Investigation of an Environmentally Method for the Oxidation of Hemicellulose Model Compounds

Abstract

El presente trabajo fue realizado en el laboratorio de Química Industrial e Ingeniería de la Reacción en Åbo Akademi University (Turku/Åbo, Finlandia) en colaboración con la Universidad de Valladolid (Valladolid, España) bajo la supervisión de Tapio Salmi (Profesor de la Academia de Finlandia) y Juan García Serna (Catedrático de la Universidad de Valladolid) en el marco del programa de intercambio Erasmus Plus. Hoy en día, la industria de papel quema grandes cantidades de hemicelulosa como posible tratamiento de residuos. En este trabajo, se estudió la posibilidad de aprovechar dicha hemicelulosa para obtener co-productos útiles como ácidos que pueden ser aprovechados en otro tipo de industrias. En el proyecto se tomó como punto de partida para todos los experimentos un compuesto modelo de la hemicelulosa: la galactosa. El objetivo de esta investigación se centró en el desarrollo de un método de oxidación utilizando un agente oxidante que afecte lo menos posible al medio ambiente, el peróxido de hidrógeno (H2O2) y un complejo metálico (FePcS) como catalizador, el cual solo se utilizó en pequeñas cantidades. El trabajo abarca: estudios en modo discontinuo y semicontinuos, identificación de los co-productos de bajo peso molecular de la reacción y la determinación de las condiciones óptimas para obtener dichos productos. Este proyecto finalizó con la obtención de un método de oxidación que solo produce agua y oxígeno como productos secundarios. La oxidación de la galactosa fue estudiada en modo semicontinuo y discontinuo con respecto a la adición del oxidante. El modo semidiscontinuo obtuvo mejores resultados ya que mantuvo constante la concentración del oxidante durante la reacción. Para identificar los compuestos, se utilizaron las técnicas (cromatografía líquida de alta eficacia) HPLC, cromatografía de gases/espectrometría de masas (GC-MS) y resonancia magnética nuclear (RMN) durante esta investigación.

Detta forskningsarbete genomfördes vid Laboratoriet för teknisk kemi och reaktionsteknik (TKR) vid Åbo Akademi (Åbo, Finland) i samarbete med universitetet i Valladolid (Valladolid, Spanien) under ledning av akademiprofessor Tapio Salmi (Finlands Akademi) och Juan García Serna (professor vid universitetet i Valladolid) som en del av utbytesprogrammet Erasmus Plus. Stora mängder hemicellulosa förbränns i pappersindustrin som avfallsbehandling. I vår forskning har vi studerat möjligheten att använda denna hemicellulosa för att få fram användbara biprodukter såsom syror som kan användas vid andra industrier. Alla våra studier börjades med en modellförening av hemicellulosa: galaktos. Forskningsinsatsen i denna avhandling var fokuserad på att utveckla en oxidationsmetod som genomfördes med en mer miljövänlig oxidant, väteperoxid (H2O2), och en speciell metallkomplexkatalysator (FePcS), av vilken endast en liten mängd behövs. Arbetet omfattade satsvisa och halvkontinuerliga experiment, identifiering av lågmolekylära biprodukter och bestämning av optimala betingelser för att erhålla dessa produkter. Detta resulterade i en avfallsfri oxidationsmetod, som endast producerar vatten och syre som biprodukter. Galaktosoxidationen studerades i både satsvisa och halvkontinuerliga system i avseende på tillsatsen av oxidant (H2O2). Halvkontinuerlig drift gav bättre resultat, eftersom koncentrationen av oxidationsmedlet hölls konstant under reaktionen. För att identifiera föreningarna användes HPLC-, GC-MS- och NMR-analyser i denna forskning.

This research work was carried out at the Laboratory of Industrial Chemistry and Reaction Engineering (TKR) at Åbo Akademi University (Turku/Åbo, Finland) in collaboration with the University of Valladolid (Valladolid, Spain) under the supervision of Tapio Salmi (Professor of the Academy of Finland) and Juan García Serna (Full Professor at the University of Valladolid) as part of the Erasmus Plus exchange program. Large amounts of hemicellulose are burnt in paper industry as a waste treatment. In our research, we have studied the possibility of use this hemicellulose for obtaining useful by-products such as acids which can be used in another kind of industries. All our studies start with a model compound of hemicellulose: galactose. The research effort of this thesis was focused on development a method of oxidation which was carried out with a more environmentally friendly oxidant, hydrogen peroxide (H2O2), and a special metal complex catalyst (FePcS), of which only a small amount is needed. The work comprised batch and semibatch studies, determination of low molecular by-products and determination of optimal conditions for obtaining these products. This resulted in a waste-free oxidation method, which only produces water and oxygen as side products. The galactose oxidation was studied in both semibatch and batch modes in respective to the oxidant (H2O2) addition. Semibatch mode obtained better results because keeping the concentration of the oxidant constant during the reaction. To identified the compounds, HPLC, GC-MS and NMR analyses were used during this research.