Des chercheurs de l’Université de Kyushu ont développé un dispositif combinant un catalyseur et une réaction par flux micro-ondes pour convertir efficacement les polysaccharides complexes en monosaccharides simples. L’appareil utilise un processus d’hydrolyse à flux continu, dans lequel le cellobiose, un disaccharide composé de deux molécules de glucose, passe à travers un catalyseur au carbone sulfoné chauffé à l’aide de micro-ondes. La réaction chimique qui s’ensuit décompose le cellobiose en glucose. Leurs résultats sont publiés dans la revue ACS Chimie et ingénierie durables.
La conversion de la biomasse en ressources utiles est un sujet de recherche scientifique depuis des décennies. Les polysaccharides de la biomasse, sucres complexes à longue chaîne omniprésents dans la nature, sont considérés comme l’une des substances les plus prometteuses pour une conversion efficace, car ils peuvent être convertis en sucres simples qui, à leur tour, peuvent être utilisés dans les aliments, les produits pharmaceutiques et chimiques. synthèse.
L’hydrolyse est l’une des réactions chimiques les plus efficaces qui convertissent les sucres à longue chaîne en sucres simples, utilisant généralement des acides comme catalyseurs. Alors que de nombreux catalyseurs acides se présentent sous forme gazeuse ou liquide, les catalyseurs acides solides (qui, comme le mot le décrit, sont un acide sous forme solide) sont connus pour être plus recyclables et ont donc fait l’objet d’une attention particulière pour les chercheurs.
Cependant, les catalyseurs acides solides nécessitent des températures élevées pour réagir efficacement. Pour surmonter ce problème, le professeur agrégé Shuntaro Tsubaki de la faculté d’agriculture de l’université de Kyushu et son équipe ont étudié l’application de réactions à micro-ondes pour chauffer les catalyseurs solides pendant le processus de réaction.
« Les micro-ondes forment un champ de réaction localisé à haute température sur le catalyseur solide, ce qui peut conduire à une activité catalytique plus élevée tout en maintenant le système réactionnel global à une température plus basse », explique Tsubaki. « De plus, nous pouvons faire circuler le substrat en continu à travers le récipient de réaction où des micro-ondes sont appliquées au catalyseur, ce qui entraîne des rendements plus élevés du produit souhaité. »
Le dispositif développé par les chercheurs utilisait un catalyseur acide solide composé de carbone sulfoné. Le cellobiose, un disaccharide, a été utilisé comme substrat sucré modèle pour tester le système. Dans leur appareil, une solution de cellobiose passait à travers le catalyseur au carbone sulfoné qui était chauffé jusqu’à 100-140 ℃ à l’aide de micro-ondes. Le catalyseur briserait alors le cellobiose par hydrolyse et produirait le glucose monosaccharide.
L’une des clés de l’efficacité du système réside dans sa capacité à séparer les champs électriques et magnétiques du micro-ondes.
« Les micro-ondes produisent des champs électriques et magnétiques. Le champ électrique provoque le chauffage de matériaux dipolaires comme l’eau. C’est ce qui réchauffe vos aliments. Le champ magnétique, quant à lui, induit un chauffage de matériaux conducteurs comme les métaux et le carbone », explique Tsubaki.
« Dans notre appareil, nous avons pu augmenter l’activité catalytique en séparant les deux champs, puis en utilisant le champ électrique pour chauffer la solution liquide de cellobiose et en même temps en utilisant le champ magnétique pour chauffer le catalyseur. »
Les réactions catalytiques accélérées par micro-ondes ont été appliquées à diverses réactions chimiques, notamment la synthèse organique, le recyclage des plastiques et la conversion de la biomasse. L’équipe espère qu’à mesure que les sources d’énergie renouvelables continuent de croître, la production chimique électrique comme la leur contribuera à faire évoluer l’industrie vers un avenir plus vert.
« Nous espérons que notre système contribuera au développement d’une synthèse chimique plus durable. Nous aimerions également explorer l’utilité de notre méthodologie sur l’hydrolyse d’autres polysaccharides ainsi que dans les protéines pour la production d’acides aminés et de peptides », conclut Tsubaki. .
Plus d’informations :
Shuntaro Tsubaki et al, Hydrolyse efficace de la cellobiose sur un catalyseur de carbone sulfoné dans un réacteur à flux électrique et magnétique à micro-ondes spatialement séparé, ACS Chimie et ingénierie durables (2024). DOI : 10.1021/acssuschemeng.4c07690