Un dispositif ingénieux transforme la biomasse en ressources utiles par micro-ondes

La transformation des ressources naturelles en produits utiles représente un domaine de recherche intensif. Les polysaccharides, présents en abondance dans la nature, offrent un potentiel significatif pour la conversion en sucres simples, utilisables dans divers secteurs comme l’alimentation, la pharmacie et la chimie. Les scientifiques explorent constamment de nouvelles méthodes pour optimiser ces processus, en cherchant à réduire les coûts énergétiques et environnementaux. Voici une avancée notable dans ce domaine, détaillée par une équipe de chercheurs de l’Université de Kyushu.

Des chercheurs de l’Université de Kyushu ont élaboré un dispositif qui associe un catalyseur et une réaction de flux par micro-ondes pour convertir efficacement les polysaccharides complexes en monosaccharides simples. Leur système exploite un processus d’hydrolyse en flux continu, où le cellobiose, un disaccharide composé de deux molécules de glucose, traverse un catalyseur de carbone sulfoné chauffé par micro-ondes. La réaction chimique qui suit décompose le cellobiose en glucose.

La conversion de la biomasse en ressources utiles est un sujet qui fascine les scientifiques depuis des décennies. Les polysaccharides de la biomasse, ces sucres complexes à chaînes longues omniprésents dans la nature, sont considérés comme des substances prometteuses pour une conversion efficace. Ils peuvent être transformés en sucres simples, essentiels pour divers usages industriels.

L’hydrolyse se présente comme une réaction chimique efficace pour convertir les sucres à chaînes longues en sucres simples, souvent assistée par des catalyseurs acides. Bien que plusieurs catalyseurs acides soient disponibles sous forme gazeuse ou liquide, les catalyseurs acides solides, qui sont des acides sous forme solide, offrent l’avantage d’être recyclables, attirant ainsi l’attention des chercheurs.

Microwaves et catalyseurs solides

Le professeur Shuntaro Tsubaki de la Faculté d’Agriculture de l’Université de Kyushu et son équipe ont examiné l’application des réactions de flux par micro-ondes pour chauffer les catalyseurs solides pendant le processus de réaction.

«Les micro-ondes créent un champ de réaction à haute température localisé sur le catalyseur solide, ce qui peut augmenter l’activité catalytique tout en maintenant le système de réaction global à une température plus basse,» a expliqué Tsubaki. En outre, le flux continu du substrat à travers le dispositif de réaction permet d’obtenir des rendements plus élevés du produit désiré.

Le dispositif utilise un catalyseur acide solide composé de carbone sulfoné. Le cellobiose, employé comme substrat modèle, passe à travers le catalyseur chauffé par micro-ondes à des températures allant de 100 à 140°C. Le catalyseur, à travers l’hydrolyse, décompose le cellobiose en glucose. Une clé de l’efficacité de leur système réside dans la séparation des champs électrique et magnétique des micro-ondes.

«Les micro-ondes génèrent des champs électriques et magnétiques. Le champ électrique provoque le chauffage des matériaux dipolaires comme l’eau. Le champ magnétique, quant à lui, induit le chauffage des matériaux conducteurs comme les métaux et le carbone,» a ajouté Shuntaro Tsubaki. «Dans notre dispositif, nous avons pu augmenter l’activité catalytique en séparant les deux champs, utilisant le champ électrique pour chauffer la solution de cellobiose et le champ magnétique pour chauffer le catalyseur.»

Les réactions catalytiques accélérées par micro-ondes ont trouvé des applications dans diverses réactions chimiques, y compris la synthèse organique, le recyclage des plastiques et la conversion de la biomasse. L’équipe espère que, avec la montée en puissance des sources d’énergie renouvelable, la production chimique à l’électricité comme la leur contribuera à un avenir plus écologique.

«Nous anticipons que notre système contribuera au développement de synthèses chimiques plus durables. Nous souhaitons également explorer l’utilité de notre méthodologie pour l’hydrolyse d’autres polysaccharides ainsi que pour la production d’acides aminés et de peptides à partir de protéines,» a conclu le professeur Tsubaki.

Légende illustration : Fig. 1. Réaction de flux de micro-ondes qui convertit le disaccharide cellobiose en monosaccharide glucose à l’aide de micro-ondes et d’un catalyseur acide. Schéma simple du processus chimique dans le dispositif mis au point par l’équipe de recherche. Dans leur système, une solution de cellobiose disaccharide (à gauche) passe à travers un catalyseur de carbone sulfoné (au centre), un catalyseur acide qui aide à décomposer les sucres. Ce catalyseur est ensuite chauffé à l’aide de micro-ondes pour augmenter son activité catalytique. Il en résulte une conversion efficace du cellobiose en glucose (à droite).

Article : ‘Efficient Cellobiose Hydrolysis over Sulfonated Carbon Catalyst in a Spatially Separated Microwave Electric- and Magnetic-Field Flow Reactor’ / ( 10.1021/acssuschemeng.4c07690 ) – Kyushu University – Publication dans la revue ACS Sustainable Chemistry & Engineering