بررسی جنبشی تبدیل کاتالیزوری سلوبیوز به سوربیتول

مسیر واکنش و سینتیک تبدیل سلوبیوز به سوربیتول کاتالیز شده توسط اسیدهای سیلیکوتونگستیک همراه با روتنیوم پشتیبانی شده بر روی کربن فعال مورد مطالعه قرار گرفت. دو مسیر واکنش متقابل که از سلوبیوز شروع می شود می تواند تأیید شود. تبدیل سلوبیوز یا به دنبال هیدرولیز به گلوکز انجام می شود یا از طریق هیدروژناسیون سلوبیوز به سوربیتول (۳-Dglucopyranosyl-D-glucitol) انجام می شود.

سوربیتول بعداً به گلوکز هیدرولیز می شود. در دمای متوسط ​​۳۹۳ کیلو سوربیتول محصول اصلی با حداکثر انتخاب ۸۱٪ می شود. بالا بردن دمای واکنش به ۴۴۳ K، گزینش سوربیتول را به ۱٪ و حداکثر گزینش پذیری را تا ۷۵ کاهش می دهد. مدل سازی جنبشی انرژی فعال سازی ۱۱۵ و ۶۹kJmol -1 را برای هیدرولیز سوربیتول و هیدروژناسیون متعاقب گلوکز نشان می دهد. برای تشکیل سوربیتول به دنبال هیدرولیز ۷۶ و ۱۰۳ kJmol -1 را می توان همراه با سرعت واکنش کلی بالاتر در دماهای پایین تعیین کرد.

بررسی تبدیل کاتالیزوری سلوبیوز به سوربیتول

در سال های اخیر نگرانی در مورد کاهش ذخایر سوخت های فسیلی، افزایش تقاضای انرژی و چالش های جهانی، جامعه ما را بر آن داشته تا به دنبال منابع جایگزین انرژی و مواد اولیه برای صنایع شیمیایی باشد. زیست توده یک منبع کربن جایگزین بسیار امیدوار کننده است که قابل تجدید و به طور بالقوه پایدار است.

در بین انواع سلولهای زیست توده، گسترده ترین پلی ساکاریدهای غیرخوراکی است و به عنوان یکی از مواد اولیه اصلی برای تولید سوخت و مواد شیمیایی پایدار در نظر گرفته می شود. با این حال، ارزش گذاری سلولز به دلیل ساختار بلوری قوی و عدم حلالیت آن در حلالهای معمولی هنوز چالش برانگیز است.

اکثر فرآیندها از مصرف زیاد انرژی و انتخاب پذیری شیمیایی پایین رنج می برند. بنابراین، طراحی سیستمهای کاتالیزوری انتخابی و کارآمدتر برای تبدیل سلولز به مواد شیمیایی پلتفرم بسیار مطلوب است. به خصوص ترکیب اسیدهای مولکولی با کاتالیزورهای فلزی پشتیبانی شده، فرصتی امیدوارکننده برای تبدیل سلولز به مواد شیمیایی با ارزش افزوده مانند سوربیتول ایجاد می کند.

سوربیتول به عنوان پیش ساز در صنایع غذایی و دارویی

سوربیتول به عنوان پیش ساز در صنایع غذایی و دارویی و به عنوان ماده شیمیایی بستر برای سنتز ترکیبات شیمیایی مانند ایزوسوربید، سوربیتان، گلیسرول، L- سوربوز و غیره استفاده می شود. علاوه بر این، تبدیل بیشتر سوربیتول به آلکانها و همچنین اصلاح فاز آبی کارآمد برای تولید هیدروژن نشان داده شده است.

اخیراً چندین مطالعه تبدیل کاتالیزوری سلولز به سوربیتول را گزارش کرده اند. یک سیستم کاتالیزوری حاوی اسیدهای مولکولی مانند H2SO4  ،HCl یا اسیدهای هتروپولی همراه با کاتالیزورهای فلزی پشتیبانی شده مانند Pt ، Pd و Ru می تواند به طور موثری تبدیل سلولز به سوربیتول را کاتالیز کند. بالاترین عملکرد الکلهای قندی (۸۱)) را می توان با ترکیب اسیدهای هتروپولی با کاتالیزورهای روتنیوم پشتیبانی شده بدست آورد.

مطالعات قبلی بر طراحی سیستم های کاتالیزوری کارآمد برای تبدیل سلولز به سوربیتول به منظور افزایش بهره وری متمرکز شده بود. با این حال، تنها چند بررسی مکانیکی در دسترس است  و یک مدل جنبشی کامل که توصیف کننده تبدیل کاتالیزوری سلولز به سوربیتول است هنوز وجود ندارد.

مطالعات مکانیکی و سینتیک واکنش می تواند بینشی از مسیر واکنش ارائه دهد و به شناسایی ترکیبات واسطه ای کلیدی در شبکه واکنش کمک کند. چنین مطالعاتی امکان توضیح کمی از اثرات شرایط واکنش بر میزان واکنش و انتخاب محصولات مورد نظر را فراهم می کند. بنابراین، تجزیه و تحلیل جنبشی ممکن است به بهبود عملکرد کاتالیزوری توسعه فرایند کمک کند.

هدف از این کار کسب بینش در مورد مکانیسم واکنش و سینتیک تبدیل کاتالیزوری سلوبیوز به سوربیتول است. سلولز یک پلیمر با ساختار مولکولی بسیار پیچیده است که مطالعه جنبشی دقیق در مورد تبدیل آن را دشوار می کند.

بنابراین، مطالعه مولکولهای ساده سلولز مانند سلوبیوز امکان امیدوار کننده ای را ارائه می دهد. سلوبیوز واحد تکراری اصلی سلولز را نشان می دهد و شامل دو مونومر گلوکز است که توسط یک پیوند گلیکوزیدی (۱-۴) به هم متصل شده اند. مطالعه ارائه شده بر سینتیک هیدروژناسیون هیدرولیتیک سلوبیوز به سوربیتول با سیستم کاتالیزوری متشکل از اسیدهای هتروپولی و کاتالیزور روتنیوم پشتیبانی شده (۵ درصد وزنی Ru/C) متمرکز است.

علاوه بر این، مسیرهای احتمالی واکنش و ترکیبات واسطه ای کلیدی این واکنش مورد بحث قرار می گیرد. در مطالعه جنبشی اثرات انتقال جرم بر ساختار هیدروژناسیون سلولز و سلوبیوز ارزیابی می شود و مدلهای جنبشی که دماهای مختلف را پوشش می دهند، توسعه داده می شوند.

نتیج گیری

مطالعه مکانیکی ما بر روی هیدروژناسیون هیدرولیتیک سلوبیوز به سوربیتول دو مسیر واکنش دیگر را که از سلوبیوز شروع می شود تأیید می کند. سلوبیوز یا تحت هیدرولیز به گلوکز یا هیدروژناسیون به سلولوبیول (۳-D-glucopyranosyl-Dglucitol) قرار می گیرد.

سلولوبیول را می توان بیشتر به گلوکز و سوربیتول هیدرولیز کرد. با استفاده از کاتالیزور Ru/C در آب خنثی و شرایط واکنش مناسب، سوربیتول را می توان به صورت انتخابی با حداکثر عملکرد ۹۹ تولید کرد. به طور کلی، تبدیل سلوبیوز به سوربیتول که از طریق تشکیل سوربیتول انجام می شود، امکان پذیر است.