Muurahaishappokatalysoitu ksyloosin dehydraatio furfuraaliksi

Laajasti saatavilla oleva lignoselluloosa eli kasvibiomassa (mm. puu tai maatalouden kasvijätteet) on uusiutuva materiaalivaihtoehto kemikaalien tuotantoon. Jotta lignoselluloosapohjaiset kemikaalit ja tuotteet voisivat kilpailla öljystä valmistettavien tuotteiden kanssa, nykyisiä prosesseja täytyy tehostaa.

Väitöstutkimus keskittyi muurahaishappokatalyytin käyttöön furfuraalin valmistamisessa. Furfuraalin tuotanto on yksi vaihtoehto biomassan hemiselluloosan sisältämien pentoosi-sokereiden hyödyntämiseksi, ja se voidaan yhdistää sellun tai bioetanolin tuotantoon. Muurahaishappoa käyttämällä voitaisiin välttää mine­raali­happoihin, kuten rikkihappo, liittyvät jäteongelmat furfuraalin tuotannossa.

Tutkimus osoitti, että muurahaishappo katalysoi furfuraalin tuotantoa tehokkaasti. Työssä muodostettu reaktiokineettinen malli furfuraalin syntymis- ja häviämisreaktioiden nopeuksille on hyödynnettävissä biojalostamon prosessisuunnittelussa. Lähtöaineena käytettiin yleisintä hemiselluloosasokeria, ksyloosia. Mallinnuksessa huomioitiin myös sivureaktiot, joissa furfuraali reagoi eteenpäin hyödyttömiksi sivutuotteiksi. Lisäksi on pohdittu mahdollisia reaktiomekanismeja. Näiden tulosten pohjalta tutkimusta voidaan jatkaa ja löytää uusia tapoja vähentää haitallisia sivureaktioita.

Teollisuudessa furfuraalia tuotetaan raaka-aineista tai prosessivirroista, jotka sisältävät hemiselluloosasokereiden lisäksi muitakin biomassan jakeita, mm. ligniiniä ja epäorgaanisia komponentteja. Näillä jakeilla on neutralointikapasiteettia, joka vähentää liuoksen happamuutta ja samalla happokatalyytin tehoa. Väitöstutkimuksessa kuitenkin havaittiin, että muurahaishappokatalyytti pystyy kompensoimaan tätä happamuuden vähenemistä ilman hapon lisäämistä toisin kuin yleisesti käytetty rikkihappo. Havainto on merkittävä prosessin taloudellisuuden kannalta. Tulosten perusteella on tärkeää huomioida reaktioliuoksen happamuuden vaihtelut mallinnuksessa ja erityisesti tarkkailla happamuuden muutoksia käytettäessä prosessisivuvirtoja.