Bazı atık biyokütle kaynaklarından 5-hidroksimetilfurfural ve levulinik asit eldesi için katı asit katalizörlerin geliştirilmesi ve aktivitelerinin incelenmesi

Son yıllarda ucuz ve bol bulunması nedeniyle etkin kullanılan biyokütle kaynakları yenilenemeyen fosil yakıt kaynaklarının yerini almaya başlamış ve bilim insanlarının dikkatini çeken önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir. Biyokütle materyallerinden çeşitli biyo-bazlı karbon, membran, lif ve süperhidrofobik malzemeler hazırlanmakta, bu malzemeler kataliz, çevre bilimi, enerji üretimi ve yapay zeka gibi alanlarda kullanılmaktadır. Lignoselülozik ve selülozik biyokütle kaynaklarından elde edilen umut vaadeden katma değeri yüksek bileşiklerin başında tetrahidrofuran, süksinik asit, 2,5-dimetilfuran, aminolevulinik asit, vb. birçok maddenin sentezinde önemli başlangıç maddeleri olan 5-HMF ve LA gelmektedir. Bu çalışmada, tarımsal ve endüstriyel biyokütle atıklarından, biyokütle türevli karbon katı asit katalizör eşliğinde sulu ortamda yüksek verimle 5-HMF ve LA üretilmesi hedeflenmiştir. Lignoselülozik biyokütle olarak mısır samanı ve buğday samanı, selülozik biyokütle olarak hav ve linter, model bileşik olarak ise mikrokristalin selüloz kullanılmıştır. Biyokütle materyallerinin değerli kimyasallara dönüşümü için iki farklı hidrotermal yöntem kullanılmıştır. İki basamaklı dönüşümde öncelikle biyokütle materyallerinin en küçük monomerlerine kadar otohidroliz ile parçalanması, ardından katalizör kullanımıyla 5-HMF ve LA'ya dönüşümü sağlanmıştır. İkinci yöntemde ise, biyokütle materyalleri ve katalizörün aynı ortama konulmasıyla hem hidroliz işlemi hemde dönüşüm gerçekleştirilmiştir. Her iki yöntemde de farklı biyokütle materyalleri kullanılarak, reaksiyon süresi, sıcaklığı, katalizör miktarı ve derişim optimizasyonları gerçekleştirilmiştir. Genel olarak ürün verimliliği açısından kıyaslandığında tek basamaklı dönüşüm ön plana çıkmaktadır. Elde edilen 5-HMF ve LA verimleri biyokütle materyaline ve kullanılan katalizöre göre değişiklik göstermektedir. Bu çalışmaya kapsamında laboratuvar ortamında farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip sekiz farklı heterojen katı asit katalizör hazırlanmıştır. Katalizörlerin ve biyokütle materyallerinin karakterizasyon çalışmaları; elemental analiz, ICP-OES, FT-IR, SEM, XRD, Raman, XRF analizleri yapılarak tamamlanmıştır. BT300-Fe3O4 katalizörü reaksiyon ortamından magnetit özelliği sayesinde kolay ayrılması, dönüşümde katalitik aktivitesinin yüksek olması ve herhangi bir aktivasyon işlemine gerek duymadan en az 5 kez kullanılabilmesi nedeniyle lignoselülozik biyokütlelerin dönüşümünde öne çıkmaktadır. Hazırlanan katalizörlerin aktiviteleri Amberlist-15 ile kıyaslandığında, BT300S katalizörü biyokütle materyallerini hem glukoza parçalama hem de LA'ya dönüşümde etkin bir rol oynamıştır.