Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kyushu đã phát triển một thiết bị kết hợp chất xúc tác và phản ứng dòng vi sóng để chuyển đổi hiệu quả polysaccharides phức tạp thành monosaccharides đơn giản. Thiết bị sử dụng quy trình thủy phân dòng liên tục, trong đó cellobiose—một disaccharide được tạo thành từ hai phân tử glucose—được truyền qua chất xúc tác carbon sulfonat được đun nóng bằng vi sóng. Phản ứng hóa học tiếp theo phân hủy cellobiose thành glucose. Kết quả của họ được công bố trên tạp chí ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Sơ đồ đơn giản về quá trình hóa học trong thiết bị do nhóm nghiên cứu phát triển. Trong hệ thống của họ, dung dịch disaccharide cellobiose (bên trái) được dẫn qua chất xúc tác carbon sulfonat (ở giữa), một chất xúc tác axit giúp phân hủy đường. Sau đó, chất xúc tác này được đun nóng bằng lò vi sóng để tăng hoạt tính xúc tác của nó. Điều này dẫn đến quá trình chuyển đổi cellobiose thành glucose hiệu quả (bên phải). Tín dụng: Đại học Kyushu/Phòng thí nghiệm Tsubaki
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kyushu đã phát triển một thiết bị kết hợp chất xúc tác và phản ứng dòng vi sóng để chuyển đổi hiệu quả polysaccharides phức tạp thành monosaccharides đơn giản. Thiết bị sử dụng quy trình thủy phân dòng liên tục, trong đó cellobiose—một disaccharide được tạo thành từ hai phân tử glucose—được truyền qua chất xúc tác carbon sulfonat được đun nóng bằng vi sóng. Phản ứng hóa học tiếp theo phân hủy cellobiose thành glucose. Kết quả của họ được công bố trên tạp chí ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Chuyển đổi sinh khối thành các nguồn tài nguyên hữu ích đã là chủ đề nghiên cứu khoa học trong nhiều thập kỷ. Polysaccharides sinh khối, đường phức hợp chuỗi dài có mặt khắp nơi trong tự nhiên, được coi là một trong những chất hứa hẹn nhất cho quá trình chuyển đổi hiệu quả vì chúng có thể được chuyển đổi thành đường đơn, sau đó có thể được sử dụng trong thực phẩm, dược phẩm và tổng hợp hóa học.
Thủy phân là một trong những phản ứng hóa học hiệu quả hơn chuyển đổi đường chuỗi dài thành đường đơn, thường sử dụng axit làm chất xúc tác. Trong khi nhiều chất xúc tác axit ở dạng khí hoặc lỏng, chất xúc tác axit rắn—mà theo như từ mô tả, là axit ở dạng rắn—được biết đến là có thể tái chế nhiều hơn và do đó đã trở thành trọng tâm của các nhà nghiên cứu.
Tuy nhiên, chất xúc tác axit rắn cần nhiệt độ cao để phản ứng hiệu quả. Để khắc phục điều này, Phó Giáo sư Shuntaro Tsubaki từ Khoa Nông nghiệp của Đại học Kyushu và nhóm của ông đã nghiên cứu việc áp dụng phản ứng dòng vi sóng để làm nóng chất xúc tác rắn trong quá trình phản ứng.
"Vi sóng tạo ra một trường phản ứng nhiệt độ cao cục bộ trên chất xúc tác rắn, có thể dẫn đến hoạt động xúc tác cao hơn trong khi vẫn giữ toàn bộ hệ thống phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn", Tsubaki giải thích. "Ngoài ra, chúng ta có thể để chất nền chảy liên tục qua bình phản ứng, nơi vi sóng được áp dụng cho chất xúc tác, dẫn đến năng suất cao hơn của sản phẩm mong muốn".
Ảnh chụp lò phản ứng dòng vi sóng được trang bị ống thủy tinh Pyrex và Efield. Tín dụng: ACS Sustainable Chemistry & Engineering (2024). DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c07690
Thiết bị mà các nhà nghiên cứu phát triển sử dụng chất xúc tác axit rắn bao gồm carbon sulfonate. Cellobiose, một disaccharide, được sử dụng làm chất nền đường mẫu để thử nghiệm hệ thống. Trong thiết bị của họ, dung dịch cellobiose sẽ được dẫn qua chất xúc tác carbon sulfonate được đun nóng đến nhiệt độ lên đến 100–140℃ bằng lò vi sóng. Sau đó, chất xúc tác sẽ phân tách cellobiose thông qua quá trình thủy phân và tạo ra glucose monosaccharide.
Một trong những yếu tố then chốt quyết định hiệu quả của hệ thống là khả năng tách biệt trường điện và từ của vi sóng.
"Lò vi sóng tạo ra cả trường điện và trường từ. Trường điện làm nóng các vật liệu lưỡng cực như nước. Đây là thứ làm nóng thức ăn của bạn. Ngược lại, trường từ làm nóng các vật liệu dẫn điện như kim loại và carbon", Tsubaki nói.
"Trong thiết bị của mình, chúng tôi có thể tăng hoạt động xúc tác bằng cách tách hai trường, sau đó sử dụng trường điện để làm nóng dung dịch cellobiose dạng lỏng và đồng thời sử dụng trường từ để làm nóng chất xúc tác."
Phản ứng xúc tác tăng tốc bằng vi sóng đã được áp dụng cho nhiều phản ứng hóa học, bao gồm tổng hợp hữu cơ, tái chế nhựa và chuyển đổi sinh khối. Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng khi các nguồn năng lượng tái tạo tiếp tục tăng mạnh, sản xuất hóa chất chạy bằng điện như của họ sẽ giúp đưa ngành công nghiệp này hướng tới một tương lai xanh hơn.
"Chúng tôi hy vọng hệ thống của mình sẽ giúp phát triển quá trình tổng hợp hóa học bền vững hơn. Chúng tôi cũng muốn khám phá tính hữu ích của phương pháp luận của mình trong quá trình thủy phân các polysaccharides khác cũng như trong protein để sản xuất axit amin và peptide", Tsubaki kết luận.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
