Entièrement lignocellulosique

Jan 16, 2024

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3376 (2022) Citer cet article

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Le polyéthylène téréphtalate est l'un des polymères les plus utilisés, mais aussi un polluant important dans les océans. En raison des préoccupations environnementales croissantes, les alternatives au polyéthylène téréphtalate sont très recherchées. Nous présentons ici des analogues du polyéthylène téréphtalate facilement recyclables, entièrement fabriqués à partir de biomasse ligneuse. Au cœur du concept se trouve une séquence catalytique sans métaux nobles en deux étapes (fractionnement catalytique réducteur catalysé par Cu20-PMO et entonnoir catalytique médié par Raney Ni) qui permet d'obtenir un seul diol aliphatique 4-(3-hydroxypropyl) cyclohexan-1-ol dans rendement isolé élevé (11,7 % en poids sur la base de la lignine), ainsi que d'autres flux de produits convertis en carburants, atteignant un rendement total en carbone de 29,5 %. Le diol 4-(3-hydroxypropyl)cyclohexan-1-ol est copolymérisé avec des esters méthyliques d'acide téréphtalique et d'acide furane dicarboxylique, qui peuvent tous deux être dérivés des résidus de cellulose, pour obtenir des polyesters avec un Mw et des propriétés thermiques compétitifs ( Tg de 70 à 90 °C). Les polymères présentent une excellente recyclabilité chimique dans le méthanol et sont donc des candidats prometteurs pour l'économie circulaire.

Avec une production annuelle de 70 millions de tonnes dans le monde, le polyéthylène téréphtalate (PET) est l'un des polymères les plus utilisés au monde, indispensable à la fabrication de matériaux d'emballage, de vêtements, de fibres et de bouteilles de boissons à usage unique1,2. Cependant, on estime que son accumulation dans les décharges et les océans atteint jusqu'à présent jusqu'à 530 millions de tonnes2, ce qui représente une pollution environnementale quasi catastrophique2,3,4. De plus, la majeure partie du PET est encore généralement produite à partir de ressources fossiles par copolymérisation d’éthylène glycol (EG) et d’acide téréphtalique (TPA)5.

Il existe donc une formidable incitation à obtenir des alternatives au PET entièrement biosourcées, facilement recyclables6,7 ou upcyclables89,10, afin de mettre en œuvre des approches d’économie circulaire11,12,13,14,15. Cela nécessitera le développement de méthodes catalytiques robustes et de stratégies globales de bioraffinage16,17,18,19.

Une approche industrielle émergente bien connue consiste à remplacer le TPA à base d’essence par de l’acide furane dicarboxylique (FDCA) à partir du 5-hydroxyméthylfurfural (5-HMF) dérivé du sucre20,21. D’autres exemples à l’échelle du laboratoire se concentrent sur les voies d’obtention de l’EG22,23 et du TPA à partir de la biomasse24,25,26,27. Les monomères dérivés de la lignine, tels que les acides férulique ou syringique, ont été étudiés pour la préparation de PET, de imitations de PET et de plastiques renforcés de PET8,9,28,29 (Fig. 1A). Beckham et ses collègues ont développé une voie de recyclage intelligente dans laquelle le PET était modifié par de l'EG et de l'acide muconique pour donner un polyester insaturé, qui était soumis à une réticulation pour produire des plastiques renforcés de fibre de verre8.

Un travail représentatif antérieur pour produire du PET biosourcé, des imitations de PET et des plastiques renforcés de PET. B Notre stratégie globale de bioraffinage visant à produire des analogues de PET entièrement recyclables à base de lignocellulose et d'autres produits de valeur en suivant trois étapes clés : (1) Fractionnement catalytique réducteur (RCF) de la lignocellulose sur un catalyseur Cu20-PMO pour donner une huile de lignine brute riche en 1 G et 1 S portant une fonctionnalité alcool primaire ; (2) Acheminement catalytique des mélanges RCF extraits à l'acétate d'éthyle vers du PC diol et d'autres flux de produits utilisant du Ni/isopropanol de Raney, (3) Copolymérisation du PC avec des esters méthyliques de FDCA et de TPA pour donner des polyesters poly entièrement biosourcés et recyclables ( PC/TPA) et poly (PC/FDCA). La valorisation potentielle des résidus glucidiques obtenus par RCF de la même source de lignocellulose en diacides aromatiques FDCA et TPA est nécessaire pour la copolymérisation, tandis que tout excédent de cellulose peut être converti en bioéthanol et/ou en éthylène glycol (EG) (voir la note complémentaire 1). pour plus de détails).

Le fractionnement catalytique réducteur (RCF)30,31,32,33 a montré une stratégie puissante pour obtenir des rendements élevés de monomères aromatiques à partir de la lignocellulose qui peuvent être convertis en une variété de composants polymères, notamment le TPA24 mais également d'autres tels que le 4-propylcyclohexanol34,35. , le bisphénol 5,5-méthylènebis(4-n-propylguaiacol)36 et le 3,3′-éthylènebis(4-n-propylsyringol)37 pour la fabrication de divers types de polymères. Le groupe d'Epp a synthétisé des adhésifs hautes performances à partir de mélanges de 4-n-propylsyringol et de RCF38.