Biofuels production using starch over heterogeneous catalysts

Abstract

In this study, the effect of acidity and acidic strength on the product distribution in the hydrolysis of starch was investigated on mixed oxide supported Ni catalysts prepared using different types of metal oxides with varying compositions and, the calcination temperatures. SiO2/Al2O3 (mass ratios of 30/70, 50/50, 70/30) and ZnO/TiO2 (mass ratios of 10/90, 30/70, 50/50) catalysts were synthesized using a sol-gel method. For all the ratios and metal oxide types, Ni weight loading was 1%, 5.5% and 10%. The calcination temperatures used for all the SiO2/Al2O3 catalysts were 500 oC, 700 oC and 900 oC. The calcination temperatures used for all the ZnO/TiO2 catalysts were 300 oC, 400 oC and 500 oC. The starch hydrolysis reaction was carried out at 90 oC for the reaction time of 24 h. The concentration of the products was determined using HPLC and acidity/acidic strength of the catalyst were measured using NH3-TPD. This study showed that the product distribution was affected by catalyst compositions and calcination temperatures that resulted varying total acidity and acidic strength. Unidentifiable saccharides, maltotriose, xylose, and glucose were produced during the hydrolysis of starch on all the SiO2/Al2O3 supported Ni catalysts while there were only unidentifiable saccharides on all the ZnO/TiO2 supported Ni catalysts. The products distribution was found to strongly dependent on the nature of the acid type; for instance, Al2(SO4)3 crystalline phase was more active than the acid type on ZnO and TiO2 anatase crystalline phases. In addition, the glucose yield increased on the large Al2(SO4)3 crystallite sizes, e.g. the catalyst having 42 nm of Al2(SO4)3 crystallite size gave ~15% glucose yield whereas that having 10.5 nm of Al2(SO4)3 crystallite size gave 0%. Besides, acidic strength was more important than total acidity for the same acid type. In fact, the lower the acidic strength, such as located at 150 oC, higher the glucose yield was obtained.

Bu çalışmada, nişasta hidrolizinde asitliğin ve asidik kuvvetin ürün dağılımı üzerindeki etkisi, çeşitli bileşimlerdeki metal oksitler ve kalsinasyon sıcaklıkları kullanılarak hazırlanan karışık oksit destekli Ni katalizörleri üzerinde araştırılmıştır. SiO2/Al2O3 (kütle oranları: 30/70, 50/50, 70/30) ve ZnO/TiO2 (kütle oranları: 10/90, 30/70, 50/50) katalizörleri sol-jel yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Tüm oranlar ve metal oksit türleri için Ni yükü yüklemesi %1, %5.5 ve %10 idi. Tüm SiO2/Al2O3 katalizörleri için kullanılan kalsinasyon sıcaklıkları 500 oC, 700 oC ve 900 oC idi. Tüm ZnO/TiO2 katalizörleri için kullanılan kalsinasyon sıcaklıkları 300 oC, 400 oC ve 500 oC idi. Nişasta hidroliz reaksiyonu, 24 saatlik reaksiyon süresi boyunca 90 oC’de gerçekleştirildi. Ürünlerin konsantrasyonu HPLC kullanılarak belirlendi ve katalizörün asitliği/ asidik kuvveti NH3-TPD kullanılarak ölçüldü. Bu çalışma, ürün dağılımının, değişen toplam asitlik ve asidik kuvvet ile sonuçlanan katalizör bileşimleri ve kalsinasyon sıcaklıklarından etkilendiğini gösterdi. Tanımlanamayan sakkaritler, maltotrioz, ksiloz ve glikoz, tüm SiO2/Al2O3 destekli Ni katalizörleri üzerinde nişasta hidrolizi sırasında üretilirken, tüm ZnO/TiO2 destekli Ni katalizörleri üzerine sadece tanımlanamayan sakkaritler mevcuttu. Ürün dağılımının asit türüne son derece bağlı olduğu bulundu. Örneğin, Al2(SO4)3 kristal fazı ZnO ve TiO2 anataz kristal fazlarındaki asit türünden daha aktifti. Ek olarak, glikoz verimi, büyük Al2(SO4)3 kristalit boyutlarında, ör. 42 nm Al2(SO4)3 kristalit boyutuna sahip olan katalizör ~%15 glikoz verimi verirken, 10.5 nm Al2(SO4)3 kristalit boyutuna sahip olan katalizör %0 verimi verdi. Ayrıca, aynı asit türünün asidik kuvveti toplam asitliğinden daha önemliydi. Aslında, 150 oC’de bulunan gibi asidik kuvvet ne kadar düşük olursa, glikoz verimi de artar.