Projekti / Programi
Razvoj procesov nadgradnje furfurala iz biomase v kemikalije z višjo dodano vrednostjo
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.00 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
Biomasa, hemiceluloza, furfural, kataliza, model, optimizacija.
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
34522 |
dr. Miha Grilc |
Kemijsko inženirstvo |
Vodja |
2018 - 2020 |
0 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
10 |
Povzetek
Predlagani projekt obsega razvoj procesov pretvorbe furfurala iz biomase v kemikalije z višjo dodano vrednostjo. Furfural je pomembna platformna kemikalija, ki se ekskluzivno pridobiva s hidrolizo hemiceluloze iz lesa, pri čemer svetovna letna proizvodnja presega 300 kiloton. Izsledki raziskav pretvorb furfurala v produkte višje dodane vrednosti so pogosto med seboj neprimerljive in razpršene zaradi zamudnih metod preizkušanja katalizatorjev in procesnih pogojev. Predlagani projekt obsega poglobljen študij široke skupine reakcij hidrodeoksigenacije furfurala z uporabo avtomatiziranega sistema šestih visokotlačnih mešalnih reaktorjev z namenom določitve vpliva procesnih pogojev na dinamiko pretvorb. Hitra izvedba velikega števila eksperimentov (več sto za predlagani projekt) bo omogočala temeljite presejalne teste in sistematično rešetanje širokega območja procesnih pogojev. Ločeno bodo reakcije obravnavane v odsotnosti katalizatorja, v prisotnosti različnih (tudi donorskih) topil in z različnimi nosilci (in deleži Lewisovih in Brønstedovih kislinskih mest). Sledilo bo testiranje kombinacij enokovinskih in dvokovinskih žlahtnih kovin in kovin prehoda na različnih nosilcih. Katalizatorji bodo okarakterizirani pred in po eksperimentu in ocenjen bo morebitni obseg deaktivacije. Na podlagi eksperimentalnih rezultatov in identificiranih intermediatov ter produktov bo predlagana reakcijska shema vseh elementarnih kemijskih pretvorb, na osnovi katere bo razvit mikrokinetični matematični model. Z regresijsko analizo bom določil ključne kinetične parametre, ki bodo razložili dinamiko reakcij, ozka grla in selektivnost pretvorb ter kako na le te vplivajo reakcijski pogoji in katalizatorske vrste (ali odsotnost le-teh). V pomoč k razumevanju mehanizma reakcij bodo služili tudi kvantnokemijski izračuni iz prvih principov (DFT), ki bodo razkrili energijske nivoje prehodnih stanj in pomagali oceniti aktivacijske energije tistih reakcij, za katere to ne bo moč storiti na podlagi eksperimentalnih rezultatov. Kinetičnih parametri, ki bodo dobro opisali eksperimentalne rezultate pri širokem naboru procesnih parametrov, bodo uporabljeni v napovednem modelu, s katerem bo moč napovedati dobitke kateregakoli intermediata ali produkta pri danih reakcijskih pogojih. Mnogo-ciljna optimizacija bo omogočila napoved optimalnih procesnih parametrov za pridobivanje katerikoli intermediata ali produkta (lahko tudi skupine produktov) identificiranega pri presejalnih testih. Seveda mora tovrstni model temeljiti na zadostni bazi eksperimentalnih podatkov, kar bodo omogočili s hitrimi presejalnimi testi, in primerno določenih reakcijskih mehanizmih in parametrih, kar se bo lahko ocenilo na podlagi ujemanja meritev in modelnih vrednosti ali analize občutljivosti. Nabor z modelom določenih optimalnih procesnih parametrov se bo verificiralo z validacijskimi eksperimenti. Glede na povpraševanje slovenske industrije so prioritetni furfuralovi derivati predvsem pentandiolski monomeri za sintezo bio-polimerov, jedilne arome in dišave na osnovi γ-laktonov, ter med drugim razvejani C8-C10 ogljikovodiki, ki bi lahko služili kot alternativno pogonsko gorivo.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagan raziskovalni projekt je pomemben za razvoj znanosti, še posebej na področju kemijskega inženirstva z uvedbo novega sistematičnega pristopa k razvoju procesa nadgradnje furfurala na osnovi biomase v kemikalije z visoko dodano vrednostjo. Prednost raziskovalnega projekta je izčrpna obravnava širokega spektra možnih kemijskih pretvorb s hidro(deoxy)genacijo bio-osnovanih kemikalij. Furfural, kot ena izmed najpomembnejših platformnih komponent, predstavlja pomembno komponento na osnovi biomase za pridobivanje kemikalij z visoko dodano vrednostjo, še posebej derivatov furana.
Nedavne raziskave nadgradnje furfurala v kemikalije z visoko dodano vrednostjo obsegajo tako sintezo biogoriv, dodatkov za goriva, bio-osnovanih platformnih kemikalij, bio-osnovanih okolju prijaznih topil itd. Ravno iz tega razloga pridobivanje furfurala in njegova nadgradnja v kemikalije z visoko dodano vrednostjo dobiva vse več pozornosti v znanstvenem okolju.
Hidro(deoxi)genacija furfurala je bila v mnogih študijah raziskovana le fragmentirano z omejenim številom spremljanih reakcijskih poti in komponent ter ozkim območjem procesnih parametrov in karakteristik katalizatorja. Metoda rešetanja katalizatorjev bo potekala v novem reaktorskem sistemu, ki omogoča hitro izvajanje šaržnih reakcij in analize produktov reakcije. Pričakovana je sistematična izvedba nekaj sto eksperimentov na istem reaktorskem sistemu, kar bo omogočilo reprezentativno primerjavo širokega spektra katalizatorjev in procesnih pogojev. Pretvorba furfurala v produkte višje dodane vrednosti bo prav tako raziskovana z matematičnim modeliranjem, podprtim z DFT izračuni, kar bo omogočilo boljše razumevanje vplivov procesnih pogojev ter odkrivanje ozkih grl procesa. S tovrstnim pristopom je pričakovanih mnogo spoznanj in odkritij zanimivih za strokovno javnost, kar bo omogočilo objavo rezultatov v priznanih znanstvenih revijah.
Razvoj ekonomsko učinkovitega in okolju prijaznega procesa predelave lignocelulozne biomase v goriva in kemikalije predstavlja velik izziv. Raziskave predlagane tematike kažejo na veliko zanimanje strokovne javnosti, kar potrjujejo številni citati preteklih del prijavitelja tega projekta (več kot 260 čistih citatov publikacij objavljenih med 2014 in 2018).
Pomen za razvoj Slovenije
The proposed project is relevant to the development of science, and particularly, chemical engineering scientific field through tackling new systematic approach for the process development for biomass-derived furfural upgrade to added-value chemicals. The added value of the proposed research lies in a comprehensive description for a wide spectrum of possible chemical transformations during the hydrotreatment of the bio-based chemical. Furfural, which will be the main studied component, is a representative of important biomass-derived building blocks for added-value chemicals production, especially the derivatives of furan. Furfural as a building block material is obtained from renewable lignocellulose biomass and is primarily used as a solvent for a broad range of applications, as a natural fungicide, insecticide, etc.
Recent investigations towards furfural upgrade to added-value products incorporate attempts of production of biofuel or fuel additives, bio-based platform chemicals, bio-based monomers and bio-based solvents. For that reason, the furfural production, and its subsequent upgrade to higher added-value products are gaining more and more attention by the scientific community.
Furfural hydrotreatment has been studied so far only per-partes for a limited number of experiments and components followed, with a narrow focus just towards one aimed product and by varying only a narrow set of process conditions or catalyst characteristics. In this project, catalysts screening will take place in a new high-throughput reactor set-up, allowing rapid experimental and analytic screening of catalysts and process conditions. Few hundreds of experiments are expected to be performed on the same system to allow representative comparison of wide spectra of materials and process parameters. The conversion of furfural into added-value chemicals will be further studied by the mathematical modelling, assisted by DFT calculations, to better understand the influence of process parameters, rate limiting steps and bottlenecks of the process. Thus, many aspects of discovery are foreseen as the results, which can be easily disseminated in international journals of high ranking.
There is an ongoing challenge to develop economically efficient and environmentally friendly technologies to transform lignocellulosic biomass into fuels (Biomass-To-Fuels, BTF technology) and chemicals. Results of the project are also expected to contribute to the science and its promotion, as technology of converting biomass into fuels and added value chemicals with hydrotreatment is a hot topic, which can be confirmed by the bibliographic record of PI's recent works on this topic (more than 260 pure citations for publications published between 2014–2018).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
