Millised eelteadmised või uuringud teie juhitavat uurimisprojekti toetavad?

Antud projekt ei tekkinud tühjalt kohalt. SA Archimedes on viimased neli aastat finantseerinud meie uuringuid, milles oleme püüdnud keemiliselt konverteerida puidu biomassi uut tüüpi furaanseteks biokütusteks. Puit koosneb teatavasti kolmest peamisest polümeersest komponendist: tselluloosist, lignotselluloosist ja ligniinist. Kõige rikkalikum komponent – tselluloos – on nii keemilisele kui ka ensümaatilisele lagundamisele küllaltki vastupidav glükoosi monomeeridest koosnev polümeer.

Suurim väljakutse on leida pehmed tingimused, mis võimaldaksid konverteerida puidu komponendid kas koos või eraldi selektiivselt. See tähendab selliselt, et tekiks üks konkreetne ühend, mitte heterogeenne segu paljudest ühenditest, mille hilisem väärindamine või kasutamine kõrgekvaliteedilise kütusena ilma edasise põhjaliku töötlemise või puhastamiseta oleks keeruline.

Puidu biomassi selektiivse konverteerimise vallas on viimastel aastatel saavutatud suurt edu. Näiteks on meil õnnestunud näidata, et puidulaaste ja saepuru saab edukalt konverteerida kahe lihtsa etapiga 5-etoksümetüülfurfuraaliks (EMF), mis on vedelik energiatihedusega 8,7 kWh/l. See on märgatavalt kõrgem etanoolist (6,1 kWh/l) ja võrreldav bensiini ja diisliga (vastavalt 8,8 ja 9,7 kWh/l). Tselluloosilisest komponendist moodustub esimeses etapis reaktiivne vaheühend 5-bromometüülfurfuraal (BMF), mis teises etapis konverteeritakse EMF-iks. On oluline märkida, et teist reaktsioonietappi katalüüsib põlevkivituhk. See avastus peaks andma majandusliku eelise tööstuslikus skaalas. Kasutatavad on selles lahenduses ka lignotselluloos ja ligniin.

Milles seisnevad uurimisprojekti peamised väljakutsed?

Antud projektis keskendume puidu biomassi esmaste laguproduktide selektiivsele konverteerimisele kõrge väärtusega kemikaalideks, mis oleksid kasutatavad eelkõige lähteainetena keemiatööstuses. Täpsemalt on fookuses: a) uudne tsüklopentenoonil põhinev platvorm, mis on kasutatav paljudes keemiatööstuse rakendustes; b) uudsed isosorbiidil põhinevad polümeerid materjalitööstusele ning c) paljude rakendusvõimalustega enantiomeerselt puhas gamma-valerolaktoon.

Kõigi kolme uudse lahenduse osas on meil tehtud eelkatsed, milles oleme suutnud näidata väljapakutud lahenduste põhimõttelist toimimist, kuid nimetatud originaalseid keemilisi protsesse tuleb RMK projektis edasi arendada nii kvalitatiivses mõttes – suurema selektiivsuse ja kõrgema saagise suunas, kui ka kvantitatiivses mõttes – see tähendab tehnoloogilisuse ja suuremate mahtude suunas. See on tõsine väljakutse, kuna senine kogemus näitab, et majanduslikke ja ärilisi otsuseid on mõistlik teha teatud keemilise protsessi kohta alles pärast selle kompleksset optimeerimist preparatiivses skaalas.

Milliseid meetodeid või tehnoloogilisi lahendusi on kavas kasutada?

Keskendutakse eelkõige katalüütilistele meetoditele, kasutatakse ja arendatakse uudse selektiivsusega keemilist katalüüsi. Ühe katalüsaatorina kasutatakse põlevkivituhka, mis on meil praktiliselt ammendamatu ressurss. Kasutatakse ka biokatalüüsi uudses rollis ja süsteemis; katalüsaatoriks seni põhiliselt pesuvahendites rakendamist leidvad odavad tööstuslikud taaskasutatavad lipaasid.

Milliseid potentsiaalseid tooraineid võiks meie metsades olev taastuv puiduressurss keemiatööstusele anda?

Meie projekti vaatevinklist oleks siin võtmesõnadeks uued materjalid (polümeerid, lähteained polümeeritööstusele), tsüklopentenooni platvorm ning enantiomeerselt puhas gamma-valerolaktoon erinevateks rakendusteks, eelkõige farmaatsiatööstusele. Laiemalt vaadates on puidu biomassist potentsiaalselt saadavate ühendite nimekiri peaaegu lõputu. Samas on selle temaatikaga maailmas väga aktiivselt tegelema hakatud alles suhteliselt hiljuti, kui teadvustati seoses fossiilset päritolu kütuste ja kemikaalide kasutamisega tekkinud teravaid keskkonnaprobleeme ja jätkusuutmatust sellisel kujul.

Seetõttu on keemiatööstusesse praeguseks jõudnud veel suhteliselt vähe biomassist pärit lähteaineid, mis omakorda tähendab suurt võimalust. Lisaks on oluline märkida, et biomassist saadavad kemikaalid võivad erineda traditsioonilistest kasutusel olevatest lähteainetena kasutatavatest ühenditest, mis suurendab erinevateks rakendusteks saadaolevate ühendite mitmekesisust. See tähendab, et ei ole vaja tingimata kopeerida praeguseid fossiilse päritoluga lähteaineid.