Avaliação da produção de 5-hidroximetilfurfural a partir de frutose catalisada por compostos de nióbio

Abstract

O 5-Hidroximetilfurfural (HMF) é um composto chave para produção de combustíveis e compostos de química fina a partir de fontes renováveis, com grande potencial de substituir derivados do petróleo. É produzido, principalmente, por desidratação da frutose em presença de catalisadores ácidos. Neste trabalho, essa reação foi estudada em sistema água/acetona usando catalisadores de nióbio, um mineral abundante no Brasil e com potencial aplicação como catalisador. Dentre os catalisadores avaliados, o fosfato de nióbio gerou os melhores resultados, sendo então selecionado para estudo segundo um planejamento experimental. Nesse estudo, temperatura e tempo de reação foram as variáveis mais significativas, sendo então utilizadas em um planejamento composto central, no qual a conversão de frutose e a seletividade para HMF foram modelados por metodologia de superfície de resposta. O melhor resultado observado para o sistema de água/acetona foi 79,20% de conversão de frutose e 62,94% de seletividade para HMF em 138,3 ° C e 54,3 minutos. O efeito da acetona no meio reacional foi verificado por meio de comparação com um sistema aquoso, que apresentou resultados mais baixos (61,79% de conversão e 55,73% de seletividade) nas mesmas condições. Cada sistema (água/acetona e água apenas) foi utilizado para simular um processo de produção de HMF no software Aspen Plus, juntamente com um terceiro sistema (água/2-butanol) proveniente da literatura (89% de conversão e 98,9% de seletividade). A análise econômica foi feita com o objetivo de comparar a eficácia de cada processo, obtendo os custos de capital e de operação, bem como o custo unitário de produção de HMF. Os custos de HMF estimados foram 2,20 US$/kg, 3,05 US$/kg e 1,51 US$/kg para os sistemas água/acetona, água e água/2-butanol, respectivamente. A análise de sensibilidade revelou que a seletividade é o parâmetro mais importante para a redução dos custos, sendo o motivo pelo qual o sistema água/2-butanol apresentou o melhor resultado. Não obstante, esse custo ainda é considerado elevado para uma possível aplicação industrial, fato que se deve ao alto custo de solvente e, principalmente, ao custo da matéria-prima. Sendo assim, mesmo com o elevado potencial de utilização do HMF comercialmente, sua produção enfrenta o desafio de utilizar solventes e matérias-primas de baixo custo, mantendo um alto rendimento da reação.

5-Hydroxymethylfurfural (HMF) is a key compound in the renewable production of fuels and chemicals, holding great potential to replace products derived from petroleum. This compound is produced, mainly, by fructose dehydration in the presence of acid catalysts. In this work, this reaction was studied in a water/acetone system using niobium-based catalysts, an abundant mineral in Brazil with great catalytic potential. Among the catalysts analyzed, niobium phosphate rendered the best results, being selected for a study by design of experiments. In this study, among the factors analyzed, temperature and time were the most significant, being applied in a central composite design, in which fructose conversion and HMF selectivity were modeled by response surface methodology. The best result achieved for the water/acetone system was 79.20% fructose conversion and 62.94% HMF selectivity at 138,3 °C in 54,3 minutes. The effect of acetone in a reactional medium was verified by means of comparison with a water system, which presented lower results (61.79% conversion and 55.73% selectivity) in the same conditions. Each system (water/acetone and only water) was used to simulate a HMF production process, along with a third system (water/2-butanol) from literature (89% conversion and 98.9% selectivity). The processing capacity was set at 300 metric tons/ day of fructose, and the separation processes were defined based on the available literature. Processes economics was analyzed in order to obtain the capital and operating costs as well as to compare each process’ efficiency. From these results, the cost per unit of HMF was calculated, based on the total production. The estimated HMF costs were 2.20 US$/kg, 3.05 US$/kg and 1.51 US$/kg for water/acetone, water and water/2-butanol systems, respectively. In addition, sensitivity analyses revealed that selectivity is the most important parameter to reduce costs, being the main motive whereby the water/2-butanol system presented the best results. Nevertheless, this cost is still high for industrial implementation due to the high cost of solvent and, mainly, to the feedstock price. Therefore, even with the high potential that HMF possesses for the world market, its production faces the challenge to employ low cost solvents and feedstock, keeping a high reaction yield.