Formic acid catalysed xylose dehydration into furfural

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>Lignocellulosic biomass, such as wood or agricultural residues, is a resource widely available for use in chemical production. In a lignocellulosic feedstock biorefinery, the major parts of biomass, cellulose, hemicellulose and lignin, are converted to valuable chemicals, materials and energy. Furfural production is one option for the use of the pentose sugars available in hemicellulose, and the process could be integrated with the pulp or cellulosic ethanol industry. In the past, furfural production catalysed by organic acids has been in industrial use, but no detailed studies about the kinetics exist. However, the use of organic acid would prevent the waste problems linked to the mineral acids widely used in the furfural industry.</p><p>In this thesis, furfural formation in formic acid media was studied. The major part of this work concerns the kinetics of xylose dehydration into furfural and further furfural degradation. Based on the results of this thesis and a literature review, adequate prediction of furfural yield in the conditions used can be achieved using a simple kinetic model, including three reactions: 1) Xylose dehydration into furfural, 2) Furfural degradation, and 3) Xylose degradation to products other than furfural. Moreover, it was shown that the overall order of the furfural degradation reaction, usually modelled as a first order reaction, changes with acidity (H⁺-concentration). Suggestions for a possible reaction mechanism have been made based on the results.</p><p>In the last part of this thesis, furfural formation in the presence of kraft lignin (Indulin AT) was considered. Sulphuric acid was used as a baseline for formic acid. It was shown that the lignin has an acid-neutralising capacity, but the higher pH did not explain all the changes in the xylose conversion and the furfural yield. Thus, it is highly likely the lignin inhibits the formation of furfural. Altogether, the effects were smaller in formic acid than in sulphuric acid. </p><p>This thesis confirms the fact that formic acid is an effective catalyst for furfural production. The focus of the thesis was on the reaction kinetics, and the results can be used in conceptual process design. Moreover, the results emphasise the importance of including acidity explicitly in the kinetic model and monitoring acidity changes when real process streams are used.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Lignoselluloosaa, kuten puita tai maanviljelyn jäännösmateriaaleja, on laajasti saatavilla kemiallisen tuotannon raaka-aineeksi. Biojalostamossa lignoselluloosan pääjakeet, selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini, muutetaan arvokkaiksi kemikaaleiksi, materiaaleiksi ja energiaksi. Furfuraalin tuotanto on yksi vaihtoehto hemiselluloosan sisältämien pentoosien hyödyntämiseksi. Furfuraaliprosessi voidaan yhdistää sellun tai bioetanolin tuotantoon, ja orgaanisia happoja käyttämällä voitaisiin välttää mineraalihappoihin liittyvät jäteongelmat furfuraalin tuotannossa.</p><p>Tämän väitöskirjan aiheena on muurahaishappokatalysoitu furfuraalin muodostuminen ksyloosista. Pääpaino on reaktiokinetiikassa, ja työssä on kehitetty kineettinen malli ksyloosin dehydraatiolle furfuraaliksi ja sitä seuraaville furfuraalin sivureaktioille. Tehdyn tutkimuksen ja kirjallisuusselvityksen perusteella yksinkertainen kolmen reaktion malli antaa riittävän tarkan ennustuksen furfuraalisaannoista käytetyissä olosuhteissa. Reaktiot ovat 1) ksyloosin dehydraatio sekä 2) furfuraalin ja 3) ksyloosin reaktiot sivutuotteiksi. Lisäksi huomattiin, että reaktion, jossa syntyy furfuraalin häviämistuotteita, reaktioaste on riippuvainen happamuudesta (H⁺-konsentraatio). Työssä onkin ehdotettu mahdollisia reaktiomekanismeja furfuraalin sivureaktioille.</p><p>Työn viimeisessä osassa tutkittiin ligniinin vaikutusta furfuraalin muodostumiseen. Vertailukohtana muurahaishapolle käytettiin rikkihappoa. Tutkimuksessa selvisi, että käytetty ligniini, Indulin AT, huononsi furfuraalisaantoa. Suurin osa vaikutuksesta johtui ligniinin neutralointikapasiteetista, jolloin reaktioliuoksen happamuus laski, mutta mahdollisia sivureaktioita ei voitu sulkea pois. Kaiken kaikkiaan vaikutukset olivat pienempiä muurahaishapolla kuin rikkihapolla.</p><p>Tämä väitöskirjatutkimus osoitti, että muurahaishappo katalysoi furfuraalin tuotantoa tehokkaasti. Tutkimuksessa muodostettiin reaktiokineettinen malli, jota voidaan käyttää käsitteellisessä prosessisuunnittelussa. Tulosten perusteella on tärkeää huomioida reaktioliuoksen happamuus kinetiikassa ja tarkkailla happamuuden muutoksia käytettäessä prosessisivuvirtoja.</p></div>