Conception d'un catalyseur pour la transformation du glucose en acide lactique dans un réacteur à lit fluidisé

L’industrie laitière canadienne produit 1,6 milliards de litres par année de perméats de lactosérum, un déchet liquide composé à 5 % de lactose. Ce courant liquide est une source de sucres de biomasse considérable qui peuvent être convertis en acide lactique, le monomère de l’acide polylactique, un biopolymère dont le marché est en pleine croissance. Une étude techno-économique réalisée en 2021 sur un procédé catalytique de transformation de monosaccharides issus des perméats de lactosérum conclut qu’un tel procédé est potentiellement plus rentable qu’un procédé biotechnologique typique. La presque totalité des études portant sur la catalyse des sucres de biomasse en acide lactique a été réalisée en mode batch. Le développement d’un catalyseur utilisable en réacteur continu, ici un réacteur à lit fluidisé, est donc la prochaine étape pour le développement d’un procédé catalytique pour la transformation des sucres de biomasse en acide lactique. Les études antérieures sur la catalyse des sucres vers l’acide lactique pointent vers les zéolites Beta commerciaux fonctionnalisés comme étant le type de catalyseur le plus prometteur. Une méthode de synthèse en deux étapes a été développée pour avoir des catalyseurs fonctionnalisés et fluidisables. D’abord, des zéolites Beta sont partiellement déaluminés via un traitement à l’acide nitrique concentré à 100 ◦C durant 24 h. Une étude plus approfondie a identifié la température du bain d’acide comme la variable ayant le plus d’impact sur la déalumination. Malgré l’optimisation des paramètres du traitement de déalumination, le taux d’aluminium dans la structure mesuré par XRF diminue seulement de 14,7 %, probablement à cause d’une séparation déficiente du Al(OH)3 retiré de la structure du zéolite. Du Sn ou du Zn sont par la suite greffés aux sites vacants par imprégnation en milieu liquide, qui résulte en une distribution uniforme des métaux dans le zéolite sans formation d’espèces métalliques extra-structurelles. Les zéolites sont ensuite inclus dans un gel de synthèse contenant des billes de gel de silice, un oxyde de Al, Sn ou Zn, du NaOH, des sels alcalins et du TEAOH qui sert d’agent liant. Le gel formé est séché par pulvérisation, ce qui greffe les zéolites et l’oxyde métallique sur les billes de silice. Le résultat est un catalyseur possédant des sites actifs dans la structure microporeuse des zéolites ainsi que dans les oxydes métalliques à la surface du gel de silice. Les particules de catalyseurs synthétisées se classent dans le groupe A de Geldart, ce qui en fait une poudre qui fluidise bien.

Abstract

The Canadian dairy industry produces 1.6 billion liters per year of whey permeates, a liquid waste composed of 5 % lactose. This liquid stream is a source of biomass sugars which can be converted into lactic acid, the monomer of polylactic acid, a biopolymer whose market is growing steadily. A techno-economic analysis carried out in 2021 shows the development potential of a catalytic process for the transformation of monosaccharides from whey permeates, potentially more cost effective than a process typical biotechnology. Almost all of the studies on on the catalysis of biomass sugars into lactic acid have been carried out in batch reactors, reaching around 65 % yields for the most promising heterogeneous catalysts. Hence, to develop a process to convert sugars to lactic acid, there is a need to design a catalyst capable of achieving high lactic acid yields from glucose in a fluidized bed reactor. Hence, the development of a heterogeneous catalyst usable in a continuous reactor, here a fluidized bed reactor, is the next step to achieve the potential of a catalytic process to transform biomass sugars in lactic acid. Previous studies have shown that Lewis acidic functionalized Beta zeolites are the most promising heterogeneous catalyst for such reaction. A two-step synthetic method was developed to obtain functionalized and fluidizable catalysts. First, Beta zeolites are treated with concentrated nitric acid at 100 ◦C for 24 hours to remove the framework aluminum species. Sn or Zn are then grafted to the vacant sites by incipient wetness impregnation, which results in a uniform distribution of metals without the formation of extra-structural metallic species. Zeolites are then included in a synthesis gel containing silica gel beads, an oxide of Al, Sn or Zn, NaOH, alkali salts and TEAOH which serves as the binder during the agglomeration. The gel formed is spray dried, which grafts the zeolites and the metal oxides on the silica beads, resulting in the formation of a catalyst functionalized and fluidizable.