Loading...
Catalytic conversion of biomass renewable feedstocks to platform molecules using Brønsted acid catalysts
Oyola Rivera, Oscar
Oyola Rivera, Oscar
Citations
Altmetric:
Abstract
The fractionation of sugarcane bagasse, plantain peel and brewer’s spent grains to
glucose, xylose and lignin was studied using 0.50 and 0.05 wt% H2SO4 as catalyst in a
mixture of 80:20 wt% γ-valerolactone:water. We studied the production of glucose and
xylose with up to 90, 94 and 88% cumulative yields for sugarcane bagasse, plantain peel
and brewer’s spent grains, respectively. We studied the effects of the reaction conditions
and physicochemical properties of the biomass wastes on the production of sugars from
agriculture residues. The results showed that the reaction conditions affect the production
of sugars and the effect may be different for each residue depending on its
physicochemical properties. The lignin content, biomass crystallinity and ashes
compositions are the physicochemical properties that most affect the production of
sugars. The lignin can affect the accessibility to hemicellulose and cellulose during the
reaction reducing the amount of sugars that can be obtained from biomass. The ashes
present in the biomass may have alkaline species that can neutralize the acid catalyst
reducing the rate of sugar production. The sugar production decreases as the biomass
crystallinity increases. We show that the physicochemical properties of the sugar cane
bagasse, plantain peel and brewer’s spent grains have a significant effect on its
conversion to sugars.
Also, we studied the production of levoglucosenone (LGO) via levoglucosan
(LGA) and cellulose dehydration using Brønsted solid acid catalysts in tetrahydrofuran
(THF). We evaluated the use of propylsulfonic acid functionalized SBA-15 (PS-SBA-
15), commercial acid functionalized SiO2 and zeolite catalysts for the dehydration of
LGA. PS-SBA-15 showed the best catalytic performance to produce LGO from LGA. The highest LGO yield obtained from LGA using PS-SBA-15 was 58.6%. That yield is
more than two times higher to that obtained using sulfuric acid, which was 24.5%. We
showed that the conversion of cellulose to LGO using a solid acid catalyst must be
assisted by a homogeneous acid catalyst such as sulfuric acid (H2SO4), to promote the
depolymerization of cellulose into LGA. The main role of the solid Brønsted acid catalyst
is the dehydration of LGA to LGO during the cellulose conversion to LGO. We identified
that surface properties such as acid-surface interactions and hydrophobicity are important
variables to explain the catalytic behavior of the solid acid catalysts evaluated. We also
studied the stability of PS-SBA-15 in THF and 1.2 mM H2SO4 in THF. The
physicochemical properties of the silica catalysts change for different treatment times in
THF. However, these changes do not have a significant effect on the acidity and structure
of the silica catalysts. On the other hand, adding H2SO4 to the THF causes a decrease in
the acidity of the PS-SBA-15 after treatment. We demonstrated that solid Brønsted acid
catalysts produce higher yields to produce LGO from LGA and cellulose than sulfuric
acid. Also, we identified that the catalysts surface properties are a crucial parameter for
the dehydration of LGA to LGO.
Finally, we investigated the effect of Brønsted acidity on the production of
dimethyl ether (DME) from carbon dioxide (CO2) using Pd-Ga2O3 catalysts supported on
SiO2. A modification of a sol-gel method for the incorporation of Ga on the SiO2 surface
was developed in order to improve the formation and dispersion of the Brønsted acid sites
on the catalyst surface. The acidity analysis revealed that the Brønsted acid loading is
higher on the catalyst synthesized using the sol-gel modified method. We observed that
increasing the Brønsted acidity leads to an increase in the ratio of DME to methanol produced from CO2. We demonstrate a new simple method to improve the formation and
the availability of Brønsted acid sites on Ga2O3/SiO2 catalyst surface using a modification
of a sol-gel impregnation method. Also, the ratio of DME to methanol production is
highly dependent of the Brønsted acidity loading on the catalysts surface.
El fraccionamiento de bagazo de caña de azĂºcar, cĂ¡scara de plĂ¡tano y cebada previamente tratada para la producciĂ³n de cerveza a glucosa, xilosa y lignina se estudiĂ³ usando 0.50 y 0.05% en peso de H2SO4 como catalizador en una mezcla de 80:20% en peso de γ-valerolactona:agua. Estudiamos la producciĂ³n de glucosa y xilosa con rendimientos acumulados de hasta 90, 94 y 88% para el bagazo de caña de azĂºcar, la cĂ¡scara de plĂ¡tano y cebada, respectivamente. Estudiamos los efectos de las condiciones de reacciĂ³n y las propiedades fisicoquĂmicas de los residuos agrĂcolas en la producciĂ³n de azĂºcares a partir de biomasa. Los resultados mostraron que las condiciones de reacciĂ³n pueden afectar la producciĂ³n de azĂºcares a partir de la biomasa y el efecto puede ser diferente para cada biomasa dependiendo de sus propiedades fisicoquĂmicas. El contenido de lignina, la cristalinidad de la biomasa y la composiciĂ³n de las cenizas son las propiedades fisicoquĂmicas que mĂ¡s afectan la producciĂ³n de azĂºcares. La lignina puede afectar el acceso a hemicelulosa y celulosa durante la reacciĂ³n, reduciendo la cantidad de azĂºcares que se pueden obtener. Las cenizas presentes en la biomasa pueden tener especies alcalinas que pueden neutralizar el catalizador Ă¡cido, reduciendo la tasa de producciĂ³n de azĂºcar. La producciĂ³n de azĂºcar disminuye a medida que aumenta la cristalinidad de la biomasa. AquĂ mostramos que las propiedades fisicoquĂmicas del bagazo de caña de azĂºcar, la cĂ¡scara de plĂ¡tano y los granos gastados de cervecerĂa tienen un efecto significativo en su conversiĂ³n a azĂºcares. AdemĂ¡s, estudiamos la producciĂ³n de levoglucosanona (LGO) a travĂ©s de levoglucosan (LGA) y la deshidrataciĂ³n de la celulosa utilizando catalizadores sĂ³lidos con acidez tipo Brønsted en tetrahidrofurano (THF). Evaluamos el uso de SBA-15 funcionalizado con Ă¡cido propilsulfĂ³nico (PS-SBA-15), zeolitas y SiO2 comerciales funcionalizados con Ă¡cido propilsulfĂ³nico para la deshidrataciĂ³n de LGA. PS-SBA-15 mostrĂ³ el mejor rendimiento catalĂtico para producir LGO de LGA. El mayor rendimiento de LGO obtenido de LGA usando PS-SBA-15 fue del 58.6%. Ese rendimiento es mĂ¡s de dos veces mayor que el obtenido usando Ă¡cido sulfĂºrico, que fue 24.5%. Mostramos que la conversiĂ³n de celulosa a LGO utilizando un catalizador Ă¡cido sĂ³lido debe ser asistida por un catalizador Ă¡cido homogĂ©neo, como Ă¡cido sulfĂºrico (H2SO4), para promover la despolimerizaciĂ³n de la celulosa en LGA. El papel principal del catalizador sĂ³lido con acidez Brønsted es la deshidrataciĂ³n de LGA a LGO durante la conversiĂ³n de celulosa a LGO. Identificamos que las propiedades de la superficie, como las interacciones Ă¡cido-superficie y la hidrofobicidad, son variables importantes para explicar el comportamiento catalĂtico de los catalizadores Ă¡cidos sĂ³lidos evaluados. TambiĂ©n estudiamos la estabilidad de PS-SBA-15 en THF y 1.2 mM H2SO4 en THF. Las propiedades fisicoquĂmicas de los catalizadores de sĂlice cambian para diferentes tiempos de tratamiento en THF. Sin embargo, estos cambios no tienen un efecto significativo sobre la acidez y la estructura de los catalizadores de sĂlice. Por otro lado, la adiciĂ³n de H2SO4 al THF causa una disminuciĂ³n en la acidez del PS-SBA-15 despuĂ©s del tratamiento. Demostramos que los catalizadores Ă¡cidos de Brønsted sĂ³lidos producen mayores rendimientos para producir LGO a partir de LGA y celulosa que el Ă¡cido sulfĂºrico. AdemĂ¡s, identificamos que las propiedades de la superficie de los catalizadores son un parĂ¡metro crucial para la deshidrataciĂ³n de LGA a LGO. Finalmente, investigamos el efecto de la acidez tipo Brønsted en la producciĂ³n de Ă©ter dimetĂlico (DME) a partir de diĂ³xido de carbono (CO2) usando catalizadores Pd Ga2O3 soportados sobre SiO2. Se desarrollĂ³ una modificaciĂ³n de un mĂ©todo de sol-gel para la incorporaciĂ³n de Ga en la superficie de SiO2 con el fin de mejorar la formaciĂ³n y dispersiĂ³n de los sitios de acidez tipo Brønsted en la superficie del catalizador. El anĂ¡lisis de acidez revelĂ³ que la carga de Ă¡cido de Brønsted es mayor en el catalizador sintetizado usando el mĂ©todo modificado de sol-gel. Observamos que aumentar la acidez de Brønsted conduce a un aumento en la proporciĂ³n de DME a metanol producido a partir de CO2. Mostramos un simple y nuevo mĂ©todo para mejorar la formaciĂ³n y la disponibilidad de sitios con acidez tipo Brønsted en la superficie del catalizador Ga2O3/SiO2 utilizando una modificaciĂ³n de un mĂ©todo de impregnaciĂ³n de sol-gel. AdemĂ¡s, la relaciĂ³n de producciĂ³n de DME a metanol es altamente dependiente de la concentraciĂ³n de sitios con acidez tipo Brønsted sobre la superficie del catalizador.
El fraccionamiento de bagazo de caña de azĂºcar, cĂ¡scara de plĂ¡tano y cebada previamente tratada para la producciĂ³n de cerveza a glucosa, xilosa y lignina se estudiĂ³ usando 0.50 y 0.05% en peso de H2SO4 como catalizador en una mezcla de 80:20% en peso de γ-valerolactona:agua. Estudiamos la producciĂ³n de glucosa y xilosa con rendimientos acumulados de hasta 90, 94 y 88% para el bagazo de caña de azĂºcar, la cĂ¡scara de plĂ¡tano y cebada, respectivamente. Estudiamos los efectos de las condiciones de reacciĂ³n y las propiedades fisicoquĂmicas de los residuos agrĂcolas en la producciĂ³n de azĂºcares a partir de biomasa. Los resultados mostraron que las condiciones de reacciĂ³n pueden afectar la producciĂ³n de azĂºcares a partir de la biomasa y el efecto puede ser diferente para cada biomasa dependiendo de sus propiedades fisicoquĂmicas. El contenido de lignina, la cristalinidad de la biomasa y la composiciĂ³n de las cenizas son las propiedades fisicoquĂmicas que mĂ¡s afectan la producciĂ³n de azĂºcares. La lignina puede afectar el acceso a hemicelulosa y celulosa durante la reacciĂ³n, reduciendo la cantidad de azĂºcares que se pueden obtener. Las cenizas presentes en la biomasa pueden tener especies alcalinas que pueden neutralizar el catalizador Ă¡cido, reduciendo la tasa de producciĂ³n de azĂºcar. La producciĂ³n de azĂºcar disminuye a medida que aumenta la cristalinidad de la biomasa. AquĂ mostramos que las propiedades fisicoquĂmicas del bagazo de caña de azĂºcar, la cĂ¡scara de plĂ¡tano y los granos gastados de cervecerĂa tienen un efecto significativo en su conversiĂ³n a azĂºcares. AdemĂ¡s, estudiamos la producciĂ³n de levoglucosanona (LGO) a travĂ©s de levoglucosan (LGA) y la deshidrataciĂ³n de la celulosa utilizando catalizadores sĂ³lidos con acidez tipo Brønsted en tetrahidrofurano (THF). Evaluamos el uso de SBA-15 funcionalizado con Ă¡cido propilsulfĂ³nico (PS-SBA-15), zeolitas y SiO2 comerciales funcionalizados con Ă¡cido propilsulfĂ³nico para la deshidrataciĂ³n de LGA. PS-SBA-15 mostrĂ³ el mejor rendimiento catalĂtico para producir LGO de LGA. El mayor rendimiento de LGO obtenido de LGA usando PS-SBA-15 fue del 58.6%. Ese rendimiento es mĂ¡s de dos veces mayor que el obtenido usando Ă¡cido sulfĂºrico, que fue 24.5%. Mostramos que la conversiĂ³n de celulosa a LGO utilizando un catalizador Ă¡cido sĂ³lido debe ser asistida por un catalizador Ă¡cido homogĂ©neo, como Ă¡cido sulfĂºrico (H2SO4), para promover la despolimerizaciĂ³n de la celulosa en LGA. El papel principal del catalizador sĂ³lido con acidez Brønsted es la deshidrataciĂ³n de LGA a LGO durante la conversiĂ³n de celulosa a LGO. Identificamos que las propiedades de la superficie, como las interacciones Ă¡cido-superficie y la hidrofobicidad, son variables importantes para explicar el comportamiento catalĂtico de los catalizadores Ă¡cidos sĂ³lidos evaluados. TambiĂ©n estudiamos la estabilidad de PS-SBA-15 en THF y 1.2 mM H2SO4 en THF. Las propiedades fisicoquĂmicas de los catalizadores de sĂlice cambian para diferentes tiempos de tratamiento en THF. Sin embargo, estos cambios no tienen un efecto significativo sobre la acidez y la estructura de los catalizadores de sĂlice. Por otro lado, la adiciĂ³n de H2SO4 al THF causa una disminuciĂ³n en la acidez del PS-SBA-15 despuĂ©s del tratamiento. Demostramos que los catalizadores Ă¡cidos de Brønsted sĂ³lidos producen mayores rendimientos para producir LGO a partir de LGA y celulosa que el Ă¡cido sulfĂºrico. AdemĂ¡s, identificamos que las propiedades de la superficie de los catalizadores son un parĂ¡metro crucial para la deshidrataciĂ³n de LGA a LGO. Finalmente, investigamos el efecto de la acidez tipo Brønsted en la producciĂ³n de Ă©ter dimetĂlico (DME) a partir de diĂ³xido de carbono (CO2) usando catalizadores Pd Ga2O3 soportados sobre SiO2. Se desarrollĂ³ una modificaciĂ³n de un mĂ©todo de sol-gel para la incorporaciĂ³n de Ga en la superficie de SiO2 con el fin de mejorar la formaciĂ³n y dispersiĂ³n de los sitios de acidez tipo Brønsted en la superficie del catalizador. El anĂ¡lisis de acidez revelĂ³ que la carga de Ă¡cido de Brønsted es mayor en el catalizador sintetizado usando el mĂ©todo modificado de sol-gel. Observamos que aumentar la acidez de Brønsted conduce a un aumento en la proporciĂ³n de DME a metanol producido a partir de CO2. Mostramos un simple y nuevo mĂ©todo para mejorar la formaciĂ³n y la disponibilidad de sitios con acidez tipo Brønsted en la superficie del catalizador Ga2O3/SiO2 utilizando una modificaciĂ³n de un mĂ©todo de impregnaciĂ³n de sol-gel. AdemĂ¡s, la relaciĂ³n de producciĂ³n de DME a metanol es altamente dependiente de la concentraciĂ³n de sitios con acidez tipo Brønsted sobre la superficie del catalizador.
Description
Date
2018-05
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Collections
Keywords
Sugar cane bagasse, plantain peel and brewer’s spent grains - Biomass conversion, Bagasse as plant growing media - Lignin - Biodegradation - Effect on sugars