Skip to main content

Odseki

Katalitska pretvorba lignina v bio-osnovane polimerne gradnike z uporabo CO2 (CaLiBration)

Vodja projekta: Dr. Blaž Likozar

Vsebinski opis projekta

Biomasa je poleg CO2 edini obnovljiv ogljikov surovinski vir. Medtem ko se delež pridobljene obnovljive energije v celoti opazno veča, temu ni tako za različne ogljikove snovi/proizvode, ki predstavljajo temelje našega vsakodnevnega življenja, na primer plastike, smole, gume itd. Podatki kažejo celokupno zgolj majhno povečanje bio-osnovanega deleža pri kemijski industriji v EU28, in sicer od 6 % v 2008 do 7% v 2015. Slednje je posledica dejstva, da biomasa težko tekmuje z različnimi neobnovljivimi surovinami (npr. nafto) pri proizvodnji razširjenih petrokemijskih spojin. Razlog je prav tako v tem, da nekatere izmed najbolj razširjenih bio-plastik, npr. bioosnovana poli-mlečna kislina (PLA), niso neposredni nadomestki (»drop-in«), kar pomeni, da se bodo njihove uporabne lastnosti razlikovale, trgi niso dobro razviti, poleg tega pa potrošniki tudi niso dodobra osveščeni o njih. Po drugi strani pa bi imela proizvodnja nadomestnih bio-osnovanih spojin prednost v tem, da bi bila celotna veriga vrednosti že vzpostavljena od sestavnic (npr. polimerizacija) naprej, pa vse do trgov. Aromatske spojine z vezanimi skupinami, kot so na primer ftalne kisline, benzojska kislina itd., so v svetovnem merilu proizvedene v ogromnih odjemnih količinah, da bi s tem naslovili povpraševanje po poliestrih, poliamidih itd., ki še vedno zlagoma narašča. Medtem ko se nekatere od teh pridobiva iz sladkorjev, je lignin, ki predstavlja občuten delež biomase, pregovorno podcenjen za razliko od ogljikovih hidratov. Slednji je še vedno pretežno sežgan, pa vendar so postopki razklopa lignina, pa tudi proizvodi, ki sledijo »najprejlignin« pristopom k ločevanju ali odstranjevanju lignina v obstoječi papirni industriji, na sorazmerno visokih ravneh tehnološke zrelosti. Pa vendar ostaja ključen inženirski izziv, kako nadalje pretvoriti te snovne tokove onkraj enostavne uporabe kot bio-gorivo, kar pa je najbolj omejeno zaradi velike pestrosti aromatov. Slednja se zmanjša npr. z obdelavo z vodikom, a se še vedno ne more primerjati s sorazmerno čistimi tokovi pri predelavi nafte. Obdelava z vodikom pa posledično prav tako poslabša gospodarnost. Iz lignina izhajajoči aromatski gradniki imajo tako različne vezane skupine na celo do 4 ogljikovih atomih v obroču, t.j. hidroksilne, metoksilne, alkilne, alkenilne in druge.

Cilj projekta CaLiBration je bil naslavljanje aromatske pestrosti z razvojem dveh kemijskih pristopov, osnovanih na razklopljenih gradnikih lignina, ki jih bomo nadalje pretvorili: 1. Ftalne kisline s skupinami. 2. Benzojska kislina s skupinami. Celoten projekt je bil uspešno zaključen, vključno s temeljito predanostjo in raziskovanjem vsakega ustanovljenega cilja, kar je prineslo številne oprijemljive in neoprijemljive dosežke ter obetavne rezultate, ki kažejo veliko potenciala za prihodnje podvige. Uspešno so sintetizirani, pridobljeni in modificirani večnamenski katalizatorji (g-C3N4 z modifikacijo Pd/g-C3N4 ter H-beta, H-mordenit, H-USY, H-Y, H-ZSM-5 in njihove analogne Ga, Nb, Ni, NiMo, Sn, W in/ali Zr). Vsi pripravljeni katalizatorji so bili uspešno karakterizirani z različnimi metodami (XRD, SEM, TEM, BET, BJH, TPR, TPD, DRIFT, UV-VIS itd.). S hitrim presejalnim poskusom smo preizkusili vse omenjene katalizatorje za njihovo aktivnost pri katalitični pretvorbi različnih lignin-izvornih modelnih spojin, iz katerih smo izbrali najbolj aktivne za temeljito preučevanje učinka različnih reakcijskih parametrov (temperatura, tlak, čas reakcije, obremenitev, pH, tip topila itd.). Dobljeni rezultati so uspešno pripeljali do razvoja mikrokinetičnega modela, vključno s kinetičnimi parametri, temeljitimi reakcijskimi mehanizmi, masnim transportom in optimizacijo procesnih parametrov, ter celovito opisanimi izbranimi reakcijami. Končni produkti so bili uspešno izolirani in karakterizirani, kar predstavlja veliko vrednost za različne industrije kot izdelki z dodano vrednostjo. Dobljeni rezultati so bili uspešno objavljeni v različnih priznanih znanstvenih revijah (17 znanstvenih člankov in 2 pregledna članka), prav tako pa tudi v številnih prispevkih na slovenskih in mednarodnih konferencah.

Sestava projektne skupine s povezavami na SICRIS

Na Kemijskem inštitutu v projektni skupini sodelujejo:

151268Dr.Avasthi KalpanaKemijsko inženirstvoRaziskovalec2019
250850Dr.Bajić MarijanKemijsko inženirstvoRaziskovalec2019
303124Dr.Berčič GorazdKemijsko inženirstvo / Kataliza in reakcijsko inženirstvoRaziskovalec2019
452432Dr.Bjelić AnaKemijsko inženirstvoRaziskovalec2019
537381Dr.Cajnko Miša MojcaKemijsko inženirstvoRaziskovalec2019
606259Dr.Fele Žilnik LjudmilaKemijsko inženirstvo / Separacijski procesiRaziskovalec2019
734342Dr.Huš MatejKemijsko inženirstvoRaziskovalec2019
827687Dr.J. Grojzdek EditaKemijsko inženirstvoRaziskovalec2019
938177 Levanič JakaGozdarstvo,  lesarstvo in papirništvo / LesarstvoMladi raziskovalec2019
1025446Dr.Likozar BlažKemijsko inženirstvoVodja2019
1152410 Medvešček DašaGozdarstvo,  lesarstvo in papirništvo / PapirništvoRaziskovalec2019
1250007 Osolnik UršaGozdarstvo,  lesarstvo in papirništvoRaziskovalec2019
1311223Dr.Oven PrimožGozdarstvo,  lesarstvo in papirništvoRaziskovalec2019
1429399Dr.Pohar AndrejKemijsko inženirstvoRaziskovalec2019
1512041Dr.Poljanšek IdaKemijsko inženirstvo / Polimerno inženirstvoRaziskovalec2019
1630758Dr.Vek ViljemGozdarstvo,  lesarstvo in papirništvo / LesarstvoRaziskovalec2019
1706345Dr.Zule JanjaGozdarstvo,  lesarstvo in papirništvo / PapirništvoRaziskovalec2019

 

Faze projekta in njihova relaizacija

Osnovni podatki glede financiranja

Projekt financira ARRS v okviru cenovne kategorije C za obdobje treh let v obsegu 2.469 letnih ur. Pričetek financiranja je 1. 7. 2019.

Bibliografske reference, ki izhajajo neposredno iz izvajanja projekta

(1)          Rajhard, S.; Hladnik, L.; Vicente, F. A.; Srčič, S.; Grilc, M.; Likozar, B. Solubility of Luteolin and Other Polyphenolic Compounds in Water, Nonpolar, Polar Aprotic and Protic Solvents by Applying Ftir/Hplc. Processes 2021, 9 (11). https://doi.org/10.3390/pr9111952.

(2)          Cajnko, M. M.; Sposito, G.; Lavrič, Ž.; Campisi, A.; Grilc, M.; Likozar, B. Catalytic Esterification Reactions of Model Lignin Phenols towards Hydrophobicity. Biomass Convers. Biorefinery 2022, No. 0123456789. https://doi.org/10.1007/s13399-022-03541-7.

(3)          Velde, N. Van de; Javornik, S.; Sever, T.; Štular, D.; Šobak, M.; Štirn, Ž.; Likozar, B.; Jerman, I. Bio-Based Epoxy Adhesives with Lignin-Based Aromatic. Polymers (Basel). 2021, 13, 1–15.

(4)          Avasthi, K.; Bohre, A.; Teržan, J.; Jerman, I.; Kovač, J.; Likozar, B. Single Step Production of Styrene from Benzene by Alkenylation over Palladium-Anchored Thermal Defect Rich Graphitic Carbon Nitride Catalyst. Mol. Catal. 2021, 514 (August). https://doi.org/10.1016/j.mcat.2021.111844.

(5)          Hladnik, L.; Vicente, F. A.; Grilc, M.; Likozar, B. β-Carotene Production and Extraction: A Case Study of Olive Mill Wastewater Bioremediation by Rhodotorula Glutinis with Simultaneous Carotenoid Production. Biomass Convers. Biorefinery 2022, No. 0123456789. https://doi.org/10.1007/s13399-022-03081-0.

(6)          Žepič, V.; Oven, P.; Čop, M.; Vek, V.; Janković, B.; Poljanšek, I. Physical, Rheological and Mechanical Properties of Alkali Activated Hydrogels Based on Nanofibrillated Cellulose. J. Nat. Fibers 2022, 19 (17), 16040–16052. https://doi.org/10.1080/15440478.2022.2123879.

(7)          Hladnik, L.; Vicente, F. A.; Novak, U.; Grilc, M.; Likozar, B. Solubility Assessment of Lignin Monomeric Compounds and Organosolv Lignin in Deep Eutectic Solvents Using in Situ Fourier-Transform Infrared Spectroscopy. Ind. Crops Prod. 2021, 164 (November 2020). https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113359.

(8)          Pomeroy, B.; Grilc, M.; Likozar, B. Artificial Neural Networks for Bio-Based Chemical Production or Biorefining: A Review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2022, 153 (August 2021). https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111748.

(9)          Cajnko, M. M.; Oblak, J.; Grilc, M.; Likozar, B. Enzymatic Bioconversion Process of Lignin: Mechanisms, Reactions and Kinetics. Bioresour. Technol. 2021, 340 (July). https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125655.

(10)        Lašič Jurković, D.; Kostyniuk, A.; Likozar, B. Mechanisms, Reaction Micro-Kinetics and Modelling of Hydrocracking of Aromatic Biomass Tar Model Compounds into Benzene, Toluene and Xylenes (BTX) over H-ZSM-5 Catalyst. Chem. Eng. J. 2022, 445 (March). https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136898.

(11)        Cajnko, M. M.; Grilc, M.; Likozar, B. Mechanistic Kinetic Modelling of Enzyme-Catalysed Oxidation Reactions of 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-Furandicarboxylic Acid (FDCA). Chem. Eng. Sci. 2021, 246. https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.116982.

(12)        Vek, V.; Keržič, E.; Poljanšek, I.; Eklund, P.; Humar, M.; Oven, P. Wood Extractives of Silver Fir and Their Antioxidant and Antifungal Properties. Molecules 2021, 26 (21). https://doi.org/10.3390/molecules26216412.

(13)        Kojcinovic, A.; Likozar, B.; Grilc, M. Heterogeneous Catalytic Materials for Carboxylation Reactions with CO2as Reactant. J. CO2 Util. 2022, 66 (October). https://doi.org/10.1016/j.jcou.2022.102250.

(14)        Kostyniuk, A.; Bajec, D.; Likozar, B. Hydrocracking, Hydrogenation and Isomerization of Model Biomass Tar in a Packed Bed Reactor over Bimetallic NiMo Zeolite Catalysts: Tailoring Structure/Acidity. Appl. Catal. A Gen. 2021, 612 (December 2020). https://doi.org/10.1016/j.apcata.2021.118004.

(15)        Kostyniuk, A.; Bajec, D.; Likozar, B. Catalytic Hydrocracking Reactions of Tetralin Biomass Tar Model Compound to Benzene, Toluene and Xylenes (BTX) over Metal-Modified ZSM-5 in Ambient Pressure Reactor. Renew. Energy 2022, 188, 240–255. https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.01.090.

(16)        Kostyniuk, A.; Bajec, D.; Likozar, B. Catalytic Hydrocracking Reactions of Tetralin as Aromatic Biomass Tar Model Compound to Benzene/Toluene/Xylenes (BTX) over Zeolites under Ambient Pressure Conditions. J. Ind. Eng. Chem. 2021, 96, 130–143. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.01.010.

(17)        Kostyniuk, A.; Bajec, D.; Likozar, B. Catalytic Hydrogenation, Hydrocracking and Isomerization Reactions of Biomass Tar Model Compound Mixture over Ni-Modified Zeolite Catalysts in Packed Bed Reactor. Renew. Energy 2021, 167, 409–424. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.11.098.

(18)        Jasiukaitytė-Grojzdek, E.; Huš, M.; Grilc, M.; Likozar, B. Acid-Catalyzed α-O-4 Aryl-Ether Cleavage Mechanisms in (Aqueous) γ-Valerolactone: Catalytic Depolymerization Reactions of Lignin Model Compound during Organosolv Pretreatment. ACS Sustain. Chem. Eng. 2020, 8 (47), 17475–17486. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c06099.

(19)        Vek, V.; Šmidovnik, T.; Humar, M.; Poljanšek, I.; Oven, P. Comparison of the Content of Extractives in the Bark of the Trunk and the Bark of the Branches of Silver Fir (Abies Alba Mill.). Molecules 2023, 28 (1). https://doi.org/10.3390/molecules28010225.

Za slepe in slabovidne(CTRL+F2)
barva kontrasta
velikost besedila
označitev vsebine
povečava