یک پلیمر پیچیده و معطر که استحکام ساختاری را فراهم می کند.

کلید تولید مشتقات Furan در باز کردن قفل قندهای به دام افتاده در این ساختار قوی نهفته است.

مسیرهای تحول: از زیست توده گرفته تا بلوک های ساختمانی

تبدیل زیست توده به مشتقات Furan یک فرآیند چند مرحله ای است که به طور معمول شامل ساختارشکنی و به دنبال آن تبدیل کاتالیزوری است.

1. ساختارشکنی و پیش درمانی
زیست توده خام بسیار بدنام است. اولین قدم پیش درمانی برای تجزیه غلاف لیگنین و مختل کردن ساختار کریستالی سلولز است و باعث می شود پلیمرهای کربوهیدرات در دسترس باشند. روشها شامل انفجار بخار ، پیش درمانی اسید و گسترش فیبر آمونیاک است. پس از پیش درمانی ، آنزیم ها (سلولزها و همی سلولز) اغلب برای هیدرولیز کردن پلیمرها به قندهای مونومر خود استفاده می شوند: در درجه اول گلوکز (از سلولز) و زایلوز (از همی سلولز).

2. تبدیل کاتالیزوری به فری ها
این تحول اصلی شیمیایی است ، که در آن قندهای ساده در حلقه های Furan cyclodehyderated می شوند.

مسیر Furfural: زایلوز ، قند اصلی C5 از همی سلوولوز ، تحت فشار اسید کاتالیز شده قرار می گیرد تا شکل فرفرال را تشکیل دهد. این یک فرایند صنعتی به خوبی تثبیت شده است ، که اغلب از اسیدهای معدنی مانند اسید سولفوریک در دمای بالا استفاده می کند. تحقیقات بر توسعه کاتالیزورهای اسید جامد کارآمدتر و سیستم های راکتور دو فازی (با استفاده از آب و یک حلال آلی) برای استخراج مداوم فرفرال و جلوگیری از تخریب آن متمرکز شده است.

مسیر HMF: گلوکز ، قند C6 از سلولز ، مواد اولیه مورد نظر برای HMF است. با این حال ، تبدیل آن چالش برانگیزتر از زایلوز به Furfural است. به طور معمول به یک کاتالیزور اسید لوئیس برای ایزومر کردن گلوکز به فروکتوز نیاز دارد ، و به دنبال آن یک کاتالیزور اسید برونستد برای کم آبی فروکتوز به HMF. مدیریت این کاتالیز پشت سر هم ضمن به حداقل رساندن واکنشهای جانبی (به عنوان مثال ، تشکیل هومین) یک تمرکز مهم تحقیق است. استفاده از سیستم های دو فازی ، مایعات یونی و محیط های حلال جدید نوید قابل توجهی در بهبود عملکرد HMF و انتخاب نشان داده است.

چالش ها و موانع در مسیر تجاری سازی

در حالی که این علم اثبات شده است ، تولید اقتصادی و پایدار در مقیاس بزرگ مشتقات فران از زیست توده با موانع قابل توجهی روبرو است.

عملکرد و انتخاب: واکنشهای کم آبی در معرض واکنشهای جانبی قرار دارند و منجر به تشکیل فرآورده های محلول و انسان های پلیمری نامحلول می شوند. اینها عملکرد Furan مورد نظر را پایین می آورند و می توانند راکتورهای ناپاک باشند.

طراحی و هزینه کاتالیزور: اسیدهای همگن خورنده هستند و بازیابی آن دشوار است. توسعه کاتالیزورهای ناهمگن قوی ، انتخابی و قابل استفاده مجدد بسیار مهم است اما همچنان یک چالش است. هزینه و سمیت بالقوه برخی از کاتالیزورهای پیشرفته (به عنوان مثال ، کسانی که حاوی فلزات گرانبها هستند) نیز نگرانی دارند.

جدایی و تصفیه: مخلوط های واکنش سوپ های آبی پیچیده ای هستند. جداسازی مشتق Furan هدف در خلوص بالا از این مخلوط یک فرآیند پر هزینه و پر هزینه است که اغلب بخش قابل توجهی از کل هزینه تولید را نشان می دهد.

تدارکات و تغییرپذیری خوراک: جمع آوری ، حمل و نقل و ذخیره سازی زیست توده پراکنده جغرافیایی کم چگالی ، از نظر لجستیکی و اقتصادی چالش برانگیز است. علاوه بر این ، ترکیب زیست توده می تواند بر اساس منبع و فصل متفاوت باشد ، که بهینه سازی یک فرآیند تبدیل مداوم را پیچیده می کند.

نتیجه گیری: یک واقعیت امیدوارکننده و در عین حال در حال توسعه

تهیه مشتقات Furan از زیست توده تجدید پذیر یک خیال سوداگرانه نیست. این یک تلاش علمی و صنعتی ملموس است. تولید Furfural برای ده ها سال یک واقعیت تجاری بوده است و به عنوان اثبات مفهوم خدمت می کند. سفر برای HMF و مشتقات پیشرفته آن مانند FDCA در امتداد خط لوله توسعه است و چندین شرکت در حال کار خلبانی و کارخانه های مقیاس تظاهرات هستند.

انتقال از نفت به زیست توده یک مبادله ساده نیست. این امر به تجدید نظر اساسی در سنتز شیمیایی ، پذیرش پیچیدگی و توسعه فن آوری های جدید برای رسیدگی به آن نیاز دارد. چالش های عملکرد ، کاتالیز و جدایی قابل توجه است ، اما با تلاش های تحقیق جهانی به طور جدی مورد بررسی قرار می گیرد.

پاسخ به سوال عناوین واضح است: بله ، مشتقات فران می توانند و در حال تهیه از زیست توده تجدید پذیر باشند. اکنون سؤال ظریف تر این است که چگونه این فرایندها را اصلاح کنیم تا فقط از نظر فنی امکان پذیر نباشند ، بلکه از نظر اقتصادی نیز در مقیاس جهانی پایدار هستند. مسیر رو به جلو در Biorefineries یکپارچه قرار دارد که به طور موثری همه مؤلفه های زیست توده را افزایش می دهد و زباله های کشاورزی و جنگل های امروز را به مواد و سوخت های فردا تبدیل می کند. $ $