ITFI20090210A1 - PROCEDURE FOR THE TOTAL AND EFFICIENT CONVERSION OF ARUNDO DONAX TO GIVE FURALDEHYDE, LEVULIN ACID AND LIGNINIC DERIVATIVES - Google Patents
PROCEDURE FOR THE TOTAL AND EFFICIENT CONVERSION OF ARUNDO DONAX TO GIVE FURALDEHYDE, LEVULIN ACID AND LIGNINIC DERIVATIVES Download PDFInfo
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Classifications
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Description
PROCEDIMENTO PER LA TOTALE ED EFFICIENTE CONVERSIONE DI ARUNDO PROCEDURE FOR THE TOTAL AND EFFICIENT CONVERSION OF ARUNDO
DONAX A DARE FURALDEIDE, ACIDO LEVULINICO E DERIVATI LIGNINICI DONAX TO GIVE FURALDEHYDE, LEVULINIC ACID AND LIGNIN DERIVATIVES
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce ad un procedimento di efficiente e totale trasformazione chimica acido-catalizzata di Arundo donax, biomassa lignocellulosica di elevate potenzialità , a dare con alte rese furfurale (noto anche come furaldeide ed indicato nel seguito con la sigla FA), acido levulinico (acido 4-oxopentanoico) (anche indicato nel seguito tramite la sigla LA) ed un residuo ligninico utilizzabile per diversi scopi applicativi, nonché alle condizioni di reazione utilizzate per condurre tale conversione. The present invention refers to a process of efficient and total acid-catalyzed chemical transformation of Arundo donax, a lignocellulosic biomass of high potential, to give with high furfural yields (also known as furaldehyde and indicated below with the acronym FA), levulinic acid (4-oxopentanoic acid) (also indicated below by the acronym LA) and a lignin residue that can be used for various application purposes, as well as under the reaction conditions used to carry out this conversion.
L’incremento del costo del petrolio, le sue fluttuazioni di prezzo e sempre minore disponibilità rendono sempre più stringente la necessità di passare da un’economia basata su sorgenti energetiche fossili a materie prime rinnovabili, da impiegare per usi energetici e per la sintesi di prodotti chimici. Non a caso la Comunità Europea ha prefissato che entro il Dicembre 2020 il 20% dei combustibili per autotrazione dovrà provenire da biomasse. La produzione annua di biomasse à ̈ nell’ordine di 2 x 10<11>tonnellate e la loro composizione può essere estremamente variabile. In linea del tutto generale si può indicare come composizione media delle biomasse circa il 35-50 % di cellulosa, il 20-32 % di emicellulosa e il 15-25 % di lignina. L’impiego delle biomasse per la produzione di sostanze non alimentari à ̈ stata recentemente razionalizzata nel vasto concetto di bioraffineria, ovvero il processo integrato che valorizza le biomasse trasformandole in combustibili, energia e prodotti chimici. The increase in the cost of oil, its price fluctuations and less and less availability make the need to move from an economy based on fossil energy sources to renewable raw materials, to be used for energy uses and synthesis of chemicals. It is no coincidence that the European Community has established that by December 2020 20% of fuel for transport must come from biomass. The annual production of biomass is in the order of 2 x 10 <11> tons and their composition can be extremely variable. Generally speaking, the average composition of biomass can be indicated as about 35-50% of cellulose, 20-32% of hemicellulose and 15-25% of lignin. The use of biomass for the production of non-food substances has recently been rationalized in the vast concept of biorefinery, that is the integrated process that enhances biomass by transforming it into fuel, energy and chemical products.
Il presente processo di conversione contemporanea dei pentosani (contenuti nell’emicellulosa) a dare FA e degli esosi (contenuti soprattutto nella cellulosa) in acido levulinico, con il successivo recupero per filtrazione della componente ligninica (Schema 1), si colloca in tale ambito. The present process of simultaneous conversion of pentosans (contained in the hemicellulose) to give FA and of the hexoses (mainly contained in the cellulose) into levulinic acid, with the subsequent recovery by filtration of the ligninic component (Scheme 1), is placed in this context .
Schema 1- Conversione acido catalizzata della biomassa Scheme 1- Acid catalyzed conversion of biomass
La resa massima teorica ponderale in furfurale ottenibile a partire da un pentosano à ̈ del 72,72 %, mentre la resa massima teorica ponderale in acido levulinico ottenibile a partire da cellulosa à ̈ del 71,5 %. La formazione di furfurale a partire dalla biomassa lignocellulosica grezza prevede l’idrolisi acido-catalizzata: le catene polimeriche dei pentosi vengono idrolizzate a pentosi monomerici e questi successivamente disidratati a dare FA. The maximum theoretical weight yield in furfural obtainable starting from a pentosan is 72.72%, while the theoretical maximum weight yield in levulinic acid obtainable starting from cellulose is 71.5%. The formation of furfural starting from the raw lignocellulosic biomass involves acid-catalyzed hydrolysis: the polymer chains of the pentoses are hydrolyzed to monomeric pentoses and these are subsequently dehydrated to give FA.
Analogamente l’acido levulinico à ̈ ottenuto per idrolisi acida della cellulosa: il primo stadio di reazione à ̈ rappresentato dall’idratazione del polisaccaride condensato cellulosa a dare il monosaccaride glucosio, per idrolisi dei legami b-(1-4)glicosidici dei polisaccaridi. Successivamente il glucosio in un meccanismo a più stadi idrolizza fino a dare LA e acido formico. Similarly, levulinic acid is obtained by acid hydrolysis of cellulose: the first reaction stage is represented by the hydration of the condensed cellulose polysaccharide to give the glucose monosaccharide, by hydrolysis of the b- (1-4) glycosidic bonds of the polysaccharides. Subsequently the glucose in a multistage mechanism hydrolyzes to give LA and formic acid.
Quando il processo non à ̈ condotto in condizioni di reazione ottimali accanto a questi prodotti si ha anche la formazione di indesiderati sottoprodotti scuri, solubili o, più spesso, solidi ed appiccicosi, detti “umine†. La loro formazione, oltre ad abbassare anche significativamente la resa del processo, crea notevolissime problematiche dal punto di vista impiantistico perchà ̈ essi provocano notevole sporcamento e fin anche intasamento del reattore e dei separatori, ed inoltre la loro deposizione sulle pareti rende difficile lo scambio termico e quindi il controllo della temperatura di processo, parametro fondamentale per la massimizzazione delle performances catalitiche. When the process is not carried out under optimal reaction conditions, alongside these products there is also the formation of unwanted dark, soluble or, more often, solid and sticky by-products, called â € œumineâ €. Their formation, in addition to significantly lowering the yield of the process, creates considerable problems from the plant engineering point of view because they cause considerable fouling and even clogging of the reactor and separators, and furthermore their deposition on the walls makes heat exchange difficult. and therefore the control of the process temperature, a fundamental parameter for maximizing catalytic performances.
Il processo sopra schematizzato à ̈ particolarmente vantaggioso quando le rese nei diversi prodotti siano elevate e la biomassa impiegata come materia prima sia economicamente ed ambientalmente sostenibile. The process outlined above is particularly advantageous when the yields in the various products are high and the biomass used as raw material is economically and environmentally sustainable.
In tale ambito, in questi ultimi anni, in Italia e all’estero i cambiamenti imposti dalla Politica Agricola Comunitaria hanno favorito l’affermarsi di un’ idea di agricoltura non destinata unicamente agli usi alimentari, ma volta anche alla produzione di materie prime ed ausiliari industriali come alternativa eco-sostenibile ai prodotti di origine chimica. Prevalentemente, le ricerche condotte fino a questo momento su colture lignocellulosiche sono state finalizzate all’impiego di specie annuali quali il sorgo (Sorghum bicolor M.) e perenni quali il miscanto (Miscanthus x giganteus), la canna comune (Arundo donax L.), il cardo (Cynara cardunculus L.) e la Short Rotation Forestry di pioppo (Populus deltoides Bart.) per la produzione di energia rinnovabile attraverso processi di conversione termochimica o biologica. In this context, in recent years, in Italy and abroad, the changes imposed by the Community Agricultural Policy have favored the emergence of an idea of agriculture not intended solely for food uses, but also aimed at the production of raw materials. raw materials and industrial auxiliaries as an eco-sustainable alternative to products of chemical origin. Mainly, the research conducted up to now on lignocellulosic crops has been aimed at the use of annual species such as sorghum (Sorghum bicolor M.) and perennials such as miscanthus (Miscanthus x giganteus), common reed (Arundo donax L. ), thistle (Cynara cardunculus L.) and poplar Short Rotation Forestry (Populus deltoides Bart.) for the production of renewable energy through thermochemical or biological conversion processes.
L'idea che sta alla base della presente invenzione à ̈ invece quella di valorizzare la biomassa di canna comune (Arundo donax L.), specie scelta per molteplici fattori legati ad aspetti produttivi, economici ed ambientali, attraverso la produzione di sostanze chimiche ad alto valore aggiunto impiegando esclusivamente reazioni di conversione catalitica. The idea behind the present invention is instead that of enhancing the biomass of common cane (Arundo donax L.), a species chosen for many factors linked to productive, economic and environmental aspects, through the production of high added value by using only catalytic conversion reactions.
Secondo la classificazione tassonomica la canna comune appartiene alla famiglia delle Poaceae. E’ una specie provvista di radici rizomatose dalle cui gemme hanno origine annualmente nuovi fusti che si sviluppano fino a 5 metri di altezza e che sono rivestiti in gran parte dalla guaina fogliare che si espande in una lunga ed ampia lamina fogliare (foglie alterne, lanceolate e glauche). Sulla parte terminale del culmo si forma una pannocchia costituita da spighette di fiori. L’infiorescenza à ̈ sterile e per questo la riproduzione può avvenire esclusivamente per via vegetativa da rizoma o da talea. According to the taxonomic classification, the common reed belongs to the Poaceae family. It is a species provided with rhizomatous roots from whose buds annually originate new stems that develop up to 5 meters in height and which are largely covered by the leaf sheath that expands into a long and wide leaf plate (alternate leaves, lanceolate and glaucous). On the terminal part of the culm a panicle is formed consisting of spikelets of flowers. The inflorescence is sterile and for this reason the reproduction can take place exclusively by vegetative way from rhizome or from cutting.
Il primo fattore che ha orientato la scelta del substrato verso la canna comune, e che assume un ruolo di importanza fondamentale, Ã ̈ il livello di resa che caratterizza questa specie, oltre 35 t ha<-1>di sostanza secca per anno come media di 15 anni di impianto, che rendono le sue performances produttive nettamente superiori alle altre specie finora proposte per la produzione di biomassa lignocellulosica. The first factor that has oriented the choice of substrate towards the common cane, and which assumes a role of fundamental importance, is the level of yield that characterizes this species, over 35 t ha <-1> of dry matter per year as an average of 15 years of planting, which make its production performances clearly superior to the other species so far proposed for the production of lignocellulosic biomass.
Inoltre, tale specie à ̈ diffusa allo stato spontaneo nell’areale mediterraneo e pertanto il suo inserimento nei sistemi agricoli attuali non comporterebbe alterazioni dell’equilibrio degli ecosistemi coinvolti. Furthermore, this species is widespread spontaneously in the Mediterranean area and therefore its inclusion in the current agricultural systems would not involve alterations in the balance of the ecosystems involved.
Per quanto riguarda la tecnica colturale deve essere sottolineato che la canna comune à ̈ una specie perenne che pertanto necessita di operazioni di messa a dimora della coltura, quali lavorazione del terreno e trapianto dei rizomi, solo nell’anno di impianto mentre, negli anni successivi la gestione colturale può limitarsi ad un intervento di concimazione prima della ripresa vegetativa della coltura e alla raccolta della biomassa prodotta al termine della stagione di crescita. La durata dell’impianto inoltre può arrivare fino a 15 anni. In più, non si può tralasciare che questa coltura presenta scarse esigenza relative agli input colturali: essa, infatti, in ambienti caratterizzati da una buona disponibilità idrica, può essere coltivata in assenza di irrigazione, non presenta elevate esigenze nutrizionali permettendo così una riduzione degli apporti di fertilizzanti, à ̈ molto competitiva nei confronti della flora infestante e pertanto la gestione delle malerbe si può limitare ad interventi di tipo meccanico nell’anno di impianto e attualmente non sono presenti nei nostri ambienti patogeni o insetti dannosi che attaccano questa specie per cui non si deve ricorrere all’impiego di fitofarmaci. As far as the cultivation technique is concerned, it must be emphasized that the common reed is a perennial species which therefore requires planting operations of the crop, such as working the soil and transplanting the rhizomes, only in the year of planting while, over the years subsequent crop management can be limited to a fertilization intervention before the vegetative restart of the crop and to the collection of the biomass produced at the end of the growing season. The duration of the system can also be up to 15 years. In addition, it cannot be overlooked that this crop has little need for crop inputs: in fact, in environments characterized by good water availability, it can be grown in the absence of irrigation, it does not have high nutritional requirements thus allowing a reduction of contributions of fertilizers, it is very competitive with respect to the infesting flora and therefore the management of weeds can be limited to mechanical interventions in the year of planting and currently there are no pathogenic or harmful insects that attack this species in our environments. which should not resort to the use of pesticides.
Questa gestione colturale semplificata che caratterizza la canna comune ha a sua volta ripercussioni positive sul reddito dell’agricoltore, andando a ridurre i costi colturali che quest’ultimo dovrà sostenere e sull’ambiente sia per il limitato impiego di sostanze chimiche quali concimi, erbicidi e fitofarmaci che può contribuire alla salvaguardia dell’agro-ecosistema, al miglioramento delle condizioni di vita degli operatori agricoli e dei generici cittadini e sia per l’aumento dell’efficienza energetica del sistema ovvero del rapporto tra gli output e gli input. Sempre in relazione ai vantaggi ambientali, dobbiamo ricordare anche come la riduzione delle lavorazioni del terreno, limitate al solo anno d’impianto, possa determinare altresì una riduzione dei rischi di erosione del suolo, un aumento del contenuto di carbonio nel terreno, un aumento dell’attività biologica del suolo e anche un incremento dell’attività di numerose specie, soprattutto mammiferi ed insetti che possono trovare dimora nella coltura e favorire così il mantenimento della biodiversità . This simplified crop management that characterizes the common cane has in turn positive repercussions on the farmer's income, reducing the cultivation costs that the latter will have to bear and on the environment both for the limited use of chemical substances such as fertilizers , herbicides and pesticides that can contribute to safeguarding the agro-ecosystem, improving the living conditions of agricultural operators and general citizens and both for increasing the energy efficiency of the system or the ratio between the outputs and the inputs. Still in relation to the environmental advantages, we must also remember how the reduction of tillage, limited to the year of planting only, can also determine a reduction in the risk of soil erosion, an increase in the carbon content in the soil, a increase in the biological activity of the soil and also an increase in the activity of numerous species, especially mammals and insects that can find a home in the crop and thus favor the maintenance of biodiversity.
Non à ̈ mai stato finora riportato in letteratura, scientifica o brevettuale, alcun processo che utilizzi Arundo donax come materia prima per l’ottenimento di furfurale ed acido levulinico. It has never been reported in literature, scientific or patent, any process that uses Arundo donax as raw material for obtaining furfural and levulinic acid.
D’altro canto sono ben pochi in letteratura processi per la co-produzione in rese apprezzabili di FA ed LA a partire da biomassa, in quanto finora generalmente si sono utilizzate biomasse ricche in emicellulosa (contenuto minimo di pentosani 18-20%) per la sola produzione di furfurale, mentre altre biomasse, ricche in cellulosa, sono state impiegate per la produzione di acido levulinico, utilizzando preferenzialmente acido solforico come catalizzatore acido omogeneo. Nei processi finora proposti il residuo di natura ligninica non trova altra valorizzazione, se non quella di essere essiccato ed usato come combustibile, in genere per produrre vapore nell’impianto stesso o di essere trasformato in carbone attivo. On the other hand, there are very few in the literature processes for the co-production in appreciable yields of FA and LA starting from biomass, as up to now generally biomass rich in hemicellulose (minimum content of pentosans 18-20%) have been used to furfural production alone, while other biomasses, rich in cellulose, were used for the production of levulinic acid, preferably using sulfuric acid as a homogeneous acid catalyst. In the processes proposed so far, the lignin residue does not find any other valorization, other than that of being dried and used as a fuel, generally to produce steam in the plant itself or to be transformed into activated carbon.
Non esistono processi sintetici per la produzione industriale di FA. I processi industriali di produzione del furfurale si basano tutti sull’idrolisi di biomasse e sono stati recentemente commentati in una review (A.S. Mamman et al., Furfural: Hemicellulose/xylose-derived biochemical, Biofuels, Bioprod. Bioref. 2008, 2, 438-454). There are no synthetic processes for the industrial production of FA. The industrial processes of furfural production are all based on biomass hydrolysis and have recently been commented on in a review (A.S. Mamman et al., Furfural: Hemicellulose / xylose-derived biochemical, Biofuels, Bioprod. Bioref. 2008, 2, 438-454).
Il catalizzatore più largamente impiegato à ̈ acido solforico al 3-5 % in peso (calcolato come peso di acido/peso di soluzione biomassa), lavorando a temperature di circa 170-185 °C in reattori batch agitati o continui mantenuti sotto pressione con vapore. Le rese in furfurale nei processi industriali in genere variano tra 0.06 e 0.1 g FA/grammo di biomassa secca. The most widely used catalyst is 3-5% by weight sulfuric acid (calculated as weight of acid / weight of biomass solution), working at temperatures of about 170-185 ° C in stirred or continuous batch reactors maintained under pressure with steam. . Furfural yields in industrial processes typically range between 0.06 and 0.1 g FA / gram of dry biomass.
Un brevetto statunitense del 1972 cita per primo la conversione di diversi tipi di biomassa (canna da zucchero, lolla di riso, spiga di avena) a dare furfurale ed acido levulinico in presenza di acido solforico all’1,5% in peso come catalizzatore: non si fa cenno alla frazione ligninica né all’eventuale formazione di sottoprodotti: dalla lolla di riso si ottiene furfurale con resa 7,2 % in peso e acido levulinico con resa 11,65 % in peso. A 1972 US patent mentions the conversion of different types of biomass (sugar cane, rice husk, ear of oats) to give furfural and levulinic acid in the presence of 1.5% by weight sulfuric acid as catalyst : no mention is made of the ligninic fraction or the possible formation of by-products: furfural with a yield of 7.2% by weight and levulinic acid with a yield of 11.65% by weight is obtained from the rice husk.
Recentemente M. Vazquez (Hydrolysis of sorghum straw using phosphoric acid: evaluation of furfural production, Biores. Tech.2007, 98, 3053-3060) ha studiato l’idrolisi della paglia di sorgo in presenza di acido fosforico al 6 %: la resa massima (0.13 g FA/g di biomassa secca) à ̈ stata ottenuta adottando una temperatura di reazione di 134 °C per 300 minuti. Recently M. Vazquez (Hydrolysis of sorghum straw using phosphoric acid: evaluation of furfural production, Biores. Tech. 2007, 98, 3053-3060) studied the hydrolysis of sorghum straw in the presence of 6% phosphoric acid: the maximum yield (0.13 g FA / g of dry biomass) was obtained by adopting a reaction temperature of 134 ° C for 300 minutes.
Un’altra biomassa largamente studiata per la produzione di FA à ̈ la lolla di riso, la materia prima impiegata nei processi industriali attualmente in marcia in Cina: in questo caso l’acido solforico al 7 % in peso à ̈ il catalizzatore adottato. Un lavoro recente ha evidenziato come l’ingegnerizzazione del processo ed in particolare l’estrazione continua con CO2supercritica della FA prodotta permetta di massimizzarne la resa (W. Sangarunlert et al., Furfural production by acid hydrolysis and supercritical carbon dioxide extraction from rice husk, Korean J. Chem. Eng. Another biomass widely studied for the production of FA is rice husk, the raw material used in industrial processes currently underway in China: in this case 7% by weight sulfuric acid is the catalyst adopted . Recent work has shown how the engineering of the process and in particular the continuous extraction with supercritical CO2 of the produced AF allows to maximize its yield (W. Sangarunlert et al., Furfural production by acid hydrolysis and supercritical carbon dioxide extraction from rice husk, Korean J. Chem. Eng.
2007, 24, 936-941). 2007, 24, 936-941).
Anche il nuovo processo SupraYield® punta all’ottimizzazione dell’ingegneria di processo per incrementare le rese in FA, migliorandone gli stadi di separazione e recupero. The new SupraYield® process also aims at optimizing process engineering to increase AF yields by improving separation and recovery stages.
Per quanto invece concerne l’acido levulinico, i più diffusi processi per la sua sintesi impiegano come catalizzatore un acido minerale diluito (in genere scelto tra HCl, H2SO4, HBr o H3PO4) adottando elevate temperature di processo. Le materie prime impiegate in tale processo sono monosaccaridi quali glucosio e fruttosio, ma anche saccarosio e biomasse quali legno o scarti della lavorazione del legno, segatura, amido, cotone, paglia di frumento e di riso, cellulosa vergine, coste di tabacco ed altri prodotti di scarto di origine agricola. Riassumeremo di seguito alcuni dei risultati più interessanti riportati in letteratura su questo processo. As far as levulinic acid is concerned, the most common processes for its synthesis use a dilute mineral acid as catalyst (generally chosen from HCl, H2SO4, HBr or H3PO4) adopting high process temperatures. The raw materials used in this process are monosaccharides such as glucose and fructose, but also sucrose and biomass such as wood or wood processing waste, sawdust, starch, cotton, wheat and rice straw, virgin cellulose, tobacco ribs and other products. of agricultural waste. We will summarize below some of the most interesting results reported in the literature on this process.
Un recente brevetto (W.A. Faraone, J.E. Cuzens, Method for production of levulinic acid and its derivatives (2000) US 6,054,611) riporta l’impiego come materia prima di carta di giornale con un contenuto di cellulosa dell’85%. Tale materiale viene preidrolizzato con acido solforico al 10% così da raggiungere una concentrazione ponderale di cellulosa del 25,5 %, in modo da conseguire in 1,5 ore a 40 °C la decristallizzazione della cellulosa. Successivamente la miscela di reazione viene riscaldata fino a 150 °C e mantenuta per 8 ore a tale temperatura. Si conseguono rese in acido levulinico del 10,9 % in peso rispetto alla materia prima introdotta, corrispondenti al 59,8 % della resa massima teorica ottenibile calcolata sulla base del contenuto cellulosico. E’ evidente da questi dati che le prestazioni rivendicate in questo brevetto mostrano notevoli punti di debolezza nei lunghi tempi globali di reazione richiesti per conseguire rese non elevate, a fronte di un contenuto di cellulosa molto alto del materiale di partenza, che difficilmente può essere definito un rifiuto cellulosico. A recent patent (W.A. Faraone, J.E. Cuzens, Method for production of levulinic acid and its derivatives (2000) US 6,054,611) reports the use as a raw material of newsprint with a cellulose content of 85%. This material is pre-hydrolyzed with 10% sulfuric acid so as to reach a weight concentration of cellulose of 25.5%, in order to achieve the decrystallization of the cellulose in 1.5 hours at 40 ° C. Subsequently the reaction mixture is heated up to 150 ° C and kept for 8 hours at this temperature. Levulinic acid yields of 10.9% by weight are obtained with respect to the raw material introduced, corresponding to 59.8% of the theoretical maximum yield obtainable calculated on the basis of the cellulosic content. It is evident from these data that the performances claimed in this patent show considerable weaknesses in the long overall reaction times required to achieve low yields, against a very high cellulose content of the starting material, which can hardly be defined as a cellulosic waste.
Nel 2002 à ̈ stata riportata (Q. Fang, M.A. Hanna, Experimental studies for levulinic acid production from whole kernel grain sorghum, Bioresource Technology 81 (2002) 187-192) la conversione dei chicchi di sorgo (contenuto di amido 74%), in presenza acido solforico all’8 %, conducendo la reazione a 200 °C. In questa sperimentazione l’acido solforico si à ̈ rivelato un catalizzatore migliore dell’acido cloridrico. Le rese massime rivendicate dagli autori sono del 32,6 % in peso rispetto alla materia prima di partenza. Anche in questo caso bisogna sottolineare che il pregio della materia prima e l’alta concentrazione di acido impiegato inficiano l’economicità del processo. In 2002 the conversion of sorghum grains (starch content 74%) was reported (Q. Fang, M.A. Hanna, Experimental studies for levulinic acid production from whole kernel grain sorghum, Bioresource Technology 81 (2002) 187-192), in the presence of 8% sulfuric acid, carrying out the reaction at 200 ° C. In this experiment, sulfuric acid proved to be a better catalyst than hydrochloric acid. The maximum yields claimed by the authors are 32.6% by weight with respect to the starting raw material. Also in this case it must be emphasized that the quality of the raw material and the high concentration of acid used affect the economy of the process.
Nel 2007 Ã ̈ stato riportato un lavoro di ricerca (C. Chang, P. Cen, X. Ma, Levulinic acid production from wheat straw Bioresource Technology 98 (2007)1448-1453) nel quale viene impiegata come materia prima la paglia di frumento macinata, contenente il 40,4 % di cellulosa. Le condizioni ottimali individuate sono le seguenti: concentrazione iniziale della biomassa pari al 6,4 % in peso; acido solforico al 3,5 %; temperatura di reazione 209,3 °C per 37,6 minuti. In tali condizioni gli autori rivendicano una resa del 19,8 % basata sul peso della materia prima, corrispondente al 68,8 % della resa massima teorica ottenibile calcolata sulla base del contenuto cellulosico. In 2007 a research work was reported (C. Chang, P. Cen, X. Ma, Levulinic acid production from wheat straw Bioresource Technology 98 (2007) 1448-1453) in which wheat straw is used as raw material ground, containing 40.4% cellulose. The optimal conditions identified are the following: initial biomass concentration equal to 6.4% by weight; 3.5% sulfuric acid; reaction temperature 209.3 ° C for 37.6 minutes. Under these conditions the authors claim a yield of 19.8% based on the weight of the raw material, corresponding to 68.8% of the theoretical maximum yield that can be obtained calculated on the basis of the cellulose content.
Per quanto riguarda i processi continui, assai meno estesamente indagati rispetto ai batch, merita essere citato un brevetto per la produzione di acido levulinico in cui viene per la prima volta adottata una tecnologia di estrusione reattiva (V.M Ghorpade, M.A. Hanna, Method and apparatus for production of levulinic acid via reactive extrusion (1999) US Patent 5,859,263). Amido, acqua ed acido solforico vengono premiscelati e lo slurry risultante estruso a temperatura fra 80-150°C usando un estrusore a doppia vite. Con questo tipo di processo vengono rivendicate per l’amido di grano rese ponderali fino ad un massimo del 48 %. Il limite ovvio di questo processo, che dà luogo anche alla formazione di sottoprodotti uminici pur utilizzando una materia prima pregiata quale l’amido, à ̈ rappresentato dalla necessità di impiegare in continuo un costoso estrusore in acciaio speciale. As regards continuous processes, much less extensively investigated than batches, a patent for the production of levulinic acid in which a reactive extrusion technology is adopted for the first time is worth mentioning (V.M Ghorpade, M.A. Hanna, Method and apparatus for production of levulinic acid via reactive extrusion (1999) US Patent 5,859,263). Starch, water and sulfuric acid are premixed and the resulting slurry is extruded at a temperature between 80-150 ° C using a twin screw extruder. With this type of process, weight yields of up to a maximum of 48% are claimed for wheat starch. The obvious limit of this process, which also gives rise to the formation of uminic by-products while using a precious raw material such as starch, is represented by the need to continuously use an expensive special steel extruder.
I brevetti su cui si basa la tecnologia Biofine (S.W. Fitzpatrick Production of levulinic acid from carbohydrate-containing materials US Patent 4,897,497 (1990) e US Patent 5,608,105 (1997)) descrivono un processo in continuo a partire da materie prime quali carta di risulta con contenuto di cellulosa dell’80 %, legno ed altre materie prime lignocellulosiche. La materia prima, premiscelata con acido solforico al 2-7 %, viene alimentata continuamente a due reattori posti in cascata. Nel primo reattore, operante a 210-220 °C, i carboidrati subiscono una idrolisi preliminare con un tempo di residenza di 12-25 secondi. In questo reattore tubolare, non agitato, dovrebbe verificarsi la depolimerizzazione della materia prima e la pre-idrolisi dei pentosi a furfurale e degli esosi a 5-idrossimetilfuraldeide. Il flusso uscente da questo reattore viene continuamente alimentato ad un secondo reattore agitato operante a temperatura più bassa (190-200 °C) ma con un tempo di residenza assai superiore (20 minuti), dove si completa l’idrolisi ad acido levulinico. I sottoprodotti solidi vengono quindi rimossi con un filtro-pressa e l’acido levulinico purificato per distillazione. L’autore rivendica una resa fino al 62 % in peso in acido levulinico impiegando come materia prima una carta da macero contenente l’80 % di cellulosa, una materia prima ad alto contenuto cellulosico che non può essere definita uno scarto di processo di cartiera. Inoltre l’impiego di due diversi reattori costruiti in materiali speciali data la corrosività dell’ambiente di reazione rende sicuramente complessa ed onerosa la gestione del processo. Lo stesso autore riporta anche la possibilità di ottenere da hardwood sia furfurale che acido levulinico, ed in tal caso gli autori rivendicano il fatto che l’aggiunta di 100 ppm di solfito di sodio alla miscela di reazione, contenente acido solforico al 3,7 % in peso, dovrebbe essere in grado di prevenire l’intasamento del reattore ad opera dei sottoprodotti. Di tale effetto non à ̈ fornita alcuna spiegazione, anche perchà ̈ gli autori, pur usando una biomassa contenente il 13 % di ceneri ed il 24 % di lignina, in tale brevetto non fanno cenno ai sicuramente presenti residui solidi o sottoprodotti. The patents on which the Biofine technology is based (S.W. Fitzpatrick Production of levulinic acid from carbohydrate-containing materials US Patent 4,897,497 (1990) and US Patent 5,608,105 (1997)) describe a continuous process starting from raw materials such as waste paper with 80% cellulose content, wood and other lignocellulosic raw materials. The raw material, premixed with 2-7% sulfuric acid, is continuously fed to two reactors placed in cascade. In the first reactor, operating at 210-220 ° C, the carbohydrates undergo a preliminary hydrolysis with a residence time of 12-25 seconds. In this unstirred tubular reactor, raw material depolymerization and pre-hydrolysis of pentoses to furfural and hexoses to 5-hydroxymethylfuraldehyde should occur. The flow leaving this reactor is continuously fed to a second stirred reactor operating at a lower temperature (190-200 ° C) but with a much longer residence time (20 minutes), where the hydrolysis with levulinic acid is completed. The solid by-products are then removed with a filter press and the purified levulinic acid by distillation. The author claims a yield of up to 62% by weight in levulinic acid using as raw material a waste paper containing 80% of cellulose, a raw material with a high cellulosic content that cannot be defined as waste from the process paper mill. Furthermore, the use of two different reactors built in special materials, given the corrosiveness of the reaction environment, certainly makes the management of the process complex and burdensome. The same author also reports the possibility of obtaining both furfural and levulinic acid from hardwood, and in this case the authors claim that the addition of 100 ppm of sodium sulphite to the reaction mixture, containing sulfuric acid at 3.7 % by weight, it should be able to prevent clogging of the reactor by by-products. No explanation is provided for this effect, also because the authors, despite using a biomass containing 13% of ash and 24% of lignin, in this patent do not mention the solid residues or by-products that are certainly present.
Infine à ̈ stato recentemente brevettato un processo (A.M. Raspolli Galletti et al., It. Pat. Appl. CE 2008A000002) in cui la conversione di biomasse di scarto, quali le costole di tabacco e i reflui di cartiera, veniva ottimizzata operando in presenza di acido cloridrico e sali inorganici. Nella conversione delle costole di tabacco si raggiungeva una resa in acido levulinico del 60 % rispetto alla cellulosa introdotta, ovvero l’83,9 % della resa massima teoricamente ottenibile. In tale brevetto veniva perseguita solo la valorizzazione della frazione cellulosica. Finally, a process has recently been patented (A.M. Raspolli Galletti et al., It. Pat. Appl. CE 2008A000002) in which the conversion of waste biomass, such as tobacco ribs and paper mill waste, was optimized by operating in the presence of hydrochloric acid and inorganic salts. In the conversion of the tobacco ribs, a levulinic acid yield of 60% was reached with respect to the cellulose introduced, or 83.9% of the theoretically obtainable maximum yield. In this patent, only the enhancement of the cellulosic fraction was pursued.
Tutti i processi finora descritti per la sintesi di FA ed LA riportano l’impiego come catalizzatori di acidi forti inorganici impiegati in fase omogenea prevalentemente per la conversione di soluzioni o sospensioni acquose. Bisogna però ricordare che sono riportati in letteratura anche svariati lavori che impiegano, per la conversione di soluzioni acquose di xilosio, glucosio, fruttosio o saccarosio, catalizzatori eterogenei quali zeoliti o resine a scambio ionico acide (K. Lourvanij, G.L. Rorrer, Dehydration of Glucose to Organic-Acids in Microporous Pillared Clays Catalyst, Applied Catal. A: General 1994, 109, 147-165; A.S. Dias et al, Modified versions of sulfated zirconia as catalyst for the conversion of xylose to furfural, Cat. Lett.2007, 114, 151-160). Questo approccio risulta però inapplicabile quando la materia prima di partenza sia a sua volta insolubile in acqua ed inoltre presenta le notevoli limitazioni connesse con l’alto costo e la facile disattivabilità , per fenomeni termici o per sporcamente superficiale, dei catalizzatori eterogenei. In alternativa à ̈ stato proposto l’approccio di abbinare un primo stadio di idrolisi acida omogenea della biomassa grezza a dare xilosio o glucosio, seguita dalla disidratazione in catalisi acida eterogenea di questi ultimi carboidrati. Questa assai più complessa metodologia non evita comunque l’impiego dell’acido omogeneo e mantiene comunque le limitazioni sopracitate connesse con gli acidi eterogenei. All the processes described so far for the synthesis of FA and LA show the use as catalysts of strong inorganic acids used in the homogeneous phase mainly for the conversion of aqueous solutions or suspensions. However, it must be remembered that various works are also reported in the literature which use, for the conversion of aqueous solutions of xylose, glucose, fructose or sucrose, heterogeneous catalysts such as zeolites or acid ion exchange resins (K. Lourvanij, G.L. Rorrer, Dehydration of Glucose to Organic-Acids in Microporous Pillared Clays Catalyst, Applied Catal. A: General 1994, 109, 147-165; A.S. Dias et al, Modified versions of sulfated zirconia as catalyst for the conversion of xylose to furfural, Cat. Lett. 2007, 114, 151-160). However, this approach is inapplicable when the starting raw material is in turn insoluble in water and also has the considerable limitations associated with the high cost and the easy deactivation, due to thermal phenomena or a dirty surface, of the heterogeneous catalysts. Alternatively, the approach has been proposed of combining a first stage of homogeneous acid hydrolysis of the raw biomass to give xylose or glucose, followed by the dehydration in heterogeneous acid catalysis of the latter carbohydrates. However, this much more complex methodology does not avoid the use of homogeneous acid and still maintains the aforementioned limitations connected with heterogeneous acids.
E’dunque scopo della presente invenzione fornire un processo catalitico semplice ed efficiente per la conversione totale di biomasse a dare furfurale, acido levulinico ed un residuo ligninico reattivo con rese elevate, minimizzando la formazione di sottoprodotti, in particolare di tipo uminico. It is therefore an object of the present invention to provide a simple and efficient catalytic process for the total conversion of biomass to give furfural, levulinic acid and a reactive ligninic residue with high yields, minimizing the formation of by-products, in particular of the uminic type.
Uno scopo particolare della presente invenzione à ̈ la messa a punto di un processo catalitico del tipo summenzionato senza che si abbia sporcamento o intasamento del reattore. A particular object of the present invention is to set up a catalytic process of the aforementioned type without fouling or clogging of the reactor.
Nel procedimento secondo la presente invenzione come biomassa viene usata arundo donax in sospensione acquosa e come catalizzatore della conversione vengono usati acidi protici o loro combinazioni, ad alta temperature. Acidi protici adatti all'impiego nel procedimento secondo la presente invenzione sono gli acidi cloridrico, fosforico, bromidrico, formico, acetico e ossalico. Di preferenza viene usato acido cloridrico in bassa concentrazione (1-5 % in peso e preferibilmente 1,5-3 %). In the process according to the present invention arundo donax in aqueous suspension is used as biomass and protic acids or combinations thereof, at high temperatures, are used as conversion catalyst. Protic acids suitable for use in the process according to the present invention are hydrochloric, phosphoric, hydrobromic, formic, acetic and oxalic acids. Preferably low concentration hydrochloric acid is used (1-5% by weight and preferably 1.5-3%).
La conversione della biomassa a furfurale viene preferibilmente condotta sottoponendo la sospensione acquosa della biomassa addizionata dell’acido, ad uno stadio di preriscaldamento ad una temperatura compresa tra 70 e 180 °C e preferibilmente tra 90 e 160 °C sotto pressione di azoto e/o vapore per un tempo compreso tra 15 minuti e 2 ore e preferibilmente tra 15 e 60 minuti. Tale stadio permette la conversione dei pentosani presenti nell’emicellulosa a dare FA, che viene rimossa dall’ambiente di reazione per estrazione selettiva con solvente, oppure ricorrendo ad altre tecniche separative quali ad esempio l’ estrazione con CO2supercritica o la distillazione in corrente di vapore. Il processo à ̈ poi proseguito sulla sospensione acquosa acida residua sottoponendola ad un successivo stadio di conversione della componente cellulosica a dare acido levulinico. Tale secondo stadio di idrolisi viene condotto a più alta temperatura, compresa tra 150 e 250 °C, e preferibilmente tra 180 e 220 °C operando sotto pressione di azoto e/o vapore per un tempo compreso tra 15 minuti e 2 ore e preferibilmente tra 15 e 90 minuti ed eventualmente incrementando l’acidità del mezzo di reazione rispetto allo stadio precedente. The conversion of the biomass to furfural is preferably carried out by subjecting the aqueous suspension of the biomass with the addition of acid, to a preheating stage at a temperature between 70 and 180 ° C and preferably between 90 and 160 ° C under nitrogen pressure and / or steam for a time between 15 minutes and 2 hours and preferably between 15 and 60 minutes. This stage allows the conversion of the pentosans present in the hemicellulose to give FA, which is removed from the reaction environment by selective extraction with solvent, or by resorting to other separative techniques such as extraction with supercritical CO2 or distillation in steam current. The process is then continued on the residual acidic aqueous suspension, subjecting it to a subsequent stage of conversion of the cellulosic component to give levulinic acid. This second hydrolysis stage is carried out at a higher temperature, between 150 and 250 ° C, and preferably between 180 and 220 ° C, operating under nitrogen and / or steam pressure for a time between 15 minutes and 2 hours and preferably between 15 and 90 minutes and possibly increasing the acidity of the reaction medium with respect to the previous stage.
I due stadi di idrolisi acida, che portano rispettivamente a FA ed a LA, possono essere condotti vantaggiosamente in un unico reattore oppure in due reattori in sequenza. The two stages of acid hydrolysis, which lead to FA and LA respectively, can be advantageously carried out in a single reactor or in two sequential reactors.
Al termine del secondo stadio di idrolisi acida il residuo solido viene rimosso per filtrazione e caratterizzato tramite diverse tecniche analitiche, tra cui la termogravimetria in atmosfera di azoto e di aria (Mettler TA 4000 equipaggiato con termobilancia TG50/M3) ed un sistema Py-GC/MS (Gas cromatografo Agilent GC System 6890N con rivelatore a spettrometria di massa a quadrupolo Agilent MS 5973-Network, equipaggiato con un pirolizzatore CDS Pyroprobe 5000). Grazie a queste tecniche, in modo rapido e quantitativo, à ̈ stato possibile valutare il grado di conversione di cellulosa ed emicellulosa alle temperature adottate per le reazioni di conversione catalitica. La Py-GC/MS consente di valutare l’evoluzione della frazione ligninica al termine dei due stadi di conversione catalitica. In particolare, à ̈ stata dimostrata la formazione di composti a più basso peso molecolare corrispondenti alle unità monomeriche costituenti la lignina, tramite la scissione di legami in seguito ai trattamenti termici subiti dal materiale. Tale fattore conferisce al residuo ligninico recuperato una natura sicuramente più polare in quanto nel corso della reazione di conversione la lignina subisce una sorta di depolimerizzazione che conduce alla formazione di unità ricche di gruppi fenolici liberi. Questo fa sì che il residuo solido del processo di idrolisi acida (contenente le ceneri presenti nella biomassa e tutta la lignina in forma parzialmente depolimerizzata) sia vantaggiosamente utilizzabile per numerosi scopi applicativi, tra cui la sintesi di polimeri quali poliesteri e poliuretani, di compositi e come additivo antiossidante. At the end of the second stage of acid hydrolysis, the solid residue is removed by filtration and characterized by various analytical techniques, including thermogravimetry in a nitrogen and air atmosphere (Mettler TA 4000 equipped with a TG50 / M3 thermobalance) and a Py-GC system / MS (Agilent GC System 6890N Gas Chromatograph with Agilent MS 5973-Network Quadrupole Mass Spectrometry Detector, equipped with a CDS Pyroprobe 5000 pyrolyzer). Thanks to these techniques, in a rapid and quantitative way, it was possible to evaluate the degree of conversion of cellulose and hemicellulose at the temperatures adopted for the catalytic conversion reactions. The Py-GC / MS allows to evaluate the evolution of the lignin fraction at the end of the two stages of catalytic conversion. In particular, the formation of compounds with a lower molecular weight corresponding to the monomer units constituting the lignin has been demonstrated, through the splitting of bonds following the heat treatments undergone by the material. This factor gives the recovered lignin residue a certainly more polar nature as during the conversion reaction the lignin undergoes a sort of depolymerization which leads to the formation of units rich in free phenolic groups. This means that the solid residue of the acid hydrolysis process (containing the ashes present in the biomass and all the lignin in partially depolymerized form) can be advantageously used for numerous application purposes, including the synthesis of polymers such as polyesters and polyurethanes, of composites and as an antioxidant additive.
Il procedimento di ottenimento di FA ed LA a partire da arundo donax secondo la presente invenzione consente rispetto alla tecnica nota di valorizzare con alta resa quantitativa la frazione emicellulosica e cellulosica della biomassa stessa, fornendo un approccio semplice ed efficiente alla valorizzazione integrale di un substrato altamente competitivo quale l’arundo donax. Il processo proposto consente altresì di evitare l’impiego di acido solforico che causa la precipitazione di solfati insolubili. Naturalmente il processo proposto può anche essere impiegato per l'ottenimento di solo Fa o di solo LA operando alle rispettive temperature di conversione e scartando i sottoprodotti indesiderati. The process for obtaining FA and LA starting from arundo donax according to the present invention allows, with respect to the known technique, to enhance the hemicellulosic and cellulosic fraction of the biomass itself with a high quantitative yield, providing a simple and efficient approach to the integral enhancement of a highly competitive as the arundo donax. The proposed process also makes it possible to avoid the use of sulfuric acid which causes the precipitation of insoluble sulphates. Of course, the proposed process can also be used to obtain only Fa or only LA by operating at the respective conversion temperatures and discarding unwanted by-products.
Vantaggiosamente il processo secondo la presente invenzione evita la formazione dei sottoprodotti uminici solidi che abbasserebbero le rese e renderebbero assai più complessa ed onerosa la gestione del processo industriale. Advantageously, the process according to the present invention avoids the formation of solid uminic by-products which would lower yields and make the management of the industrial process much more complex and burdensome.
Il processo secondo la presente invenzione può essere condotto tanto in reattore batch agitato che in reattore continuo senza che il tipo di processo adottato modifichi le prestazioni raggiunte. In ogni caso il reattore non presenta problematiche di incrostazioni dovute ai sottoprodotti solidi uminici o inorganici. Il catalizzatore acido impiegato può essere riciclato dopo allontanamento di FA ed LA dall’ambiente di reazione, contenendo così il consumo di acido ed il suo impatto ambientale. The process according to the present invention can be carried out both in a stirred batch reactor and in a continuous reactor without the type of process adopted modifying the performances achieved. In any case, the reactor does not present problems of encrustations due to solid uminic or inorganic by-products. The acid catalyst used can be recycled after removal of FA and LA from the reaction environment, thus limiting the consumption of acid and its environmental impact.
La conversione catalitica della biomassa può essere condotta sia attraverso riscaldamento tradizionale che tramite irradiazione in microonde della sospensione acquosa. Tale metodologia permette un significativo risparmio energetico (fino a 85 volte rispetto al riscaldamento tradizionale) e notevole abbreviazione dei tempi di reazione (D. Dallinger et al., Microwave-assisted synthesis in water as solvent, Chem. Rev. 2007, 107, 2563) e risulta particolarmente interessante, nell’ottica di un processo sostenibile, quando si operi in mezzo di reazione acquoso. The catalytic conversion of biomass can be carried out either by traditional heating or by microwave irradiation of the aqueous suspension. This methodology allows significant energy savings (up to 85 times compared to traditional heating) and significant shortening of reaction times (D. Dallinger et al., Microwave-assisted synthesis in water as solvent, Chem. Rev. 2007, 107, 2563 ) and is particularly interesting, from the point of view of a sustainable process, when operating in an aqueous reaction medium.
Il furfurale ottenuto secondo la presente invenzione trova vastissime applicazioni: come additivo per carburanti, come solvente selettivo anche nei processi petrolchimici di larga scala, e come intermedio per la sintesi di derivati furanici ad alto valore aggiunto. In particolare il prodotto di idrogenazione del furfurale, l’alcol furfurilico, à ̈ la materia prima di partenza per la sintesi dei biopolimeri furanici. The furfural obtained according to the present invention finds vast applications: as an additive for fuels, as a selective solvent also in large-scale petrochemical processes, and as an intermediate for the synthesis of furan derivatives with high added value. In particular, the furfural hydrogenation product, furfuryl alcohol, is the starting raw material for the synthesis of furan biopolymers.
L’acido levulinico ottenuto secondo la presente invenzione à ̈ utile in numerose applicazioni come, ad esempio, plasticizzante, anticongelante, solvente, aromatizzante per il cibo, materia prima di partenza per la produzione di fine chemicals. Infatti estremamente numerose risultano le applicazioni industriali dei derivati dell’LA. The levulinic acid obtained according to the present invention is useful in numerous applications such as, for example, plasticizer, anti-freeze, solvent, flavoring for food, starting raw material for the production of fine chemicals. In fact, the industrial applications of AL derivatives are extremely numerous.
Dal punto di vista chimico l’acido levulinico si comporta come una qualsiasi altra molecola che presenta nella sua struttura un gruppo carbossilico ed un gruppo chetonico. From the chemical point of view, levulinic acid behaves like any other molecule which has a carboxylic group and a ketone group in its structure.
In presenza di un alcol e di un catalizzatore acido LA forma rapidamente il corrispondente derivato estereo. Tali esteri, in particolare l’etil levulinato, trovano applicazione come plasticizzanti, nell’industria dei profumi e, soprattutto, come additivo ossigenato per combustibile diesel (E.S. Olson, M. R. Kjelden, A. J. Schlag, R. K. Sharma Levulinate esters from biomass wastes, ACS Symposium Series 2001, 784, 51-63). Gli esteri dell’acido levulinico possono inoltre sostituire il kerosene come combustibile per le turbine a gas. In the presence of an alcohol and an acid catalyst LA rapidly forms the corresponding ester derivative. These esters, in particular ethyl levulinate, find application as plasticizers, in the perfume industry and, above all, as an oxygenated additive for diesel fuel (E.S. Olson, M. R. Kjelden, A. J. Schlag, R. K. Sharma Levulinate esters from biomass wastes, ACS Symposium Series 2001, 784, 51-63). Levulinic acid esters can also replace kerosene as a fuel for gas turbines.
Il gamma-valerolattone, il prodotto di idrogenazione dell’acido levulinico, à ̈ stato recentemente proposto come additivo sostenibile per carburanti e come più vantaggiosa alternativa al bioetanolo (I.T. Horváth et al., g-Valerolactone-a sustainable liquid for energy and carbon-based chemicals, Green Chem.2008, 10, 238-242). Gamma-valerolactone, the hydrogenation product of levulinic acid, has recently been proposed as a sustainable additive for fuels and as a more advantageous alternative to bioethanol (I.T. Horváth et al., G-Valerolactone-a sustainable liquid for energy and carbon-based chemicals, Green Chem. 2008, 10, 238-242).
Da quanto precede sono evidenti i vantaggi che il metodo secondo la presente invenzione consente di ottenere. L’invenzione verrà nel seguito descritta per tramite degli esempi dimostrativi numerati da 1 a 8 senza tuttavia che sia limitata ad essi, bensì si intende che si possono variare le quantità e percentuali dei reagenti descritti, così come il tipo di reattori impiegati pur rimanendo nell’ambito della presente invenzione. From the foregoing the advantages that the method according to the present invention allows to obtain are evident. The invention will be described in the following by means of the demonstrative examples numbered from 1 to 8 without however being limited to them, but it is understood that the quantities and percentages of the described reagents can be varied, as well as the type of reactors used while remaining within the scope of the present invention.
Esempio 1 Example 1
In un’autoclave da 100 ml dotata di termocoppia per la lettura della temperatura interna, agitazione magnetica e rubinetti per il caricamento dei gas, viene introdotta una sospensione costituita da 35 ml di acqua, 1.4 ml di HCl al 37 % e 2,5 g di biomassa polverizzata ottenuta dalla macinazione di stelo e foglie di Arundo donax. L’autoclave viene pressurizzata con azoto e/o vapore ed introdotta in un bagno ad olio termostatato preventivamente portato alla temperatura di reazione prescelta. A suspension consisting of 35 ml of water, 1.4 ml of 37% and 2.5 HCl is introduced into a 100 ml autoclave equipped with a thermocouple for reading the internal temperature, magnetic stirring and taps for filling gases. g of pulverized biomass obtained by grinding the stem and leaves of Arundo donax. The autoclave is pressurized with nitrogen and / or steam and introduced into a thermostated oil bath previously brought to the chosen reaction temperature.
L’autoclave viene mantenuta a 150 °C per 30 minuti. Al termine della reazione l’autoclave viene rapidamente raffreddata, scaricata e la sospensione ottenuta, filtrata ed analizzata. The autoclave is kept at 150 ° C for 30 minutes. At the end of the reaction the autoclave is rapidly cooled, discharged and the suspension obtained, filtered and analyzed.
Si osserva una resa in furfurale del 9,6 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta . A furfural yield of 9.6% by weight is observed with respect to the introduced dry biomass.
Esempio 2 Example 2
La prova descritta nell’esempio 1 viene ripetuta in maniera del tutto analoga a come riportato, usando come substrato 2,5 grammi di Arundo donax polverizzata, con l’eccezione che al termine della reazione il furfurale viene allontanato per estrazione con solvente e la sospensione acquosa residua riscaldata per ulteriori 60 minuti a 200 °C. Al termine della reazione non si riscontra la deposizione di prodotti uminici. L’autoclave viene rapidamente raffreddata, scaricata e la sospensione ottenuta filtrata ed analizzata. L’analisi fa riscontrare una resa in acido levulinico del 20.1 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta. Viene anche separato per filtrazione un solido, facilmente filtrabile, contenente ceneri e frazione ligninica (resa in solido residuo 29 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta). Tale solido all’analisi Py-GC/MS ed all’analisi termica risulta contenere lignina parzialmente depolimerizzata ricca di gruppi fenolici liberi e le ceneri residue, che sono circa il 4 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta. The test described in example 1 is repeated in the same way as reported, using 2.5 grams of pulverized Arundo donax as substrate, with the exception that at the end of the reaction the furfural is removed by solvent extraction and the residual aqueous suspension heated for a further 60 minutes at 200 ° C. At the end of the reaction there is no deposition of uminic products. The autoclave is rapidly cooled, discharged and the suspension obtained is filtered and analyzed. The analysis shows a levulinic acid yield of 20.1% by weight with respect to the introduced dry biomass. A solid, easily filterable, containing ash and lignin fraction is also separated by filtration (yield in residual solid 29% by weight with respect to the dry biomass introduced). Upon Py-GC / MS analysis and thermal analysis, this solid appears to contain partially depolymerized lignin rich in free phenolic groups and residual ash, which is about 4% by weight with respect to the dry biomass introduced.
Esempio 3 Example 3
La prova descritta nell’esempio 2 viene ripetuta impiegando come substrato 3.6 grammi di steli polverizzati di arundo donax, contenenti il 29,2 % di emicellulosa e il 36,6 % di cellulosa, in sospensione di 50 ml di acqua e 2 ml di HCl al 37 % . Al termine del primo stadio di conversione la resa in furfurale risulta del 10,3 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta, corrispondente ad una resa pari al 48,5 % della resa massima teoricamente ottenibile dall’emicellulosa presente nella biomassa. Dopo estrazione del furfurale la sospensione residua à ̈ stata sottoposta al successivo stadio di idrolisi a 200 °C: si ottiene una resa in LA del 21,4 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta, ovvero l’81,7% della resa massima teoricamente raggiungibile dalla cellulosa presente nella biomassa. Viene anche separato per filtrazione un solido, facilmente filtrabile, contenente ceneri (3.7 %) e derivati ligninici. La resa in tale prodotto solido à ̈ del 27 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta. The test described in example 2 is repeated using 3.6 grams of pulverized stems of arundo donax as substrate, containing 29.2% of hemicellulose and 36.6% of cellulose, in suspension of 50 ml of water and 2 ml of 37% HCl. At the end of the first conversion stage, the furfural yield is 10.3% by weight with respect to the dry biomass introduced, corresponding to a yield equal to 48.5% of the maximum yield theoretically obtainable from the hemicellulose present in the biomass. After extraction of the furfural, the residual suspension was subjected to the subsequent hydrolysis stage at 200 ° C: a yield in LA of 21.4% by weight is obtained with respect to the dry biomass introduced, or 81.7% of the yield maximum theoretically achievable by cellulose present in biomass. A solid, easily filterable, containing ash (3.7%) and lignin derivatives is also separated by filtration. The yield in this solid product is 27% by weight with respect to the dry biomass introduced.
Esempio 4 Example 4
La prova descritta nell’esempio 3 viene ripetuta impiegando come substrato 3.6 grammi di foglie polverizzate di arundo donax, contenenti il 26,03 % di emicellulosa e il 32,8 % di cellulosa, in sospensione di 50 ml di acqua e 2 ml di HCl al 37 %. Al termine del primo stadio di conversione la resa in furfurale risulta del 7,3 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta, corrispondente ad una resa pari al 38,5% della resa massima teoricamente ottenibile dall’emicellulosa presente nella biomassa. Dopo estrazione del furfurale la sospensione residua à ̈ stata sottoposta al successivo stadio di idrolisi a 200 °C: si ottiene una resa in LA del 15,7 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta, ovvero 66,9% della resa massima teoricamente raggiungibile dalla cellulosa presente nella biomassa. The test described in example 3 is repeated using 3.6 grams of pulverized leaves of arundo donax as substrate, containing 26.03% of hemicellulose and 32.8% of cellulose, in suspension of 50 ml of water and 2 ml of 37% HCl. At the end of the first conversion stage, the furfural yield is 7.3% by weight with respect to the dry biomass introduced, corresponding to a yield equal to 38.5% of the maximum yield theoretically obtainable from the hemicellulose present in the biomass. After extraction of the furfural, the residual suspension was subjected to the subsequent hydrolysis stage at 200 ° C: an LA yield of 15.7% by weight is obtained with respect to the dry biomass introduced, i.e. 66.9% of the theoretically achievable maximum yield. from the cellulose present in the biomass.
Esempio 5 Example 5
La prova descritta nell’esempio 3 viene ripetuta in maniera del tutto analoga a come descritto, impiegando come substrato 3.6 grammi di steli polverizzati di arundo donax, con la differenza che anziché in un’autoclave riscaldata tradizionalmente, viene condotta in un reattore microonde (Reattore CEM Discover S-class system) agitato magneticamente, adottando le temperature di reazione prefissate per i due stadi, 150 e 200 °C, con un tempo di irradiazione di 15 minuti per ciascun stadio ed eseguendo l’ estrazione intermedia della furaldeide formata. Al termine del primo stadio di conversione catalitica, la resa in furfurale isolato risulta il 10,6 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta, corrispondente ad una resa pari al 50 % della resa massima teoricamente ottenibile dall’emicellulosa presente nella biomassa. Al termine del secondo stadio di conversione catalitica, la resa in acido levulinico risulta il 24,6 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta, corrispondente ad una resa pari al 94 % della resa massima teoricamente ottenibile dalla cellulosa presente nella biomassa. Viene anche separato per filtrazione un prodotto solido, facilmente filtrabile, contenente ceneri e derivati ligninici. La resa in tale prodotto solido à ̈ del 26.3 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta. The test described in example 3 is repeated in the same way as described, using 3.6 grams of pulverized stems of arundo donax as substrate, with the difference that instead of in a traditionally heated autoclave, it is conducted in a reactor microwave (CEM Discover S-class system reactor) stirred magnetically, adopting the reaction temperatures set for the two stages, 150 and 200 ° C, with an irradiation time of 15 minutes for each stage and performing the intermediate extraction of the furaldehyde formed. At the end of the first stage of catalytic conversion, the yield in isolated furfural is 10.6% by weight with respect to the dry biomass introduced, corresponding to a yield equal to 50% of the maximum yield theoretically obtainable from the hemicellulose present in the biomass. At the end of the second stage of catalytic conversion, the yield in levulinic acid is 24.6% by weight with respect to the dry biomass introduced, corresponding to a yield equal to 94% of the maximum yield theoretically obtainable from the cellulose present in the biomass. A solid, easily filterable product containing ashes and lignin derivatives is also separated by filtration. The yield in this solid product is 26.3% by weight with respect to the dry biomass introduced.
Esempio 6 Example 6
La prova descritta nell’esempio 5 à ̈ stata replicata in condizioni di reazione del tutto identiche, fatto salvo il fatto che stavolta per il secondo stadio di irradiazione viene adottata una temperatura di 190 °C. La resa in furfurale rimane ovviamente identica a quella rivendicata nell’esempio 5 (10,6 % in peso), mentre la resa in acido levulinico risulta del 21,9 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta. La resa in prodotto solido ligninico residuo à ̈ del 27,2 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta. The test described in example 5 was replicated under completely identical reaction conditions, except for the fact that this time a temperature of 190 ° C is adopted for the second irradiation stage. The furfural yield obviously remains identical to that claimed in example 5 (10.6% by weight), while the yield in levulinic acid is 21.9% by weight with respect to the dry biomass introduced. The residual lignin solid product yield is 27.2% by weight with respect to the introduced dry biomass.
Esempio 7 Example 7
La prova descritta nell’esempio 5 à ̈ stata replicata in condizioni di reazione del tutto identiche, fatto salvo il fatto che stavolta si sono usati come substrato 2,5 g di biomassa polverizzata ottenuta dalla macinazione di stelo e foglie di Arundo donax. Si riscontra una resa in furfurale del 9,9 % ed una resa in acido levulinico del 20,5 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta. La resa in prodotto solido ligninico residuo à ̈ del 29,2 % in peso rispetto alla biomassa secca introdotta. The test described in example 5 was replicated under completely identical reaction conditions, except for the fact that this time 2.5 g of pulverized biomass obtained from the grinding of stem and leaves of Arundo donax were used as substrate. There is a furfural yield of 9.9% and a levulinic acid yield of 20.5% by weight with respect to the introduced dry biomass. The residual lignin solid product yield is 29.2% by weight with respect to the introduced dry biomass.
Esempio 8 Example 8
La prova descritta nell'esempio 7 à ̈ stata replicata in condizioni di reazione del tutto identiche, fatto salvo che stavolta sono stati usati come catalizzatore 0,8 ml di HCl al 37% e 0,5 ml di H3PO4all'85%. Si riscontra una resa in furfurale del 10% ed una resa in acido levulinico del 20,7% in peso rispetto alla biomassa secca introdotta. La resa in prodotto solido ligninico residuo à ̈ del 30% in peso rispetto alla biomassa secca introdotta. The test described in example 7 was replicated under completely identical reaction conditions, except that this time 0.8 ml of 37% HCl and 0.5 ml of 85% H3PO4 were used as catalyst. There is a furfural yield of 10% and a levulinic acid yield of 20.7% by weight with respect to the introduced dry biomass. The residual lignin solid product yield is 30% by weight with respect to the introduced dry biomass.
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- 2009-09-29 IT ITFI2009A000210A patent/IT1395912B1/en active
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IT1395912B1 (en) | 2012-11-02 |
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