Yeni İşlem, Yeni Nesil Yakıt Olarak Lignin Bazlı Biyo-Yağı Güçlendirdi

Fotoğraf: Ağaçlar bir selüloz, hemiselüloz ve lignin kaynağıdır. Lignin biyo-yağının hidrokarbonlara yükseltilmesi için geliştirilen yeni bir işlem, şu anda selüloz ve biyoetanol üretiminin neden olduğu yüksek miktarlardaki ligninin kullanımının genişletilmesine yardımcı olabilir.

Lignin bazlı biyo-yağı hidrokarbonlara yükseltmek için geliştirilen düşük sıcaklığa sahip çok aşamalı yeni bir işlem, ağaçlardan ve diğer odunsu bitkilerden elde edilen selüloz ve biyoetanol atıklarından biri olan ligninin kullanımının yaygınlaştırılmasına yardımcı olabilir.

Georgia Teknoloji Enstitüsü’ndeki araştırmacılar süper asit ve platin parçacıklarından oluşan ikili bir katalizör sistemi kullanarak lignin biyo-yağlarına hidrojenin eklenebileceğini, bu yapılardan oksijenin çıkarılabileceğini ve bunun da, yağı bir yakıt ve kimyasal hammadde kaynağı olarak daha kullanışlı bir hale getirebileceğini gösterdi. Alışılmadık bir hidrojen döngüsüne dayanan işlem, düşük sıcaklığa ve basınca sahip ortamlarda gerçekleştirilebilir. Bu da pratikliği artırarak ihtiyaç duyulan enerji girdisini azaltır.

Georgia Teknoloji Enstitüsü, Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Okulu ve Yenilenebilir Biyoürünler Enstitüsü’nde profesör olan Yulin Deng, “Çevre ve sürdürülebilirlik açısından, insanlar biyokütleden üretilen yağı kullanmak istiyor” dedi. “Dünya çapında, kağıt ve biyoetanol üretiminden elde edilen lignin yıllık 50 milyon tona karşılık gelir ve bunun % 95’inden fazlası ısı üretiminde kullanılır. Laboratuvarım, düşük molekül ağırlığına sahip lignin bileşiklerini ticari olarak yüksek kaliteli biyoyakıtlar ve biyokimyasallar açısından uygun hale getirmek ve iyileştirmek için pratik yöntemler arıyor” dedi.

Süreç 7 Eylül’de Nature Energy dergisinde anlatılmıştır. Araştırma, Georgia Teknoloji Enstitüsü’ndeki Yenilenebilir Biyoürünler Enstitüsü tarafından desteklenmiştir.

Selüloz, hemiselülozlar ve lignin ağaçlardan, otlardan ve diğer büyokütle malzemelerinden çıkarılır. Selüloz kağıt, etanol ve diğer ürünlerin yapımında kullanılır, ancak bitkilere güç veren karmaşık bir yapıya sahip olan lignin bu amaçlar için genellikle kullanılmaz çünkü kerosen için başlangıç noktası görevi görebilecek düşük viskoziteli yağlara veya dizel yakıtlara parçalanması zordur.

400 santigrat derecenin üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleştirilen piroliz teknikleri, ligninden üretilen fenoller gibi biyo-yağ elde etmek için kullanılabilir, ancak yağlar yeterli hidrojenden yoksundur ve yakıt olarak kullanılamayacak kadar çok oksijen atomu içerir. Bu sorunu çözmeye yönelik mevcut yaklaşım, hidrojenin eklenmesini ve hidrodeoksijenasyon olarak bilinen katalitik bir işlemle oksijenin uzaklaştırılmasını içerir. Ancak bu işlem, ortam sıcaklığından on kat daha yüksek sıcaklıkları ve basınçları gerektirir ve platin katalizörünün verimliliğini hızla azaltan kömür ve katran üretir.

Deng ve meslektaşları, hidrojen tamponlu katalitik bir sistemi kullanarak hidrojeni ekleyecek ve oksijeni yağ monomerlerinden çıkaracak yeni bir çözelti bazlı işlem geliştirmeye başladı. Hidrojenin suda çok sınırlı çözünürlüğe sahip olması nedeniyle, çözeltideki lignin biyoyakıtının hidrojenasyonu veya hidrodeoksijenasyon reaksiyonu çok zordur. Deng’in grubu, hem bir hidrojen transfer ajanı hem de hidrojen gazının gaz-sıvı ara fazından geri dönüşümlü bir hidrojen ekstraksiyonu yoluyla toplu çözeltiye aktarılmasına yardımcı olan reaksiyon katalizörü olarak polioksometalat asidi (SiW12) kullandı. İşlem daha sonra hidrojeni karbonun üzerinde, platin nanopartikülünün yüzeyinde aktif bir tür H* olarak serbest bıraktı ve bu, düşük basınç altındaki hidrojenin suda çözünürlüğünün az olması sorununu çözdü.

Deng, “Polioksometalat asit, platin üzerinde hidrojenden gelen yükü yakalayarak suda çözünür olan H⁺‘yı oluşturur, ancak yükler, çözelti içinde aktif H* oluşturmak için H⁺‘ya geri aktarılabilir” dedi. Sonuç olarak hidrojen gazı, çözelti içindeki lignin yağı ile doğrudan reaksiyona girebilen aktif bir H* oluşturmak için su fazına aktarılır.

Olağandışı hidrojen döngüsünün ikinci bölümünde polioksometalat asit, oksijeni biyo-yağ monomerlerinden uzaklaştırıldığı aşamayı ayarlar.

Deng, “Süper asit, oksijeni gidermek için gereken aktivasyon enerjisini azaltabilir ve aynı zamanda çözeltideki yağ molekülleri üzerinde reaksiyona giren daha aktif bir hidrojene, H*’e, sahip olmanızı sağlayabilir” dedi. “Çözeltideki katalizörün yüzeyinde aktif hidrojen atomu (H*) ve lignin yağı arasında hızlı bir reaksiyon gerçekleşir. Hidrojenin polioksometalat ile geri dönüşümlü reaksiyonu sonucunda H⁺‘nın oluşturulması ve ardından platin katalizörünün yüzeyinde aktif hidrojen atomu (H*) ile reaksiyona girmesi benzersiz bir döngüdür.”

Platin parçacıkları ve polioksometalat asit, verimliliği düşürmeden çok sayıda döngü için tekrar tekrar kullanılabilir. Araştırmacılar ayrıca, lignin yağının hidrojenasyonunun ve hidrodeoksijenasyonunun verimliliğinin, yağdaki spesifik monomerlere bağlı olarak değiştiğini buldular.

Deng, “Piroliz ile üretilen 15 veya 20 farklı molekülü test ettik ve dönüşüm verimliliğinin % 50’den % 99’a kadar değiştiğini bulduk” dedi.

Daha düşük sıcaklıklarda (100 °C’nin altında) çalışmak, platin katalizörde kömür ve katran oluşumu sorununu azaltmıştır. Deng ve meslektaşları, katalitik aktivitede bozulma olmadan aynı platini en az on kez kullanabileceklerini de keşfettiler.

Önümüzdeki zorluklar arasında, farklı metal katalizörü sistemlerinin kullanılarak ürün seçiciliğinin iyileştirilmesi, çözeltideki farklı lignin biyokimyasallarının ayrılması ve saflaştırılması için yeni tekniklerin geliştirilmesi yer almaktadır. Platin pahalıdır ve diğer uygulamalar için yüksek talep görmektedir, bu nedenle daha düşük maliyetli bir katalizörün bulunması sürecin genel pratikliğini artırabilir ve belki de bu süreci daha seçici hale getirebilir.

Yeni teknik, biyo bazlı yağlara olan talebi karşılamaya yardımcı olurken genellikle sadece ısı üretmek için yakılan lignin için potansiyel bir gelir akışı sağlayarak orman ürünleri, kağıt ve biyoetanol endüstrilerine de fayda sağlayabilir.

Deng, “Küresel ligninin pazar büyüklüğünün 2019’da 954.5 milyon dolar olduğu tahmin ediliyordu; bu, küresel olarak üretilen ligninin yalnızca çok küçük bir kısmını oluşturmaktadır. Açıkçası endüstri, lignini kimyasallara veya biyo-yağlara dönüştürerek bunun için daha fazla uygulama bulmak istiyor. Bu malzemenin daha iyi şekillerde kullanılması çevresel bir fayda da sağlayacaktır” dedi.

Kaynak: phys.org