Новое устройство превращает биомассу в сахар с помощью микроволн
Исследователи из Университета Кюсю разработали устройство, которое сочетает проточный реактор, твердотельный катализатор и генератор селективного потока микроволн. В результате происходит эффективное преобразование сложных полисахаридов из отходов производства в простые моносахариды, востребованные во многих отраслях от пищевой промышленности до фармацевтки.
В устройстве используется непрерывный проточный процесс гидролиза, при котором биомасса целлюлозы пропускается через сульфированный углеродный катализатор, нагреваемый с помощью микроволн. В ходе химической реакции длинноцепочная целлюлоза расщепляется на простую глюкозу. Результаты опытов опубликованы в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Превращение биомассы в полезные ресурсы было темой научных исследований на протяжении десятилетий. Полисахариды биомассы, сложные сахара с длинной цепью, которые широко распространены в природе, считаются одними из наиболее перспективных веществ для химической переработки, поскольку они могут быть преобразованы в простые сахара.
Гидролиз — наиболее эффективная химическая реакция, при которой длинноцепочечные сахара превращаются в простые. Гидролиз проходит с использованием кислот в качестве катализаторов. Недорогие кислотные катализаторы находятся в газообразной или жидкой фазе. Твердые кислотные катализаторы более пригодны для вторичной переработки, но их получение сложнее и затратнее. Однако именно они являются объектом наиболее пристального внимания исследователей.
Для эффективной работы твердотельных кислотных катализаторов гидролиза полисахаридов требуются достаточно высокие температуры (выше 100°). При этом важно не допустить термическое разложение целлюлозы и продуктов гидролиза. Чтобы преодолеть это затруднение, доцент Шунтаро Цубаки, представляющий сельскохозяйственный факультет Университета Кюсю, вместе со своей командой исследовал применение распределенного микроволнового потока для нагрева твердых катализаторов в процессе гидролиза целлюлозы.
«Микроволны формируют локализованное высокотемпературное реакционное поле на твердом катализаторе, что приводит к резкому повышению каталитической активности при сохранении более низкой температуры всей реакционной системы», — объяснил Цубаки. «Кроме того, мы обеспечиваем непрерывный поток субстрата через реактор, в котором микроволны воздействуют на катализатор, что приводит к более высокому выходу желаемого продукта».
Избирательный прогрев
Одним из ключевых факторов эффективности системы является ее способность разделять электрическое и магнитное поля микроволновой печи.
«Микроволны создают как электрические, так и магнитные поля. Электрическое поле вызывает нагрев дипольных материалов, таких как вода. Это мы наблюдаем при разогреве пищи и напитков в бытовой печи СВЧ. Магнитное поле, с другой стороны, вызывает нагрев проводящих материалов, таких как металлы и углерод», — поясняет Цубаки.
«В нашем устройстве мы смогли повысить каталитическую активность, разделив два поля, а затем используя электрическое поле для нагрева жидкого раствора целлюлозы и в то же время используя магнитное поле для селективного нагрева твердого катализатора».
Каталитические реакции, ускоряемые источником микроволн, применяются в различных областях экспериментальной и промышленной химии, включая органический синтез, переработку пластмасс и утилизацию биомассы. Команда надеется, что, поскольку возобновляемые источники энергии используются все активнее, их изобретение поможет продвинуть отрасль к более экологичному будущему.
«Мы ожидаем, что наша система поможет в разработке более рационального химического синтеза. Мы также хотели бы изучить применение нашей методики при гидролизе других полисахаридов, а также белков для получения аминокислот и пептидов», — заключает Цубаки.
Недавно ученые обнаружили в организме мухи-дрозофилы уникальные белки-санитары, которые уничтожают паразитов.
