Исследователи СФУ обнаружили ключевые различия в работе катализаторов для переработки целлюлозы. Открытие может помочь в создании более эффективных и экологичных технологий производства биотоплива и химических продуктов.
Ученые Сибирского федерального университета и Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН провели исследование, которое показало принципиальные различия в механизмах гидролиза целлюлозы на катализаторах с разной кислотностью. Результаты работы опубликованы в научном журнале.
Как рассказали в пресс-службе вуза, открытие позволяет лучше понять процессы превращения целлюлозы в ценные химические продукты и биотопливо, что может способствовать развитию эффективных и экологически безопасных технологий переработки биомассы. Так как традиционные методы переработки растительной биомассы создают высокую нагрузку на окружающую среду. Известные примеры — это карты-накопители шлам-лигнина Байкальского целлюлозно-бумажного комбината и отвалы лигнина Канского биотехнологического завода.
Гидролиз целлюлозы — ключевой этап производства этанола и других ценных продуктов из растительной биомассы. Однако существующие технологии имеют серьезные экологические недостатки:
- при производстве используется серная кислота, которую после реакции необходимо нейтрализовать и утилизировать;
- процесс приводит к образованию опасных отходов, как в случае с картами-накопителями Байкальского ЦБК;
- высокая коррозийная активность кислоты повреждает оборудование.
В качестве более экологичной альтернативы ученые предлагают использовать твердые кислотные катализаторы:
- их можно отделить от продуктов простой фильтрацией;
- катализаторы устойчивы к коррозии;
- возможность многократного использования снижает себестоимость процесса.
Исследование выявило важную роль способности катализаторов формировать двойной электрический слой — область с высокой концентрацией ионов у поверхности.
«С 2008 года известно, что твёрдые кислоты имеют высокую эффективность в гидролизе целлюлозы, но было неочевидно, как могут взаимодействовать между собой твёрдые частицы целлюлозы и кислотного катализатора. Ранее мы провели теоретические исследования, в которых показали ведущую роль способности твёрдых кислот формировать у своей поверхности в воде двойной электрический слой. Это широко известное явление, которое является причиной изучаемых ещё в школе электрокинетических явлений, для каталитических процессов с использованием твёрдых кислот до нас учёные ещё не рассматривали», — рассказала руководитель исследования, заведующая кафедрой органической и аналитической химии СФУ, заведующая лабораторией Института химии и химической технологии СО РАН Оксана Таран.
Ученые сравнили два типа катализаторов:
1. Amberlyst-15 (сильные кислотные центры) — эффективно расщепляет даже кристаллические участки целлюлозы, но снижает ее кристалличность. 2. Sib450 (слабые кислотные центры) — преимущественно гидролизует аморфные области, повышая степень кристалличности.
Выяснилось, что при близкой конверсии целлюлозы катализаторы оказывают противоположное влияние на структуру целлюлозы: Amberlyst-15 снижает кристалличность, тогда как Sib450 увеличивает её. Это объясняется разной способностью катализаторов формировать двойной электрический слой.
Несмотря на меньшую активность, углеродные катализаторы (Sib450) имеют преимущества:
- более низкая стоимость производства;
- высокая стабильность;
- селективность к образованию глюкозы.
«Нам доступны современные методы исследования материалов, которые позволили детально и глубоко разобраться в изменениях, происходящих в целлюлозе при гидролизе с твёрдыми кислотами, и выяснить, как устроен каталитический процесс на молекулярном уровне», — поделился соавтор исследования, ассистент кафедры органической и аналитической химии СФУ, младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Виктор Голубков.