Separazione di zuccheri da idrolizzato lignocellulosico mediante cromatografia ad esclusione ionica

The lignocellulosic biomass represent a valid alternative to oil resource for the production of a large variety of chemical products. There are different technologies to enhance the biomass: the one analyzed in this thesis involves the hydrolysis of biomass with sulfuric acid in order to obtain the monosaccharides which can then be used as feedstock for the production of green chemicals, as well as for the production of biofuels. The sugars obtained by hydrolysis must be separated from impurities and by-products present in the hydrolysate, linked both to the nature of that biomass to parasitic reactions that take place in the hydrolysis step. The ion exclusion chromatography is a promising method to perform such separation. Traditionally, this type of separation is made by using the hydrolysate as it is at the end of the hydrolysis process, which contains a high amount of sulfuric acid. In this thesis, in a totally innovative way, the hydrolysate to be separated has been previously neutralized; this has resulted in several advantages, first of all the chance to make a binary separation rather than ternary. Several experimental tests were made, using both the hydrolysate object of the study both synthetic mixtures suitable to represent the main features of the hydrolysate, in order to understand the physical and chemical mechanisms involved in the separation. On the basis of the results obtained, finally, it has been developed a mathematical model able to represent the chromatographic separation.

Le biomasse lignocellulosiche rappresentano una valida risorsa alternativa al petrolio per la produzione di una grande varietà di prodotti chimici. Esistono differenti tecnologie per valorizzare le biomasse: quella analizzata in questa tesi prevede l’idrolisi delle biomasse con acido solforico al fine di ottenere dei monosaccaridi che possono poi essere usati come materia prima per la produzione di green chemicals, oltre che per la produzione di biocarburanti. Gli zuccheri ottenuti per idrolisi devono essere separati dalle impurezze e dai sottoprodotti presenti nell’idrolizzato, legati sia alla natura delle biomasse che a reazioni parassite che avvengono in fase di idrolisi. La cromatografia ad esclusione ionica rappresenta un metodo promettente per effettuare tale separazione. Tradizionalmente, questo tipo di separazione viene effettuata sull’idrolizzato nelle condizioni di fine idrolisi, il quale contiene un’elevata quantità di acido solforico. In questa tesi, in via del tutto innovativa, l’idrolizzato da separare è stato preventivamente neutralizzato; ciò ha permesso di ottenere diversi vantaggi, primo fra tutti la possibilità di effettuare una separazione binaria piuttosto che ternaria. Sono state dunque condotte delle prove sperimentali, utilizzando sia l’idrolizzato oggetto dello studio sia miscele sintetiche atte a rappresentarne le principali caratteristiche, al fine di comprendere i meccanismi chimico-fisici coinvolti nella separazione. Sulla base dei risultati ottenuti, infine, è stato sviluppato un modello matematico in grado di rappresentare la separazione cromatografica.