Completamente lignocellulosica

Jan 16, 2024

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3376 (2022) Citare questo articolo

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Il polietilene tereftalato è uno dei polimeri più utilizzati, ma è anche un importante inquinante negli oceani. A causa delle crescenti preoccupazioni ambientali, le alternative al polietilene tereftalato sono molto ricercate. Qui presentiamo analoghi del polietilene tereftalato facilmente riciclabili, realizzati interamente da biomassa legnosa. Al centro del concetto c'è una sequenza catalitica in due fasi priva di metalli nobili (frazionamento catalitico riduttivo catalizzato da Cu20-PMO e imbuto catalitico mediato da Raney Ni) che consente di ottenere un singolo diolo alifatico 4-(3-idrossipropil) cicloesan-1-olo in elevata resa isolata (11,7% in peso su base di lignina), così come altri flussi di prodotto che vengono convertiti in combustibili, ottenendo una resa totale di carbonio del 29,5%. Il diolo 4-(3-idrossipropil)cicloesan-1-olo viene copolimerizzato con esteri metilici dell'acido tereftalico e dell'acido furandicarbossilico, entrambi derivabili dai residui di cellulosa, per ottenere poliesteri con PM competitivo e proprietà termiche ( Tg di 70–90 °C). I polimeri mostrano un’eccellente riciclabilità chimica nel metanolo e sono quindi candidati promettenti per l’economia circolare.

Con una produzione annua di 70 milioni di tonnellate a livello globale, il polietilene tereftalato (PET) è uno dei polimeri più utilizzati al mondo, indispensabile per la produzione di materiale da imballaggio, abbigliamento, fibre e bottiglie per bevande monouso1,2. Tuttavia, si stima che ad oggi il suo accumulo nelle discariche e negli oceani raggiunga i 530 milioni di tonnellate2, il che rappresenta un inquinamento ambientale quasi catastrofico2,3,4. Inoltre, la maggior parte del PET è ancora, tipicamente, prodotta da risorse fossili mediante copolimerizzazione di glicole etilenico (EG) e acido tereftalico (TPA)5.

Pertanto, esiste un enorme incentivo a ottenere alternative al PET facilmente riciclabili6,7 o riciclabili8 e completamente di origine biologica9,10 al fine di implementare approcci di economia circolare11,12,13,14,15. Ciò richiederà lo sviluppo di metodi catalitici robusti e strategie globali di bioraffineria16,17,18,19.

Un noto approccio industriale emergente è la sostituzione del TPA a base di benzina con acido furanbicarbossilico (FDCA) ottenuto dal 5-idrossimetilfurfurale (5-HMF) derivato dallo zucchero20,21. Altri esempi su scala di laboratorio si concentrano sui percorsi per ottenere EG22,23 e TPA dalla biomassa24,25,26,27. I monomeri derivati ​​​​dalla lignina, come gli acidi ferulico o siringico, sono stati studiati per la preparazione di PET, imitazioni del PET e plastica rinforzata con PET8,9,28,29 (Fig. 1A). Beckham e colleghi hanno sviluppato un percorso di upcycling intelligente in cui il PET è stato modificato da EG e acido muconico per fornire un poliestere insaturo, che è stato sottoposto a reticolazione per produrre plastica rinforzata con fibra di vetro8.

Un precedente lavoro rappresentativo per la produzione di PET di origine biologica, imitazioni del PET e plastica rinforzata con PET. B La nostra strategia globale di bioraffineria per produrre analoghi del PET riciclabili e completamente a base di lignocellulosa e altri prodotti di valore seguendo tre passaggi chiave: (1) Frazionamento catalitico riduttivo (RCF) della lignocellulosa su catalizzatore Cu20-PMO per ottenere un olio di lignina grezzo ricco di 1 G e 1 S recante una funzionalità alcolica primaria; (2) Incanalamento catalitico delle miscele RCF estratte con acetato di etile in PC diolo e altri flussi di prodotto utilizzando Raney Ni/isopropanolo, (3) Copolimerizzazione di PC con esteri metilici di FDCA e TPA per ottenere poliesteri completamente di origine biologica e riciclabili ( PC/TPA) e poli (PC/FDCA). Per la copolimerizzazione è necessaria la potenziale valorizzazione dei residui di carboidrati ottenuti da RCF della stessa fonte lignocellulosica nei diacidi aromatici FDCA e TPA, mentre l'eventuale surplus di cellulosa può essere convertito in bioetanolo e/o glicole etilenico (EG) (vedi nota integrativa 1 per ulteriori dettagli).

Il frazionamento catalitico riduttivo (RCF)30,31,32,33 ha mostrato una potente strategia per ottenere rese elevate di monomeri aromatici dalla lignocellulosa che possono essere convertiti in una varietà di elementi costitutivi polimerici tra cui il TPA24 ma anche altri come il 4-propilcicloesanolo34,35 , bisfenolo 5,5-metilenebis(4-n-propilguaiacolo)36 e 3,3′-etilenebis(4-n-propilsiringolo)37 per produrre diversi tipi di polimeri. Il gruppo di Epp ha sintetizzato adesivi ad alte prestazioni da miscele di 4-n-propilsiringolo e RCF38.