I biocarburanti sono combustibili derivanti da risorse rinnovabili come olio di palma, grano, mais e canna da zucchero. I biocarburanti inoltre, producono meno sostanze inquinanti nel corso della combustione rispetto al petrolio. Bisogna, tuttavia considerare che l’uso di biocarburanti sottrae terreno agricolo altrimenti destinato per ottenere alimenti.
I ricercatori del MIT hanno approntato una metodologia più economica rispetto a quelle in uso per sintetizzare un componente chiave di biocarburanti, che potrebbe rendere la sua produzione industriale molto più conveniente.
Gamma-valerolattone
Il composto, chiamato gamma-valerolattone (GVL) , interessante per la sua versatilità, ha più potere energetico dell’ etanolo. Esso può essere utilizzato da solo o come additivo ad altri combustibili. GVL potrebbe anche essere utile come un solvente “verde” o come monomero per l’ottenimento di polimeri rinnovabili da materiali sostenibili.
Il gamma-valerolattone ha formula C5H8O2 ed appartiene alla famiglia dei lattoni; è una sostanza che si trova in natura nella frutta e spesso viene usato come additivo negli alimenti.
Il tradizionale processo per la conversione di materiale vegetale in GVL richiede i catalizzatori costituiti da metalli preziosi come rutenio o palladio . Inoltre è condotto pressioni molto elevate con relativi alti costi.
Sintesi tradizionale
Finora la sintesi del gamma-valerolattone avviene in laboratorio, ma non su scala industriale. Il nuovo metodo di produzione messo a punto dal MIT, descritto nella rivista Angewandte Chemie di giugno 2013, invece, elimina entrambi queste problematiche. Sono in corso lavori per quantificare i risparmi che il nuovo processo può portare e si stanno sviluppando ricerche per applicare i principi della sintesi per la produzione di combustibili analoghi.
Per creare GVL da materiale vegetale, è necessario partire da cellulosa o emicellulosa (parente meno stabile di cellulosa), che insieme costituiscono la maggior biomassa vegetale. Con il tradizionale metodo di fabbricazione del GVL, le biomasse sono convertite per idrolisi acida in acido levulinico che ha una catena di cinque atomi di carbonio. L’acido levulinico, a sua volta è idrogenato ad acido gamma-idrossipentanoico e rapidamente ciclizza in gamma-valerolattone.
Nell’ambito di tale sintesi la fase di idrogenazione è quella più costosa stante l’alto costo del catalizzatore. Inoltre, a causa della bassa solubilità dell’idrogeno in acqua è necessario utilizzare pressioni molto elevate per cui il costo diviene realmente proibitivo. Si rammenta infatti che lavorare ad alte pressioni è costoso sia da un punto di vista della progettazione ed esecuzione dell’impianto che da un punto di vista energetico.
Catalizzatori
Per evitare l’alto costo dei catalizzatori a base di rutenio o di palladio si era tentato l’uso del rame quale catalizzatore; si è riscontrato che quest’ultima categoria di catalizzatori vengono rapidamente disattivati in acqua divenendo inefficienti. Inoltre si è tentato, già nel 1998, di utilizzare l’acido formico al posto dell’idrogeno gassoso in modo da evitare i costi necessari per lavorare a pressioni elevate: l’acido formico, infatti, in acqua rilascia idrogeno gassoso secondo la reazione HCOOH → H2 + CO2. Tuttavia la reazione, così condotta, richiede in ogni caso l’uso di catalizzatori costosi.
Nuova sintesi
Il team del MIT ha percorso una nuova strada usando una serie di reazioni a cascata leggermente diverse da quelle usate nel metodo tradizionale. Invece di convertire l’emicellulosa in acido levulinico, l’hanno prima convertita in furfurale un’aldeide aromatica derivata dal furano di formula C4H3O-CHO
costituita da un anello a cinque termini. Partendo dal furfurale i ricercatori hanno trovato un metodo per aprire l’anello, aggiungere idrogeno e chiudere nuovamente l’anello per ottenere il GVL.
Il catalizzatore adoperato è una zeolite, minerale appartenenti alla classe dei tectosilicati contenenti sia zirconio che alluminio.
La fonte di idrogeno gassoso è il 2-butanolo che può essere ottenuto facilmente da fonti rinnovabili di biomassa. Il processo complessivo avviene a temperatura relativamente bassa ( 120°C) e non richiede l’uso di idrogeno gassoso e ciò fa sì che i costi si riducano notevolmente.
La reazione inoltre ha una resa di oltre il 70% paragonabile a quella che si ottiene con il metodo tradizionale, ma i ricercatori stanno lavorando sulla messa a punto di altri metodi per migliorare ulteriormente l’efficienza della reazione: essi hanno, in particolare, appuntato la loro attenzione su come solventi diversi e l’acidità del catalizzatore possano influenzare la reazione.
Inoltre i ricercatori stanno studiando la possibilità di accoppiare la nuova sintesi con quella del furfurale dalla biomassa in modo che il processo complessivo avvenga in un’unica cascata di reazioni controllate dal medesimo catalizzatore.
La speranza è quella che possa presentarsi l’opportunità di applicare lo stesso sistema ad altre molecole derivanti dalle biomasse aumentando la possibilità che le biomasse possano essere utilizzate in futuro nell’industria chimica del 21 secolo.