Дослідники з Університету Кюсю розробили пристрій для ефективного перетворення складних полісахаридів у прості моносахариди
Дослідники з Університету Кюсю створили пристрій, який об'єднує каталізатор і мікрохвильову реакцію потоку для ефективного перетворення складних полісахаридів у прості моносахариди. Пристрій використовує процес гідролізу з безперервним потоком, де целобіоза — дисахарид, отриманий із двох молекул глюкози, — пропускається через сульфований вуглецевий каталізатор, який нагрівається за допомогою мікрохвиль. Під час хімічної реакції целобіоза розщеплюється на глюкозу. Результати дослідження опубліковані в журналі ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Перетворення біомаси на корисні ресурси є об’єктом наукових досліджень протягом десятиліть. Полісахариди біомаси — довголанцюгові складні цукри, які широко зустрічаються у природі, — вважаються одними з найперспективніших речовин для ефективного перетворення. Їх можна трансформувати у прості цукри, які, своєю чергою, використовуються у харчовій промисловості, фармацевтичних препаратах і хімічному синтезі.
Гідроліз є однією з найефективніших хімічних реакцій, що дозволяє перетворювати довголанцюгові цукри на прості, зазвичай використовуючи кислоти як каталізатори. Хоча багато кислотних каталізаторів є газоподібними або рідкими, тверді кислотні каталізатори, які представляють собою кислоту у твердому стані, легше піддаються переробці, тому викликають підвищений інтерес у дослідників.
Однак тверді кислотні каталізатори вимагають високих температур для ефективної реакції. Щоб подолати це, доцент Шунтаро Цубакі з факультету сільського господарства Університету Кюсю та його команда дослідили застосування мікрохвильових потокових реакцій для нагрівання твердих каталізаторів під час процесу реакції.
«Мікрохвилі створюють локалізоване високотемпературне реакційне поле на твердому каталізаторі, що може забезпечити вищу каталізаторну активність, зберігаючи при цьому нижчу температуру всієї реакційної системи», — пояснює Цубакі. «Крім того, ми можемо забезпечити безперервний потік субстрату через реакційну посудину, де мікрохвилі впливають на каталізатор, що призводить до вищого виходу бажаного продукту».
Розроблений пристрій використовує твердий кислотний каталізатор, виготовлений із сульфованого вуглецю. Целобіоза, дисахарид, використовувалася як модельний цукровий субстрат для тестування системи. У пристрої розчин целобіози пропускався через сульфований вуглецевий каталізатор, який нагрівався до 100–140 °C за допомогою мікрохвиль. Далі каталізатор розщеплював целобіозу через гідроліз, утворюючи моносахарид глюкозу.
Ключем до ефективності системи є її здатність розділяти електричні та магнітні поля мікрохвиль.
«Мікрохвилі створюють як електричні, так і магнітні поля. Електричне поле нагріває дипольні матеріали, такі як вода, — це те, що нагріває вашу їжу. Магнітне поле, своєю чергою, нагріває провідні матеріали, такі як метали і вуглець», — пояснює Цубакі.
«У нашому пристрої ми змогли підвищити каталізаторну активність, розділивши два поля, використовуючи електричне поле для нагрівання рідкого розчину целобіози і водночас застосовуючи магнітне поле для нагрівання каталізатора».
Мікрохвильові каталізаторні реакції вже застосовуються для різноманітних хімічних процесів, включаючи органічний синтез, переробку пластику та перетворення біомаси. Команда сподівається, що з розвитком відновлюваних джерел енергії хімічне виробництво на основі електрики, подібне до їхнього, допоможе рухати галузь до більш зеленого майбутнього.
«Ми очікуємо, що наша система сприятиме розробці більш сталого хімічного синтезу. Ми також хотіли б дослідити корисність нашої методології у гідролізі інших полісахаридів, а також білків для виробництва амінокислот і пептидів», — підсумовує Цубакі.