Conversione di lignina Organosolv in fenoli mediante l'uso del catalizzatore Nickel Raney

The use of lignocellulosic biomass to obtain pulp paper, biofuels and chemicals produces a large amount of lignin as a by-product. Industrial availability is around 100 Mt / y for a value that is estimated to exceed $ 900 million by 2025.The upgrading of lignin into chemicals requires the development of more efficient conversion processes. This is one of the objectives of the "Biofuels Research Infrastructure for Sharing Knowledge II (BRISK II) project, funded by the EC within the H2020 program and in the context of which ENEA has carried out the following activities. The hydrocracking of organosolv lignin was performed by using Nickel Raney catalyst. Organosolv lignin was obtained from the pretreatment of eucalyptus wood at 170° C for 1h by using 1/100/100 (w/v/v) ratios biomass/oxalic acid solution (0,4% w/w)/1-butanol. The obtained organic phase of lignin in 1-butanol was used in hydrogenation tests. The conversion of lignin was carried out with a batch reactor equipped with a 0.3 l vessel with internal stirrer and heat control. The reactor was pressurized at 5 bar with hydrogen at room temperature, then the temperature was raised in the range 260-300 °C and kept for 30-90 min, combining the parameters by an experimental design (DOE). The organic liquid phase, obtained at the end of the reaction, was analyzed by GC-MS to determine low molecular weight fragments. Lignin conversion into monomers reached the 9 wt% at optimized conditions. The GPC (Gel Permeation Chromatography) was used to determine molecular size distribution before and after the hydrogenation. During the tests COx and C1-C3 hydrocarbons were produced at low percentage, they were quantified by CG in the stream flowing from the batch reactor when it was depressurized at room conditions.

L'impiego della biomassa lignocellulosica, per ottenere biomateriali, biocarburanti e sostanze chimiche, produce una grande quantità di lignina come sottoprodotto. La disponibilità a livello industriale è di circa 100 Mt/a, per un valore che si stima possa superare i 900 M$ entro il 2025. La valorizzazione della lignina in sostanze chimiche richiede lo sviluppo di processi di conversione maggiormente efficiente. Questo è uno degli obiettivi del progetto “Biofuels Research Infrastructure for Sharing Knowledge II”, BRISK II [1]), finanziato dalla EC all’interno del programma H2020, e nel cui contesto ENEA ha effettuato le attività riportate di seguito. In questo lavoro è stato eseguito l’idrocracking della lignina utilizzando il catalizzatore Nickel Raney. La lignina è stata isolata da legno di eucalipto mediante un processo detto “Organosolv” a base di solventi organici, in questo caso il solvente utilizzato è il butanolo che a sua volta può essere prodotto per via fermentativa. La lignina è stata isolata dal pretrattamento della biomassa a 170 °C per 1 ora, utilizzando una soluzione acquosa allo 0,4% di acido ossalico e 1-butanolo. La fase organica separatasi alla fine del processo e contenente lignina è stata utilizzata nei test d’idrogenazione. La conversione della lignina è stata realizzata in un reattore di Parr® da 0,3 l provvisto di agitatore interno e controllo della temperatura. Il reattore è stato pressurizzato a 5 bar con idrogeno a temperatura ambiente, quindi la temperatura è stata portata a elevata temperatura (260-300 °C) e mantenuta per 30-90 minuti, combinando i parametri secondo un disegno sperimentale (DOE). La fase liquida organica, prodotta a fine reazione, è stata analizzata mediante GC-MS per determinare i frammenti a basso peso molecolare. In condizioni ottimizzate, il 9% della lignina è stato convertito in monomeri. La Gel Permeation Chromatography (GPC) è stata utilizzata per determinare la distribuzione delle dimensioni molecolari prima e dopo l'idrogenazione. Durante le prove sono stati prodotti anche COx e idrocarburi C1-C3 quantificati mediante analisi CG della fase gassosa all’interno del reattore a fine test.