Investigadores de la Universidad de Kyushu han desarrollado un dispositivo que combina un catalizador y una reacción de flujo de microondas para convertir de manera eficiente polisacáridos complejos en monosacáridos simples. El dispositivo utiliza un proceso de hidrólisis de flujo continuo, en el que la celobiosa (un disacárido formado por dos moléculas de glucosa) pasa a través de un catalizador de carbono sulfonado que se calienta mediante microondas. Una reacción química posterior descompone la celulosa en glucosa. Sus hallazgos fueron publicados en la revista ACS Química e Ingeniería Sostenible.
La conversión de biomasa en recursos útiles ha sido objeto de investigación científica durante décadas. Los polisacáridos de biomasa, azúcares complejos de cadena larga que se encuentran en todas partes en la naturaleza, se consideran uno de los materiales más prometedores para una conversión eficiente porque pueden convertirse en azúcares simples, que a su vez pueden usarse en alimentos, productos farmacéuticos y en química. Síntesis
La hidrólisis es una de las reacciones químicas más eficientes que convierte azúcares de cadena larga en azúcares simples, generalmente utilizando un ácido como catalizador. Si bien muchos catalizadores ácidos están en forma gaseosa o líquida, se sabe que los catalizadores ácidos sólidos (que son, como su palabra lo indica, un ácido en forma sólida) son más reciclables y, por lo tanto, los investigadores han sido el centro de atención durante muchos años.
Sin embargo, los catalizadores ácidos sólidos requieren altas temperaturas para reaccionar de manera eficiente. Para superar esto, el profesor asociado Shontaro Tsubaki de la Facultad de Agricultura de la Universidad de Kyushu y su equipo investigaron la aplicación de una reacción de flujo de microondas para calentar el catalizador sólido durante el proceso de reacción.
“Las microondas crean un campo de reacción local de alta temperatura en el catalizador sólido, lo que puede conducir a una alta actividad del catalizador manteniendo al mismo tiempo el sistema de reacción general a baja temperatura”, explica Tsubaki. “Además, podemos hacer fluir continuamente el sustrato a través del recipiente de reacción donde se aplican microondas al catalizador, lo que da como resultado mayores rendimientos de los productos deseados”.
El dispositivo que desarrollaron los investigadores utiliza un catalizador ácido sólido que contiene carbono sulfonado. Se utilizó celobiosa, un disacárido, como sustrato de azúcar modelo para probar el sistema. En su dispositivo, una solución de celobiosa pasaría a través de un catalizador de carbón sulfonado que se calentaba a 100-140 ℃ usando microondas. Luego, el catalizador descompondrá la celulosa mediante hidrólisis para producir el monosacárido glucosa.
Una clave para el rendimiento del sistema es la capacidad de las microondas para separar los campos eléctricos y magnéticos.
“Los microondas producen campos eléctricos y magnéticos. Los campos eléctricos hacen que los materiales dipolares, como el agua, se calienten. Esto es lo que calienta la comida. Los campos magnéticos, por el contrario, son materiales aislantes del calor como los metales y el carbono”, dice. Tsubaki. “En nuestro dispositivo pudimos aumentar la actividad catalítica separando los dos campos, luego usando un campo eléctrico para calentar una solución líquida de celulosa y simultáneamente usando un campo magnético para calentar el catalizador”.
Las reacciones catalíticas aceleradas por microondas se han aplicado a una variedad de reacciones químicas, incluida la síntesis orgánica, el reciclaje de plásticos y la conversión de biomasa. El equipo espera que a medida que las fuentes de energía renovables sigan creciendo, la producción química electrificada como la suya ayude a llevar la industria hacia un futuro más ecológico.
“Esperamos que nuestro sistema ayude al desarrollo de una síntesis química más sostenible. También nos gustaría explorar la utilidad de nuestro método en la hidrólisis de otros polisacáridos, así como de proteínas, para la producción de aminoácidos y péptidos”. concluyó Tsubaki . .
