Study of a green process forthe production of furfural from hemicellulosic residues of biomass
Etude d'un procédé durable de production de furfural à partir des résidus hémicellulosiques issus de la biomasse
Résumé
Along with the depletion of fossil reserves and environmental concerns, the utilization of renewable lignocellulosic biomass stands out as a promising avenue for the production of non-petroleum-derived chemicals. One such chemical of interest is furfural, which serves as a viable substitute for biofuels and additives. Furfural can be efficiently generated through the acid dehydration of C5 sugars found in hemicelluloses within lignocellulosic materials. The primary objective of this study is to develop a sustainable process for converting C5 sugars, present in hydrolysates from biomass hydrolysis (via the LEEBioTM process), into furfural using formic acid as a catalyst. Formic acid exhibits considerable promise due to its dual functionality: serving as both a solvent in biomass hydrolysis, yielding sugar-rich hydrolysates, and as an effective catalyst for the dehydration of C5 sugars into furfural. The study investigated the impact of various operating parameters on furfural production, aiming to identify optimal conditions through batch system experiments utilizing synthetic solutions. Three extraction methods - steam stripping, biphasic organic solvent systems, and supercritical carbon dioxide (Sc-CO2) extraction - were employed to extract furfural from the reaction medium, thereby preventing furfural degradation and enhancing both yield and selectivity. These extraction processes facilitated the recovery of all produced furfural in the extract, while minimizing concentrations of xylose and furfural in the reactor. Furthermore, the potential of formic acid as a fractionation solvent and catalyst for the conversion of C5 sugars into furfural was explored using hydrolysates obtained from biomass fractionation via the LEEBioTM process. Under optimized conditions, furfural yields from real biomass hydrolysates surpassed those reported in the literature for all investigated systems. Additionally, a kinetic model was developed to offer detailed insights into the conversion of C5 sugars into furfural catalyzed by formic acid. This model proved highly accurate, predicting maximum achievable yields with over 90% precision. However, the presence of additional compounds, such as inorganic elements and hexose sugars, did affect the model’s accuracy. Nonetheless, the model remained instrumental in optimizing furfural production from raw materials like xylans and real biomass hydrolysates.
Avec l’épuisement des réserves fossiles et les préoccupations environnementales, l’utilisation de la biomasse lignocellulosique renouvelable apparaît comme une voie prometteuse pour la production de produits chimiques non dérivés du pétrole. L’un de ces produits chimiques intéressants est le furfural, qui constitue un substitut viable aux biocarburants et aux additifs. Le furfural peut être généré efficacement par la déshydratation acide des sucres C5 présents dans les hémicelluloses des biomass lignocellulosiques. L’objectif principal de cette étude est de développer un procédé durable de conversion des sucres C5, présents dans les hydrolysats de la biomasse (via le procédé LEEBioTM), en furfural en utilisant l’acide formique comme catalyseur. L’acide formique est très prometteur en raison de sa double fonctionnalité : il sert à la fois de solvant dans l’hydrolyse de la biomasse, produisant des hydrolysats riches en sucre, et de catalyseur efficace pour la déshydratation des sucres C5 en furfural. L’étude a examiné l’impact de divers paramètres opératoires sur la production de furfural, afin d’identifier les conditions optimales par le biais d’expériences en système discontinu utilisant des solutions synthétiques. Trois méthodes d’extraction - stripping à la vapeur, solvants organiques dans le système biphasiques et extraction au dioxyde de carbone supercritique (Sc-CO2) - ont été exploitées pour extraire le furfural du milieu réactionnel, empêchant ainsi sa dégradation et améliorant à la fois le rendement et la sélectivité. Ces procédés d’extraction ont facilité la récupération de tout le furfural produit dans l’extrait, tout en minimisant les concentrations de xylose et de furfural dans le réacteur. En outre, le potentiel de l’acide formique en tant que solvant de fractionnement et catalyseur pour la conversion des sucres C5 en furfural a été exploré en utilisant des hydrolysats obtenus à partir du fractionnement de la biomasse via le procédé LEEBioTM. Dans des conditions optimisées, les rendements en furfural obtenus à partir d’hydrolysats de biomasse réelle ont dépassé ceux rapportés dans la littérature pour tous les systèmes étudiés. De plus, un modèle cinétique a été mis au point pour fournir des informations détaillées sur la conversion des sucres C5 en furfural catalysée par l’acide formique. Ce modèle s’est avéré très précis, prédisant les rendements maximaux réalisables avec une précision de plus de 90 %. Cependant, la présence de composés supplémentaires, tels que des éléments inorganiques et des sucres hexosés, a affecté la précision du modèle. Néanmoins, le modèle est resté applicable pour optimiser la production de furfural à partir de matières premières telles que les xylanes et les hydrolysats de biomasse réels.
Domaines
Génie chimique| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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