Syväeutektiset liuottimet biomassan esikäsittelyssä ja 5-hydroksimetyylifurfuraalin valmistamisessa

Abstract

Syväeutektiset liuottimet ovat uusi ja ominaisuuksiltaan mielenkiintoinen orgaanisten liuottimien ryhmä. Ne ovat ympäristöystävällisempiä kuin perinteiset orgaaniset liuottimet ja niiden käyttöä on tutkittu biomassan esikäsittelyssä sekä 5-hydroksimetyylifurfuraalin (5-HMF) valmistuksessa. 5-HMF on biomassasta valmistettava kemikaali, josta voidaan valmistaa korkean lisäarvon johdannaisia. Valmistettuja johdannaisia voidaan hyödyntää maaöljypohjaisten kemikaalien tilalla kemianteollisuudessa. Tämän tutkielman tarkoituksena on tarkastella, millä syväeutektisilla liuottimilla ja reaktio-olosuhteilla voidaan saavuttaa hyvä biomassan esikäsittely ja 5-HMF:n saanto.

Biomassan esikäsittely on suoritettu erilaisissa syväeutektisissa liuottimissa, missä tarkoituksena on ollut liuottaa ligniini ja hemiselluloosa. Esikäsitellylle biomassalle on suoritettu entsymaattinen hydrolyysi, jonka tarkoituksena on ollut hydrolysoida biomassaan jäljelle jäänyttä glukaania glukoosiksi. Lähes kaikki biomassan esikäsittelyssä käytetyt syväeutektiset liuottimet liuottivat hyvin ligniiniä ja hemiselluloosaa biomassasta. Lisäksi esikäsitellyn biomassan entsymaattisesta hydrolyysistä on saatu hyvät glukoosin saannot. Parhaimmat tulokset on saatu koliinikloridi (ChCl)/maitohapolla sekä etyleeniglykoli- ja glyserolipohjaisilla syväeutektisilla liuottimilla.

5-HMF:n valmistuksessa syväeutektisia liuottimia on käytetty liuottimena ja katalyyttinä tai pelkästään liuottimena. Lähtöaineina on käytetty muun muassa fruktoosia, glukoosia ja biomassaa. Apukatalyytteinä on käytetty Lewis- ja Brønsted-happokatalyyttejä ja apuliottimena vettä. Valmistus on suoritettu yksi- tai kaksifaasisysteemissä käyttämällä tavanomaista tai mikroaaltoavusteista lämmitystä. Korkeat 5-HMF:n saannot pelkällä syväeutektisella liuottimella on saatu, kun lähtöaineena on käytetty fruktoosia ja syväeutektisena liuottimena ChCl/maitohappoa, imidatsoli/bentseenisulfonihappoa ja ChCl/p-tolueenisulfonihappoa. Muilla lähtöaineilla hyvä 5-HMF:n saanto on vaatinut Lewis- tai Brønsted-happokatalyytin käytön ja parhaimmat tulokset on saatu ChCl/karboksyylihappo- ja ChCl/lähtöainepohjaisilla syväeutektisilla liuottimilla, kun karboksyylihappona on ollut maitohappo, muurahaishappo ja glykolihappo. Veden lisääminen reaktioseokseen, kaksifaasisysteemin käyttö sekä mikroaaltoavusteinen reaktio ovat parantaneet 5-HMF:n saantoa.