تجزیه مستقیم سوربیتول از الیگوساکارید ها از طریق یک مسیر هیدرولیز هیدروژلیزی پیوسته

نگرانی‌های روزافزون در مورد تامین انرژی در آینده و اثرات زیست‌محیطی سوخت‌های فسیلی، جامعه را مجبور به یافتن جایگزین‌های منابع تجدیدپذیر کرده است. زیست توده، هم تجدیدپذیر و هم سازگار با محیط زیست، به عنوان یکی از بهترین جایگزین ها در نظر گرفته می شود. لیگنوسلولز و مواد مبتنی بر نشاسته فراوان ترین منبع زیست توده هستند. اخیراً تولید سوخت های زیستی و مواد شیمیایی با ارزش افزوده از سلولز و نشاسته جذابیت زیادی پیدا کرده است. توجه ویژه ای به تبدیل پلی ساکاریدها به سوربیتول شده است که به عنوان ماده شیمیایی پلت فرم بالقوه برای تولید سوخت، مونومر برای صنایع پلیمری و به عنوان ماده اولیه برای تولید هیدروژن تجدید پذیر پیشنهاد شده است.

انتخاب تولید سوربیتول

سوربیتول می تواند به صورت انتخابی تولید شود، به عنوان مثال: از طریق هیدروژنه کردن محلول نشاسته هیدرولیز شده در حضور کاتالیزورهایی مانند نیکل Raney یا Ru/C.

علیرغم مطالعات متعدد روی روش های تولید، درک اساسی از واکنش و سینتیک تبدیل پلی ساکاریدها به سوربیتول به سختی در دسترس است، به طور کلی اعتقاد بر این است که تبدیل پلی ساکارید به سوربیتول از طریق هیدرولیز به مونوساکاریدها و به دنبال آن هیدروژناسیون به سوربیتول انجام می شود.

 تجزیه و تحلیل جنبشی ما نشان داد که این مسیر واکنش می تواند به طور قابل توجهی به تشکیل سوربیتول کمک کند. در نتیجه، این سوال مطرح می شود که آیا تشکیل انتخابی سوربیتول از طریق هیدروژناسیون و به دنبال آن هیدرولیز نیز باید به ترتیب برای الیگو و پلی ساکاریدها در نظر گرفته شود. بنابراین، این مطالعه شامل تری ساکاریدها می شود که به اندازه کافی شبیه پلی ساکاریدها هستند و هنوز ساختار نسبتاً ساده ای دارند. تری ساکاریدها، سلولتریوز (d-گلوکز مرتبط) بر پایه سلولز و مالتوتریوز (d-گلوکز مرتبط) بر اساس نشاسته برای این مطالعه انتخاب شدند.

تبدیل کاتالیزوری تری ساکاریدها

تجزیه و تحلیل ما نشان می دهد که در حضور یک کاتالیزور فلزی پشتیبانی شده (Ru/C) و یک اسید مولکولی (HPA، اسید سیلیکوتنگستیک)، تبدیل کاتالیزوری تری ساکاریدها از طریق شبکه ای از واکنش های موازی و متوالی انجام می شود. هیدرولیز تری ساکاریدها (سلوتریوز یا مالتوتریوز) به دی ساکاریدهای مربوطه (سلوبیوز یا مالتوز) و گلوکز و همچنین هیدروژنه شدن به تری ساکاریدهای احیا شده قابل مشاهده است.

هیدرولیز تری ساکاریدهای احیا شده یا یک دی ساکارید و سوربیتول یا یک دی ساکارید احیا شده (سلوبیتول یا مالتیتول) و گلوکز تولید می کند. در مراحل های بعدی، دی ساکارید می تواند به گلوکز هیدرولیز شود یا به شکل احیا شده هیدروژنه شود که می تواند بیشتر به گلوکز و سوربیتول هیدرولیز شود. لازم به ذکر است که تری ساکاریدها دارای دو پیوند گلیکوزیدی متفاوت هستند که می توانند هیدرولیز شوند. در اینجا، شکاف این دو پیوند گلیکوزیدی متمایز نمی شود.

سوربیتول، محصول هیدروژناسیون سلوتریوز، محصول اصلی با حداکثر بازده ۶۹% در ۳۹۳K است. با افزایش دمای واکنش، بازده سوربیتول کاهش می یابد. در همان زمان، بازده سوربیتول محصول هدف افزایش می یابد و به حداکثر ۷۴٪ در ۴۴۳K می رسد. به طور کلی، این یافته‌ها نشان می‌دهد که هیدروژناسیون بسترها و واسطه‌ها در مقایسه با هیدرولیز سریع‌تر انجام می‌شود. بر خلاف هیدرولیز ساده به گلوکز، تری ساکاریدها عمدتاً از طریق توالی های هیدروژناسیون-هیدرولیز تبدیل می شوند.

نتیجه گیری

الیگوساکاریدهای تریمریک به عنوان بسترهایی برای تشکیل سوربیتول مورد مطالعه قرار گرفته اند. هیدروژنه شدن چنین الیگوساکاریدهایی به دنبال هیدرولیز تسهیل شده واحد سوربیتول نهایی نیز می تواند مشاهده شود. یک مطالعه با زمان حل و فصل و تجزیه و تحلیل جنبشی تاکید می کند که این مسیر واکنش در دماهای واکنش پایین و برای الیگومرهای طولانی تر ترجیح داده می شود. انتخاب جنبشی هیدروژناسیون در مقابل هیدرولیز با رسیدن اندازه الیگومر به ترتیب به نسبت ۲۴ و ۱۵ در ۳۹۳K فرمالتوتریوز و سلوتریوز افزایش می یابد.

مخلوط سلول‌های الیگومری که از طریق پیش درمان سلولز در دسترس هستند ممکن است زودرس باشند. با این وجود، مشاهدات ما به وضوح اهمیت مسیر توصیف شده تولید سوربیتول را نشان می دهد. به خصوص در دماهای پایین تر و با افزایش اندازه الیگومر، هیدروژناسیون ترجیحی و هیدرولیز واحد سوربیتول نهایی باید در نظر گرفته شود. در این راستا، هیدروژنولیز الیگوساکاریدهایی مانند نشاسته و سلولز باید از نقطه نظر مکانیکی مورد بررسی قرار گیرد.