Produção de 5-hidroximetil-2-furfural a partir de frutose catalisada por compostos de nióbio, de zircônio, e de resinas de troca iônica superacidificadas

Abstract

A produção de novos materiais não provenientes do petróleo acaba sendo muito desafiadora para os cientistas, gerando novas tecnologias que tornam os processos ambientalmente viáveis e sustentáveis. Um dos principais desafios desses processos está relacionado à redução de impactos ambientais, o que implica a necessidade de desenvolver materiais que eliminem a utilização e a produção de substâncias tóxicas. Uma alternativa para responder a essa demanda é investir em novos processos de biorrefinarias para converter a biomassa em biocombustíveis, bioenergia e produtos químicos orgânicos. O 5-hidroximetilfurfural (HMF) é um composto chave para produção de combustíveis e compostos de química fina a partir de fontes renováveis, com grande potencial de substituir derivados do petróleo, matérias plásticas sintéticas, produtos oriundos da química fina e fármacos. É produzido, principalmente, por desidratação da frutose ou da glicose utilizando-se catalisadores ácidos. Neste trabalho, essa reação foi estudada utilizando-se um reator tubular de leito recheado (PBR), empregando-se catalisadores à base de compostos de nióbio e de zircônio, ambos minerais abundantes no Brasil e com potencial aplicação como catalisadores, além de resinas de troca iônica modificadas (resinas CT275 e SGC650H superacidificada) e como solventes o DMSO (dimetilsulfóxido) e soluções constituídas por DMSO e água. Dentre todos catalisadores preparados e avaliados, as resinas de troca iônica superacidificadas geraram os melhores resultados, seguidos dos catalisadores à base de composto de zircônio e daqueles produzidos com compostos de nióbio. A comparação entre os rendimentos máximos obtidos utilizando-se as resinas CT275 e SGC650H e as suas formas superacidificadas mostrou uma diferença significativa entre os resultados obtidos, atingindo 28% e aproximadamente 100%, respectivamente. Nesse estudo, o tempo de reação foi a única variável significativa. Os melhores resultados observados foram para o sistema de alimentação constituído por DMSO e frutose. É importante salientar que nos resultados obtidos com as soluções preparadas de DMSO e água (9:1 molar e 9:1, em massa) praticamente igualaram os resultados obtidos com o solvente DMSO anidro. Para os demais catalisadores utilizados foi observado que nos meios reacionais formados por sistemas mistos constituídos por DMSO e água ocorreu uma diminuição de forma acentuada na conversão de frutose para HMF.

The production of new non-petroleum materials is very challenging for scientists, generating new technologies that make processes environmentally viable and sustainable. One of the main challenges of these processes is related to the reduction of environmental impacts, which implies the need to develop materials that eliminate the use and production of toxic substances. An alternative to respond to this demand is to invest in new biorefinery processes to convert biomass into biofuels, bioenergy and organic chemicals. 5-hydroxymethylfurfural (HMF) is a key compound to produce fuels and fine chemicals from renewable sources, with great potential to substitute petroleum derivatives, synthetic plastics, fine chemicals and pharmaceuticals. It is mainly produced by dehydration of fructose or glucose using acid catalysts. In this work, this reaction was studied using a packed bed reactor (PBR), using catalysts based on niobium and zirconium compounds, both of which are abundant in Brazil and with potential application as catalysts, as well as modified ionic exchange resins (resins CT275 and SGC650H superacidified) and as solvents the DMSO (dimethylsulfoxide) and solutions consisting of DMSO and water. Among all catalysts prepared and evaluated, the superacidified ion exchange resins generated the best results, followed by the zirconium compound catalysts and those produced with niobium compounds. Comparison between the maximum yields obtained using the CT275 and SGC650H resins and their superacidified forms showed a significant difference between the results obtained, i.e., 28% and approximately 100%, respectively. In this study, the reaction time was the only significant variable. The best results were observed for the feed system consisting of DMSO and fructose. It is important to note that the results obtained with the prepared solutions of DMSO and water (9:1 molar e 9:1, w/w) practically equaled the results obtained with the solvent DMSO anhydrous. For the other catalysts used it was observed that in reactive media formed by mixed systems composed of DMSO and water, a marked decrease in the conversion of fructose to HMF occurred..