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.