Atık biyokütlenin farklı koşullarda etkili hidroliz ve dönüşümünün araştırılması

Abstract

Fosil yakıtlar gibi yenilenemez kaynakların, enerji üretiminin yanı sıra endüstriyel alanda da kullanılması ve hızla tükeniyor olması yenilenebilir kaynakların kullanımı üzerine yapılan çalışmaların artmasına sebep olmuştur. Son yıllarda yapılan çalışmalar ile biyokütlenin dönüşümü sonucu yakıt, çözücü, plastik gibi farklı birçok endüstriyel alanda kullanılabilecek kimyasalların üretiminin mümkün olduğu görülmüştür. Bununla birlikte fosil yakıtların kullanımına kıyasla çevreci ve temiz bir kaynak olması, kolay depolanması, hemen her koşulda ve ölçekte üretilebiliyor olması, düşük maliyetli olması, CO2 döngüsüne katkısının olması yenilenebilir kaynaklar arasında biyokütle kullanımının ön plana çıkmasına sebep olmuştur. Bu çalışma kapsamında biyokütlenin organik çözücü (metanol, aseton, THF, hegzan), iyonik sıvı ([BMIM]Cl, [BMIM]HSO4) ve derin ötektik çözücü (kolin klorür:etilen glikol) olmak üzere üç farklı çözücü ve su ortamında reaksiyonu sonucu hidroliz oranları ve elde edilen katma değeri yüksek kimyasal miktarları (5-hidroksimetilfurfural, furfural, levulinik asit, süksinik asit) belirlenmiştir. Katma değeri yüksek kimyasalların ve monosakkaritlerin belirlenmesinde HPLC, toplam indirgen şeker içeriğinin belirlenmesinde UV-VIS spektroskopisi tekniklerinden yararlanılmıştır. Her bir çözücü ortamında reaksiyon koşulları optimize edilerek uygun reaksiyon sıcaklığı, reaksiyon süresi ve çözücü oranları belirlenmiştir. Optimizasyon sonucunda tüm çözücü ortamları için en uygun reaksiyon sıcaklığının 180°C olduğu, reaksiyon süresi ve çözücü oranının ise çözücü ortamına göre değişiklik gösterdiği belirlenmiştir. Denemeler model bileşik olarak mikrokristalin selüloz, lignoselülozik biyokütle kaynağı olarak mısır samanı, buğday samanı, sorgum ve selülozik biyokütle kaynağı olarak atık hav ve linter kullanılarak gerçekleştirilmiş ve başlangıç materyalinin ürün oluşumuna etkisi incelenmiştir. Bununla birlikte denemeler ticari katalizör olan Amberlist-15 ve laboratuvar ortamında düşük maliyet ile buğday samanından elde edilen katı asit katalizör olan BT300S varlığında tekrar edilmiş ve katalizör türünün ürün oluşumuna etkisi incelenmiştir. En etkin hidroliz oranına ve en yüksek şeker içeriğine [BMIM]HSO4-su ortamında gerçekleştirilen reaksiyon sonucunda ulaşılmıştır. Organik solvent-su çözücü ortamında etkinlik sırasının polar aprotik çözücü > polar protik çözücü > apolar çözücü şeklinde olduğu görülmüştür. Biyokütle materyallerinin hidrolizi farklı çözücü ortamlarının kullanılması ile farklılık göstermesine karşın genel olarak hidroliz etkinliğinin sorgum ~ mısır samanı > buğday samanı ~ atık hav > selüloz > linter sırasını takip ettiği görülmüştür.

The use of non-renewable resources such as fossil fuels in the industrial field as well as in energy production and also their rapid depletion have caused the studies on the use of renewable resources to increase. In recent studies, it has been observed that as a result of the conversion of biomass, it is possible to produce chemicals that can be used in many different industrial fields such as fuel, solvent and plastic. Compared to fossil fuels, biomass is an environmentally friendly low-cost clean source, can be easily stored and produced in almost any condition and scale, and last but not least it contributes to the CO2 cycle. Therefore, the importance of the use of biomass among renewable resources has significantly increased. In this study, hydrolysis ratios of biomass and amount of valuable chemicals (5-hydroxymethylfurfural, furfural, levulinic acid, succinic acid) were determined by reaction of three different solvent types; organic solvent (methanol, THF, acetone, hexane), ionic liquid ([BMIM]Cl, [BMIM]HSO4) and deep eutectic solvent (choline chloride:ethylene glycol), in aqueous medium. HPLC was used to determine valuable chemicals and monosaccharides and UV-VIS spectroscopy analysis was used to determine total reducing sugar content. The reaction conditions in each solvent medium were optimized to determine the appropriate reaction temperature, reaction time and solvent ratio. The optimum reaction temperature for all solvents was found to be 180°C, the reaction time and solvent ratio varied according to the solvent medium. The experiments were carried out using microcrystalline cellulose as a model compound, corn straw, wheat straw and sorghum as lignocellulosic biomass source and waste fluff and linter as cellulosic biomass source and the effect of starting material on product formation was investigated. The experiments were repeated in the presence of commercial catalyst Amberlyst-15 and BT300S, a solid acid catalyst obtained from wheat straw at low cost in the laboratory and the effect of catalyst type on product formation was investigated. The most effective hydrolysis ratio and the highest sugar content were achieved by reaction with [BMIM]HSO4-water medium. The order of activity in organic solvent-water medium was found to be polar aprotic solvent > polar protic solvent > apolar solvent. Although the hydrolysis of biomass materials differed with the use of different solvent media, it was observed that the hydrolysis efficiency generally followed the sorghum ~ corn straw > wheat straw ~ waste fluff > cellulose > linter.