Nişastanın hidroksimetilfurfurala dönüşüm reaksiyonlarının incelenmesi
Investigation of conversion reactions of starch to hydroxymethlfurfural
Yazar: ŞEVVAL YAKUPOĞLU
Danışman: PROF. DR. SOLMAZ AKMAZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Asit kataliz = Acid catalysts ; Hidroksimetilfurfural = Hydroxymethylfurfural ; Nişasta = Starch ; Zeolitler = Zeolites

Özet:
Son yüzyılda petrokimya endüstrisi, çok sayıda platform kimyasallar üzerine çalışmıştır. Biyokütle, çevre dostu prosesler için geliştirilebilen yenilenebilir bir kaynaktır. Biyokütle kaynaklı platform moleküller işlenerek biyoyakıtlara dönüştürülebilir. 5-hidroksimetil furfural (HMF) yakıtlara dönüştürülebilen önemli bir ara üründür. Nişasta önemli karbonhidrat kaynaklarından biridir. Yapılan çalışmada nişastadan HMF sentezi için etkin katalizörlerin hazırlanması ve bu katalizörlerle farklı çözücü ortamlarında yüksek verimli HMF sentezi hedeflenmiştir.
Çalışmada öncelikle homojen katalizör denemeleri yapılmış ve sonrasında zeolit katalizörler ile denemeler yapılmıştır. En yüksek HMF verimi veren USY zeolit katalizörü ile çalışmalara devam edilmiştir. Nişastadan HMF sentezini sağlayacak Cr-USY zeolit, Al-USY zeolit, Zn-USY zeolit ve HPW-USY zeolit katalizörler hazırlanmıştır. Hazırlanan katalizörlerin BMIMCl iyonik sıvı, Dimetilsülfoksit (DMSO) ve Tetrahidrofuran (THF) çözücüleri ile farklı sıcaklık ve reaksiyon sürelerinde HMF eldesinde etkinlikleri incelenmiştir. Reaksiyonları analiz etmek için Yüksek Basınçlı Sıvı Kromotografi cihazı kullanılmıştır. En etkin katalizörlerden olan Zn-USY katalizörünün tekrar kullanılabilirliği test edilmiştir. Katalizörlerin karakterizasyonu için X Işını Kırınımı (XRD), BET metodu, İndüktiv Kapling Plazma Kütle Spektrometresi (ICP-MS), X Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektrometre (FTIR)-DRIFT analizi yapılmıştır. BMIMCl iyonik sıvıda 130 °C 3 saatte 0,125 g katalizör kullanıldığında Zn-USY zeolit ile %24,5, USY zeolit katalizörü ile de %50,3 oranında HMF verimi elde edilmiştir. DMSO'da Zn-USY Zeolit katalizörü ile 160 °C 4 saatte, 170 °C 2 saatte ve 180 °C 1 saatte nişastadan %47 HMF verimine ulaşılmıştır. DMSO çözücüsünde en yüksek verim Zn-USY zeolit ile elde edilmiştir. THF ve H2O ile çift fazlı reaksiyon ortamında 160 °C 4 saatte HMF verimi maksimum Zn-USY zeolit katalizörü ile %46,8, 170 °C 30 dakikada ise %52,2 ve 180 °C 2 saatte %38,1 olarak elde edilmiştir.

Abstract:
In the last century, the petrochemical industry has worked on numerous platform chemicals. Biomass is a renewable resource that can be developed for environmentally friendly processes. Biomass-derived platform molecules can be processed into biofuels. 5-hydroxymethyl furfural (HMF) is an important intermediate that can be converted into fuels. Starch is one of the important sources of carbohydrates. In this study, it was aimed to prepare effective catalysts for the synthesis of HMF from starch and to synthesize high-efficiency HMF with these catalysts in different solvent environments.
In the study, first homogeneous catalyst trials were carried out and, then trials were carried out with zeolite catalysts. Studies continued with the USY zeolite catalyst, which gives the highest HMF yield. Cr-USY zeolite, Al-USY zeolite, Zn-USY zeolite and, HPW-USY zeolite catalysts were prepared to provide HMF synthesis from starch. The efficiency of the prepared catalysts with BMIMCl ionic liquid, Dimethylsulfoxide (DMSO) and Tetrahydrofuran (THF) solvents in HMF production at different temperatures and reaction times was investigated. High Pressure Liquid Chromatography device was used to analyze the reactions. The reusability of the Zn-USY catalyst which is one of the most efficient catalysts, has been tested. For the characterization of the catalysts, X-Ray Diffraction (XRD), BET method, Inductive Coupling Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS), X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR)-DRIFT analysis were performed. When 0.125 g catalyst was used in BMIMCl ionic liquid at 130 °C for 3 hours, 24.5% HMF efficiency was obtained with Zn-USY Zeolite and 50.3% with USY zeolite catalyst. HMF yield of 47% from starch was reached using Zn-USY zeolite catalyst at 160 °C in 4 hours, at 170 °C in 2 hours, and at 180 °C in 1 hour in DMSO. The highest yield in DMSO solvent was obtained with Zn-USY zeolite. In a two-phase reaction medium with THF and H2O, the HMF yield is maximum 46.8% in 4 hours at 160 °C, with Zn-USY zeolite catalyst, 52.2% in 30 minutes at 170 °C and 38.1% in 2 hours at 180 °C was obtained.