המעבר מכלכלה מבוססת דלק מאובנים לכלכלת בר-קיימא, המבוססת על ביולוגית, נשענת על המרה יעילה של זרזי ביומסה בשפע למוצרי ערך גבוהים.בין המסלולים המבטיחים ביותר הוא הטרנספורמציה הקטליטית של ביקורות ביומסה-דרדריביות - כגון גלוקוז, xylose, ו- fructating – בפלטפורמת כימיקלים אלה משמשים כאמצעי למגוון רחב של מוצרים, כולל שיטות עיבוד ביולוגיות מתקדמות, ופתרונות יעילים, ללא ספק.

הבנת טכנולוגיות בביומסה

כימיקלים בפלטפורמות הם תרכובות בעלות משקל נמוך שניתן להפוך עוד יותר לפורטפוליק מגוון של מוצרים סופיים.הדיווחים המרכזיים של מחלקת האנרגיה של ארצות הברית זיהו קבוצה של כימיקלים "עלו על ערך מביומסה", אשר הפכו מאז למרכז למושגים ביו-פרימיטריים.

  • (FLT:0)Furfuralph1: המיוצר באמצעות חומצה-קטליזד של דחפוסים (למשל, xylose) הוא מבשר לפולימרים המבוססים על פרוותן, רזים וכימיקלים מיוחדים כמו אלכוהול פרופורמולה וטטרמולן.
  • (FLT:05-Hydroxymethylfurfural (HMF) FLT:1: Derived from hexoses (למשל גלוקוז, פרוקטוז) באמצעות dehydration. HMF ניתן להמיר ל 2,5-furicarboxylic חומצה (FDCA), מונומר מתחדש עבור פוליאתלייט (F) כמו גם חומרים מפלסטיק וחומצה בינונית.
  • (FLT:0) לווליאני AcentiidFLT:1: לעתים קרובות מיוצר מ HMF באמצעות הידבקות, אבל גם ישירות מסוכרים באמצעות זרזים עם אתרי חומצה לואיס. Levulinic הוא סינתון צדדי עבור תוספי דלק, עשבי מרפא ופלסטיק.
  • (FLT:0)EthanolveFLT:1; המיוצר באופן מסורתי באמצעות תסיסה, אבל נתיבי קטליטי (למשל, מימן של סוכרים או הידרוליזה של צלולוז) מציעים פוטנציאל להמרות כימית ישירה יותר.
  • (FLT:0) טקטיקות Acidph:1: ניתן לייצר באמצעות המרה קטליטית של סוכרים (למשל, שיתוק heterogeneous באמצעות סנו-Beta zeolite) ומשמש מונומר עבור חומצה פולילאקטית ביו-דפל (PLA).
  • (ב) ,0 (ב) ,(ב) ,(ה) ,(ה) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כל אחד מהכימיקלים האלה ניצב בפני קבוצה ייחודית של אתגרים בסלקטיביות, בתשואות ובעיבוד מטה הזרם.יש לתכנן בקפידה את מערכת הקטרקטיקה כדי לתמוך במסלול התגובה הרצוי תוך דיכוי תגובות לא רצויות כמו היווצרות חומוס (אשר מוביל לטיהור כריז וזרז).

התפקיד המרכזי של Catalysts ב- Sugar Conversion

סוכרים בעלי עוצמה ביולוגית הם מולקולות פונקציונליות מאוד עם קבוצות הידרוקסיל רבות וקבוצת פחמן תגובתית.הההמרות שלהם לכימיקלים פלטפורמה בדרך כלל כרוכה בסדרה של התייבשות, מימן, מימן, מימן, חמצון, או C-C-C-C-C-C-forming תגובה ללא זרז, תגובות אלה דורשות לעתים קרובות טמפרטורות קשות ולחצים, מה שמוביל להורדתיות והשפלה נרחבת.

בתהליכים ביו-ריטריים רבים, בחירת הזרז מתכתיב לא רק את התשואות המוצר אלא גם את טביעת הרגל האנרגיה ואת העלות של הפרדה. לדוגמה, חומצות הומוגניות כמו חומצה sulfuric הן פעילות מאוד, אלא גם לגרום קורוזיה ודורשת צעדים ניטרליים, יצירת שפכים מלח. heterogeneous זרז, בניגוד, הם קלים יותר להפריד ולשימוש מחדש, מה שהופך אותם בר קיימא עבור יישומים גדולים, כגון חמצון, או זרזים טיפוסי, תוך כדי יצירת מתחמיים אופייניים של חומרים נוגדי חמצון, או זרזים, עם זרזים, עם זרזים אופייניים של חומצה אופטיים, עם זרזים של חומרים נוגדי חמצון, עם זרזים, לעומת זאת, עם זרזים, לעומת זאת, עם זרזים של חומרים כימיים.

כיתות Catalyst גדולות עבור biomass-Derived Sugars

Catalysts

תגובות Acid-catalyzed הן בסיסיות בדלוי סוכר לפרואנים וב הידרוליזה של פוליסקוכריזידים. הן Brønsted והן אתרי חומצה לואיס משחקים תפקידים חשובים. זרז הומוגני קלאסי כגון חומצה sulfuric ו FLT:0pLT:1-toenesonic acid הם יעילים מאוד אבל לסבול ממגירות אינטנסיביות, כיום מתמקדת:0prossulfogenic מתמקדת על ידי חומצה אינטנסיבית.

  • (FLT:0) זאלולייטים (ZeolitesphFLT:1): מיקרו ⁇ אלומיניום כמו H-ZSM-5, H-Beta, ו- H-Y מציעים חומציות Brønsted בתוך פוחיות בצורת-selective.הם למדו באופן נרחב עבור גלוקוז-to-HMF ו- xylose-to-to-fural המרות.
  • (FLT:0sulfonated CarbonsFLT:1: חומרי פחמן (biochar, פחמן מופעל, צינורות פחמן מופעל) פונקציונלי עם - קבוצותSO3H משלבות חומציות גבוהה עם משטח הידרופובי הדוח מים, ובכך מדכא תגובות צד לא רצויות.
  • (FLT:0)Metal OxigidesFLT:1: תחמוצות מעורבות כגון חומצה חנקנית (Nb2O5 nH2O), zirconia, heteropolyacids (למשל, H3PW12O נתמך על תחמוצות לספק חומרים חזקים של לואיס ו Brnsøtedity הם פעילים עבור אחד-יכולים כמו המרה של כימיקלים ישירות לתוך מצע ישר לתוך מולקולה.
  • <חזק>Ion-Exchange Res: ריבונים מסחריים כמו אמברליסט 15 או Nafion מציעים אתרי חומצה sulfonic מוגדרים היטב אך יש להם יציבות תרמית מוגבלת (בדרך כלל < 150 מעלות צלזיוס).

בסיס Catalysts

תגובות מבוססות-קטוזות הן קריטיות עבור האיזור של גלוקוז ל fructose, aldol condensation עבור היווצרות C-C אג"ח, ותגובה רטרו-aldol המוביל חומצה lactic. בסיסים מוצקים נפוצים כוללים hydrotalcites (שכבות כפולות), MgO, CaO, ו zeolites בסיסיים שלהם יכול להיות מכוון על ידי קומפוזיציה תרמית יעילה.

Metal Catalysts

זרזי מתכת, במיוחד אלה המכילים מתכות אציליות כמו Pt, Pd, Ru, ו- Au, כמו גם מתכות לא-נובל כמו Ni, Cu, Co, ו- Fe, הם חיוניים עבור מימן, מימן, ותגובות חמצון. לדוגמה, מימן של גלוקוז כדי sorbitol הוא בשימוש מסחרי על פני ראני או Ru / זרז.

  • (FLT:0) השפעות מהירות (FLT:1): חלקיקים מתכת מפוזרים בדרך כלל על תמיכה כגון פחמן, אלומיניום, טיטניה, או זאוליטים.התמיכה יכולה להשפיע על פעילות באמצעות אינטראקציות תמיכה מתכת (למשל, TiO2 תומך בפעילות Pt עבור מימןolysis).
  • (FLT:0)Bimetallic ו- Multimetallic SystemsveFLT:1: מתכות Alloying (למשל, Ni-Cu, Pt-Sn, Ru-Ni) יכול לשנות באופן משמעותי את התכונות הקטליטיות באמצעות אפקטים אלקטרוניים וגיאומטריים, המוביל לשיפור סלקטיבות והתנגדות לפירוק.
  • (FLT:0) חלופות מתכת לא-נובלות: בשל העלות הגבוהה של מתכות קבוצתיות הפלטינה, יש עניין גובר מתכות מבוללות על פני האדמה.לדוגמה, זרזים מבוססי Ni (לעיתים קרובות עם Mo, W, או Fe מקדם) להראות פעילות מבטיחה עבור הידרודה-אוקסגנס של sorbitol to Alkanes.

Catalysts פונקציונלי ורב-תפקודי

המרות כימיות רבות של סוכר-ל-platform דורשות תגובות זניחות עם פונקציות קטליטיות שונות. זרזים ביולוגיים בפונקציה משלבים שני אתרים פעילים יותר (למשל, חומצה ומתכת) בחומר יחיד, המאפשרים תשואה אחת, ריבוי שלבים הבאים.דוגמה קלאסית היא ייצור של פרופורציה מ xylose באמצעות חומצה מוצקה, ואחריו מימן לאלכוהול על אותם אתרי מתכת חשובים יותר ויותר.

אסטרטגיות עיצוב מפתח עבור פסיכואנליזה

שטח משטח חוצות ופורוסיות

נגישותם של אתרים פעילים לסוכר תת-שכבות – שהן מולקולות גדולות יחסית (טרטרוטיקה אנטית > 0.6 nm for monosaccharides) – היא קריטית. Micro ⁇ s (< 2 nm קוטר) לעתים קרובות מגבילות תחבורה המונית, המוביל לשיעורי תגובה נמוכים ומבנה coke בתוך poresscating חומרים עם נקבוביות היררומטית (microsoological) ו-psogicial מחזירה את כל אלה עם CMVic ⁇ dic) ו-DVicial (חומרים).

הנדסה Active Sites

שליטה בטבע, כוח וצפיפות של אתרים פעילים היא רבת ערך.זה יכול להיות מושג דרך:

  • (FLT:0) DopingofLT:1: שילוב heteroatoms (למשל, N, P, B) לחומרי פחמן או תחמוצת מתכת משנה תכונות אלקטרוניות ויוצר אתרים קטליטיים חדשים. לדוגמה, פחמן דו-דופדן תומך להגביר את פעילות המימן של חלקיקים עבור המרה פרוקטוז.
  • (FLT:0) Alloying and IntermetallicssveFLT:1; כאמור, זרז bimetallic לעתים קרובות להציג אפקטים סינרגיסטיים.השליטה המדויקת על סגסוגת וגודל חלקיקים (למשל, באמצעות סינתזה קולית) מאפשר כוונון עדין של מרכז ואנרגיות מודעות.
  • (FLT:0) הנדסה הנדסה הנדסה הנדסת חשמל:1: היכרות של vacancies חמצן במיתחמוצת מתכת (למשל, CeO2, TiO2) מייצרת אתרי חומצה פעילה לואיס שיכולה לזרז את רמת הגלוקוז ללא מתכות חיצוניות.
  • (FLT:0Single-Atom CatalystsherFLT:1 ; אטומי מתכת מפוכחים מעוגן על תמיכה (למשל, FeNx / C או Pt1 / CeO2) מציעים יעילות מקסימלית ולעתים קרובות בחירה ייחודית.עבור המרה ביומסה, יחיד-atom Ru על nitride הראה פעילות מצוינת במינוזה של sorbitolsol.

עידוד יציבות ויציבות

Catalyst deactivation הוא מכשול עיקרי בהמרות הביומסה. מנגנוני הטיהור המשותף כוללים כיפוף (התערות של מינים פחמן-עניים), חטאת חלקיקים מתכת, נטיעת מינים פעילים (במיוחד בתקשורת חומצית קפואה), והרעלת על ידי זיהומים (למשל, אsh, sulfur אסטרטגיות).

  • (ב) [ה]: [ה], [ה], [ה], [ה], [ה], [ה],] זרזים מדבקים בשכבת הידרופובית (למשל, שפילין או פחמן) דוחים מים, מקטינים ומשפרים את היציבות בתגובות שלב קפואות.
  • (ב) ,0) קבלת פנים עם מתכת בסיס 1 (FLT: הוספת מקדם כמו Zn או Ga לזרזי מתכת יכול לדכא חטאים ומבנה.
  • (FLT:0) השימושים ב-Stable Supports: Refractory oxides (ZrO2, TiO2) ו-Gemitized Carbons עמידים יותר ל- hydrolysis מאשר silica או amorphous Carbon. Encapsulation of מתכת nanoparticles בתוך גבישים זאוליטיים (מבנה של ליבות או יוקלל-hellshellshellshells) להגן מפנים.
  • (FLT:0) חידוש פרוטוקולים של ההרחבה:1: זרזים רבים מפענחים ניתן לשחזר על ידי חמצון באוויר (לשרוף את coke) או על ידי כביסה עם חומצה קלה / בסיס, אבל העיצוב צריך לאפשר באופן חדיר עבור מחזורים מרובים.

עיצוב ולמידה של מכונות

עיצוב זרז רדינל מודרך יותר ויותר על ידי גישות חישוביות.דונות תאוריה פונקציונלית (DFT) חישוב מנגנוני תגובה, זיהוי צעדים קביעת קצב, חישוב אנרגיות של ביניים על פני השטח השונים.שלבים מודלים מיקרוקינטיים משלבים נתונים DFT כדי לדמות את שיעורי התגובה בתנאים מציאותיים.מאוחר יותר, אלגוריתמים למידת (ML) משמשים למסך ספריות גדולות של זרזים פוטנציאליים (למשל, סגסוגת או סגסוגת) יכולים גם על ידי סגסוגת של סגסוגת של סגסוגת של סגסוגת או סגסוגת של סגסוגת או גלקסיות.

טכנולוגיות מתקדמות וטכנולוגיות מתפתחות

Catalysts

Nanoscale Engineering פתח אפשרויות חדשות עבור biomass Catalysis. Nanoparticles עם צורות מבוקרות (למשל, קוביות, חוטים, octahedra) לחשוף היבטים מסוימים המציגים פעילויות קטליטיות שונות באופן דרמטי.לדוגמה, Pt על סביבות המרת גבוה של ננו-cubes מראה סלקטימנטליות שונות בהשוואה Pt על פני זרז זרז זרז, 2D2x עצמם (x) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Metal-Organic Frameworks (MOFs)

MOFs הם חומרים גבישיים בנוי מאבני מתכת וקישורים אורגניים.אזורי פני השטח הגבוהים שלהם, גדלים טונהיים, פונקציונליות מגוונת להפוך אותם אטרקטיביים כמו זרז או זרז תומך לתגובות ביומסה.לדוגמה, MOF MIL-101(Cr)-SO3H כבר בשימוש כחומצה מוצקה עבור פיזור ⁇ עם תשואה מעולה של MIL-FIX (Opi) למרות התפתחויות קשות של מים (Opi) עם זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, עם קיבולת גבוהה יותר מ-FKFKD) עם , עם , לעומת זאת, עם ® (OpH) ® (OpiFK) קיבולת גבוהה יותר מדי פעם) , עם , עם , עם זאת, לעומת זאת, עם קיבולת גבוהה יותר מדי פעם אחת) , עם קיבולת גבוהה יותר מדי 25.

גישות ביו-קטליטיות

Enzymes מציעיםסלקטיביות שאין דומה בתנאים קלים, ואת שילובם של מערכות קטליטיות היברידיות הוא תחום של מחקר פעיל. אנזים Immobilized (למשל, גלוקוז הואמראז, xylanase) ניתן להשתמש ב- cascade עם סכיזופרניה תנאים מתאימים "לחמניות" עבור המרות חד פעמיות.

תהליך Intensification

בנוסף לתכנון זרז, תצורת הכור ותנאי הפעולה משפיעים מאוד על ביצועי תהליך העצמת טכנולוגיות כגון FLT:0microwave-sted מחמם FLT:1,FLT:2 הנדסת תהליכים כגון זרז זרז 3, ו-FLT:4 שטף זרימה קלה של תחליפים זורמים תחליפיים:5 כבר יחד עם חידושים כדי לשפר את הגלקסיות, ולהפחית את הפחתת זמן הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת המיזוג.

אתגרים ותובנות עתידיות

למרות התקדמות משמעותית, כמה hurdles להישאר לפני תהליכים קטליטיים אלה יכול להשיג מלוא הכדאיות המסחרית. ראשון, FLT:0selectivityFLT 1 נשאר אתגר: תגובות צד (למשל, פולימריזציה למזומנים, זרז נוסף לתרכובות הידרוגניות) לעתים קרובות להפחית את התשואות אורגניות, במיוחד בהמרות גבוהות יותר, את הסביבה ה-DLT2, 3.

במבט קדימה, השדה כנראה יתמקד:

  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0 Data-orientedגילויFLT:1) באמצעות ניסויים מהירים המשולבים עם AI, לזהות במהירות חומרים אופטימליים.
  • (FLT:0) עיצובי מעגליים (FLT:1) של זרזים באמצעות רכיבים מתחדשים או ניתנים למחזור (למשל, תמיכה ביולוגית, מתכות מבוללות באדמה) כדי למזער את טביעת הרגל הסביבתית.
  • (FLT:0) ביו-רפיוריטריות משולבות (BrefintureeriesFLT:1), שם המרה הקטליטית משתתפת בצורה חלקה עם טיפול ביומסה במעלה הזרם והפרדה של המוצר במורד הזרם, צמצום צריכת האנרגיה והמים הכוללת.

פרספקטיבה חיצונית מן הסקירות האחרונות מדגישה את החשיבות של זרזי חומצה מוצקה עבור דפלת סוכר 1:1 ואת הפוטנציאל של FLT:2single-atom זרז ב biomass שדרוגFLT 3 בנוסף, הנהגים הכלכליים נדונים במאמר מקיף FLT:4 טבע תקשורת על חומרים כימייםLT5:555 ⁇

מסקנה

תכנון זרזים יעילים להמרות של סוכרים מוצצים בביומסה לכימיקלים פלטפורמה הוא אתגר רב-פעמי השוכן בלב הביו-כלכלה.על ידי הבנת הכימיה הבסיסית של הטרנספורמציות הסוכר והמינוף של חומרים מתקדמים - החל משינויי אקלים גבוהים-אווירהתניים ועד להגדלת תהליכי הפיתוח הכימיים שלנו, יהפכו את הגמישות הבין-טבעית לטכנולוגיות של התפתחותיות, באופן טבעי, כמו קרינת-מימדינית-אווירית, לתהליכים סביבתיים, ואקלים- ⁇ -ה, ליציבות, לתהליכים חדשים, כמו גם את תהליכי פיתוח קרינת- ⁇ - ⁇ - ⁇ .