Ein Panoramablick auf das katalytische Umwandlungsnetzwerk zur Verwertung lignozellulosischer Biomasse

Der Verbrauch fossiler Brennstoffe trägt zu erheblichen Treibhausgasemissionen und schwerwiegenden Klimaproblemen bei. Es ist zwingend erforderlich, nachhaltige Alternativen zur derzeitigen industriellen Produktion von Chemikalien und Kraftstoffen zu erforschen. Die effiziente Nutzung lignozellulosehaltiger Biomasse als Ersatz für fossile Ressourcen ist ein vielversprechender Ansatz zur Förderung einer nachhaltigen Entwicklung der modernen Gesellschaft.

Obwohl zahlreiche Verwertungswege für Lignozellulose erforscht wurden, sind großtechnische Verwertungen von Lignozellulose noch begrenzt. In diesem Zusammenhang hat eine Gruppe von Forschern die katalytischen Reaktionswege, Reaktionstypen und Schlüsselschritte für die selektive Herstellung verschiedener wichtiger Produkte aus Lignocellulose mit vier Panorama-Reaktionsnetzwerkkarten zusammengefasst.

Sie weisen auch auf die Herausforderungen und mögliche Lösungsstrategien in den Lignozellulose-Valorisierungsprozessen hin. Dies könnte einen umfassenden Überblick über das verwandte Gebiet bieten und die Entwicklung nachhaltiger und effizienter Lignocellulose-basierter Bioraffinerien erleichtern. Diese Rezension wurde veröffentlicht in Industrielle Chemie & Materialien.

„Die Verwertung von Lignocellulose für die Herstellung von Chemikalien oder Kraftstoffen war Gegenstand umfangreicher Forschung, die von zahlreichen Wissenschaftlern mit Fachkenntnissen auf diesem Gebiet umfassend überprüft wurde“, sagte der korrespondierende Autor Ying Zhang, Professor an der University of Science and Technology von China.

„Diese Übersichten bieten detaillierte Einblicke in die katalytische Leistung und die beteiligten Mechanismen, was für Forscher eine große Hilfe sein kann. Die groß angelegte Verwertung von Lignocellulose erfordert jedoch die gemeinsamen Anstrengungen von Wissenschaftlern, Ingenieuren, Wirtschaftsgutachtern, Unternehmern und politischen Entscheidungsträgern. Daher , ist eine prägnantere und umfassendere Panoramaperspektive für Personen erforderlich, die neu auf diesem Gebiet sind, sich aber dafür interessieren.“

„Diese Überprüfung kann die Identifizierung spezifischer Verarbeitungsabschnitte für die Herstellung von interessierenden Chemikalien aus Biomasse erleichtern und die Produktion im großen Maßstab fördern. Daher haben wir diese Arbeit durchgeführt, um einen umfassenden und präzisen Überblick über die Verwertung von Lignocellulose zu geben. die als wertvolle Ressource für Forscher, politische Entscheidungsträger und Branchenexperten gleichermaßen dienen kann.“

Erneuerbare Lignozellulose ist eine äußerst vielseitige Ressource, die zur Herstellung einer Reihe von Mehrwertchemikalien genutzt werden kann. Die Reaktionswege und entstehenden Produkte sind abhängig von den eingesetzten Rohstoffen. „Auf der Grundlage umfangreicher Forschungsergebnisse haben wir vier Panorama-Reaktionsnetzwerkkarten entwickelt, die kritische Schritte hervorheben, die bei der Verwertung lignozellulosehaltiger Biomasse beteiligt sind“, sagte Zhang.

Die Karten bieten einen detaillierten Überblick über die Umwandlungen von Zellulose in eine Reihe wertvoller C2- bis C6-Chemikalien sowie Reaktionen, die mit Plattformmolekülen wie 5-Hydroxylfurfural (HMF) und Furfural beginnen oder daran beteiligt sind, die in funktionelle Verbindungen umgewandelt werden können und Flugkraftstoffe. Die Übersicht umfasst auch die oxidative und reduktive Depolymerisation von Lignin sowie selektive Hydrodesoxygenierungsschritte, die zur Produktion verschiedener Monomere führen.

„Durch diese vier Karten können wir ein umfassendes Verständnis der Reaktionswege erlangen, die an der Verwertung von Lignocellulose beteiligt sind“, sagte Zhang.

Aber wie integrieren wir die Reaktionswege in praktische Anwendungen? Obwohl einige wenige kommerzielle und halbkommerzielle Produkte wie Furfural, Lävulinsäure, Vanillin, HMF und FDCA erfolgreich aus Lignocellulose oder ihren Hauptbestandteilen gewonnen wurden, sind die meisten Forschungsbemühungen derzeit auf Laborumgebungen beschränkt.

„Das Konzept einer integrierten Bioraffinerie kann nur erfolgreich sein, wenn die Kosten für Chemikalien, die aus Lignozellulose-Biomasse hergestellt werden, vergleichbar oder niedriger sind als die aus fossilen Brennstoffen“, sagte Zhang.

„Angesichts der Tatsache, dass sich ein Großteil der Forschung zur Verwertung von Biomasse noch in einem frühen Stadium befindet, reichen die Ergebnisse derzeit nicht aus, um eine technisch-ökonomische Analyse durchzuführen und Verbrauch) und die Produktrückgewinnung können als erste Richtlinie bei der Bewertung dienen, welche Rohstoffe, Chemikalien und Technologien eine weitere Nutzung verdienen, oder bei der Definition vorläufiger Leistungsziele, die das industrielle Potenzial haben können.

Das rationale Design von Katalysatoren ist entscheidend für die Verwertung von Lignocellulose. Laut Ying Zhang müssen eine Reihe von Herausforderungen bewältigt werden, um erfolgreich robuste und leicht regenerierbare Katalysatoren zu synthetisieren, multifunktionale Katalysatoren mit hoher Aktivität und Selektivität genau zu entwerfen und ein gründliches Verständnis des Reaktionsmechanismus zu erlangen. Diese sind der Schlüssel, um das volle Potenzial der wertvollen Ressource Lignocellulose auszuschöpfen.

„Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, den Lesern ein klares Verständnis der aktuellen Forschung und Anwendungen von Lignocellulose zu vermitteln und gleichzeitig die Herausforderungen aufzuzeigen, die es zu bewältigen gilt. Wir hoffen, dass es hilfreich ist, die Entwicklung innovativer Lösungen zu fördern, die dazu beitragen können nachhaltige Produktion von Chemikalien und Kraftstoffen durch umfassende Zusammenarbeit“, sagte Zhang.