Conversion of D-Xylose to Carboxylic Acids in a Capillary Fluidized Bed

La demande pour remplacer les combustibles fossiles par la biomasse renouvelable est grande. Nous recherchons des façons de convertir les glucides en produits de plus grande valeur. Peu d'études ont été faites à haute température et presque aucune expérience n'a examiné l'oxydation partielle catalytique de glucides à haute température. Il nous faut des critères de conception pour exploiter cette technologie de façon commerciale. Nous présentons une nouvelle méthode de valoriser les sucres C5 et nous faisons une revue de l'état actuel des réactions de sucres C5. Nous voulions développer les conditions optimales pour la production d'acides désirables et éventuellement tester de nouveaux catalyseurs pour d'autres applications. Nous avons étudié l'oxydation catalytique hétérogène en phase gazeuse du xylose dans un réacteur catalytique de gaz-solide à lit fluidisé capillaire à température relativement haute et à pression atmosphérique. Nous avons oxydé le sucre dans un système à trois catalyseurs, soit le pyrophosphate de vanadyle, le trioxyde de molybdène-oxyde de cobalt et le molybdate de fer, pour former des acides organiques et anhydrides. Nous avons injecté une solution eau-sucre dans un réacteur à lit fluidisé capillaire dont la composante principale était un tube en quartz (ID = 8 mm) dans un four qui opérait jusqu'à 1000 °C. Nous avons déterminé la plage de conditions opératoires avec une étude de reconnaissance et ensuite nous avons préparé un plan d'expérience. Les facteurs les plus importants étaient la température (200–550 °C), la concentration de xylose (3 %poids, 7 %poids, 10 %poids en eau), le temps de séjour (0,1 s, 0,2 s), la pression partielle d'oxygène (0 %vol, 3 %vol, 10 %vol, 21 %vol en azote) et le catalyseur (VPP, MoO3/CoO, FeMoO). Nous avons co-alimenté l'azote pour améliorer l'atomisation. D'autres paramètres qui affectent l'atomisation sont le rapport gaz-liquide (0,1–0,2 %poids), le débit de liquide (0,01–0,1 ml min-1) et le diamètre de bout de la buse et du tube capillaire. Nous avions quatre catégories d'atomisation : de ‘a', ‘b', ‘c' et ‘d' en ordre décroissant de performance. Nous avons utilisé le type ‘a' pour vérifier l'effet des autres paramètres et le type ‘b' pour vérifier l'effet de la performance d'atomisation sur le rendement. Nous avons également testé l'alimentation séquentielle de xylose-oxygène et l'air à une fréquence de 5 min-1. Pour vérifier la productivité des catalyseurs, nous avons fait des expériences de 2 h et 4 h. Le temps de séjour dans le lit catalytique était de 0.2 s et les expériences duraient 4 h. Le gaz de fluidisation contenait 3 %vol et 10 %vol d'oxygène en azote et entrait dans le réacteur par un distributeur en verre fritté. Le débit d'entrée du gaz de fluidisation variait entre 80–150 ml min-1 pour avoir une pression partielle de l'oxygène de 3 %vol et 10 %vol. Nous avons fait les expériences avec 1 g de catalyseur VPP calciné. Une pompe à seringue a alimenté la solution de xylose à 0.04 ml min-1. Nous avons atomisé le liquide en gouttelettes par un tube capillaire de 0.25 mm serré à l'extrémité de la buse. Nous avons alimenté l'azote et la solution liquide avec un rapport gaz-liquide de 0.18 % poids pour produire un jet effervescent. Les gouttelettes se sont vaporisées rapidement et le xylose a réagit pour former de l'anhydride maléique, de l'acide acrylique et de l'acroléine. Une série de trempes ont absorbé les produits liquides (les acides) de l'effluent du réacteur en eau distillée. Nous avons échantillonné et analysé les acides accumulés par HPLC hors ligne. Pour valider l'analyse par HPLC et pour identifier d'autres produits possibles, nous avons analysé les liquides par chromatographie gazeuse (GC). Les conditions d'opération ont un effet sur la distribution des produits et les taux de production. L'acide acrylique est le plus désirable et l'acide maléique est le plus abondant. Le pyrophosphate de vanadyl est actif et sélectif dans ce procédé. Dans le meilleur cas, à 300 °C et 10 %vol d'oxygène, les rendements de l'acide maléique, de l'acide acrylique et de l'acroléine étaient de 25 %, 17 % et 11 % respectivement. Nous avons détecté du CO2 gazeux par GCMS lors de la réaction. L'analyse thermogravimétrique des échantillons VPP a confirmé qu'aucun coke ne s'est formé sur le catalyseur. L'agglomération et la caramélisation de la poudre n'étaient problématiques que lors de réactions hors de la plage de conditions d'opération établies plus haut.

Abstract

The demand for renewable biomass as a replacement for fossil fuels has never been greater. Many paths to convert carbohydrates into higher value products are under investigation. Few studies have reported data at high temperature and almost no experiments have examined high temperature catalytic partial oxidation of carbohydrates. We need generalized design criteria to exploit this technology commercially. We present a new method to valorize C5 sugars and review state of the art C5 sugar reactions. We wanted to develop optimal process conditions to produce desirable acids and eventually to test new catalysts for other applications. We studied the gas phase heterogeneous catalytic oxidation of xylose in a gas-solid catalytic capillary fluidized bed reactor at relatively high temperature and atmospheric pressure. We oxidized the sugar over three catalyst system (vanadyl pyrophosphate, molybdenum trioxide-cobalt oxide and iron molybdate) to form organic acids/anhydrides. We injected a water-sugar solution into a capillary fluidized bed reactor whose main component is a quartz tube (ID = 8 mm) in a furnace that operates at up to 1000 °C. We determine the range of possible operating conditions with a scouting study and then made an experimental design. The most important factors were temperature (200-550 °C), xylose concentration (3 %wt, 7 %wt, 10 %wt in water), residence time (0.1 s, 0.2 s), oxygen partial pressure (0 %vol, 3 %vol, 10 %vol, 21 %vol in nitrogen), and catalyst (VPP, MoO3/CoO, FeMoO). Co-feeding nitrogen improved atomization. Parameters that affected atomization are gas-to-liquid ratio (0.1-0.2 %wt), liquid flow rate (0.01-0.1 ml min-1), and nozzle tip and capillary tube diameter. We had four categories of spray performance: ‘a', ‘b', ‘c' and ‘d' in decreasing order of performance. We used a mixed design of experiments including two factors: four temperatures (300 °C, 350 °C, 400 °C, 450 °C) and two oxygen partial pressures (3 %vol, 10 %vol) with VPP catalyst. We used type ‘a' atomization to verify the effect of other parameters and type ‘b' to verify the effect of atomization performance on yield. We also tested sequentially feeding of xylose-oxygen followed by air at a frequency of 5 min-1. The experimental plan included 2 h and 4 h runs to test catalyst stability. Residence time inside the catalytic bed was 0.2 s and experiments lasted 4 h. The fluidization gas contained 3 %vol and 10 %vol oxygen in nitrogen and entered the reactor through a fritted glass distributor. The inlet fluidizing gas stream varied between 80-150 ml/min to meet 3 %vol and 10 %vol oxygen. We carried out most experiments with 1 g of calcined VPP catalyst. We metered the 3 %wt xylose solution at 0.04 ml min-1 with a syringe pump. We atomized the liquid into small drops through a 0.25 mm capillary tube constricted at the end nozzle. We fed nitrogen and the liquid solution with the gas-to-liquid ratio of 0.18 %wt to produce an effervescent spray. The droplets vapourized rapidly and the xylose reacted to form maleic anhydride, acrylic acid and acrolein. We absorbed the liquid products (acids) from the reactor effluent in distilled water in a series of quenches. We sampled and analyzed the accumulated acids offline with high performance liquid chromatography (HPLC). We validated the HPLC analysis with gas chromatography (GC) and tried to identify other possible products. Operating conditions have a considerable effect on product distribution and production rates. Acrylic acid was the most desirable and maleic acid the most abundant. Vanadyl pyrophosphate is both active and selective for this process and in the best case, at 300 °C and 10 %vol oxygen, maleic acid, acrylic acid and acrolein yields were 25 %, 17 % and 11 %, respectively. We also detected gaseous carbon dioxide with GCMS during the reaction. Thermogravimetric analysis for the VPP samples we withdrew at the end of the reaction confirmed that no coke formed on the catalyst. Powder agglomeration and caramelization were only problematic when the reactor operated outside the range established during the scouting experiments.