Investigadores de la Universidad de Kyushu han desarrollado un dispositivo que combina un catalizador y una reacción de flujo de microondas para convertir polisacáridos complejos en monosacáridos simples. El dispositivo utiliza un proceso de hidrólisis de flujo continuo, en el que la celobiosa (un disacárido elaborado a partir de dos moléculas de glucosa) pasa a través de un catalizador de carbono sulfonado que se calienta mediante microondas. Una reacción química posterior descompone la celobiosa en glucosa. Sus hallazgos se publican en la revista. ACS Química e Ingeniería Sostenible.
La conversión de biomasa en recursos útiles ha sido objeto de investigación científica durante décadas. Los polisacáridos de biomasa, azúcares complejos de cadena larga que se encuentran en todas partes en la naturaleza, se consideran uno de los materiales más prometedores para una conversión eficiente porque pueden convertirse en azúcares simples que, a su vez, pueden usarse en alimentos, medicinas y productos químicos. Síntesis
La hidrólisis es una de las reacciones químicas más eficientes que convierte azúcares de cadena larga en azúcares simples, generalmente utilizando ácidos como catalizadores. Si bien muchos catalizadores ácidos están en forma gaseosa o líquida, se sabe que los catalizadores ácidos sólidos (como el término describe, un ácido en forma sólida) son más reciclables y, por lo tanto, han sido un punto de atención para los investigadores.
Sin embargo, los catalizadores ácidos sólidos requieren altas temperaturas para reaccionar de manera eficiente. Para superar esto, el profesor asociado Shuntaro Tsubaki de la Facultad de Agricultura de la Universidad de Kyushu y su equipo investigaron la aplicación de la reacción de flujo de microondas para calentar catalizadores sólidos durante el proceso de reacción.
“Las microondas crean un campo de reacción local de alta temperatura en el catalizador sólido, lo que puede conducir a una mayor actividad catalítica y al mismo tiempo mantener el sistema de reacción general a una temperatura más baja”, explica Tsubaki. “Además, podemos hacer fluir continuamente la capa a través del recipiente de reacción donde se aplican microondas al catalizador, lo que da como resultado mayores rendimientos del producto deseado”.
El dispositivo que desarrollaron los investigadores utilizó un catalizador ácido sólido compuesto de carbono sulfonado. Se utilizó celobiosa, un disacárido, como sustrato de azúcar modelo para probar el sistema. En su dispositivo, se pasaba una solución de celobiosa a través de un catalizador de carbono sulfonado que se calentaba a 100-140 ℃ mediante microondas. Luego, el catalizador escindirá la celobiosa mediante hidrólisis para formar el monosacárido glucosa.
Una clave para la eficiencia del sistema son las microondas gracias a su capacidad para separar campos eléctricos y magnéticos.
“Los microondas producen campos eléctricos y magnéticos. El campo eléctrico calienta materiales dipolares como el agua. Eso es lo que calienta la comida. El campo magnético, por otro lado, calienta materiales conductores como los metales y el carbono”, dice Tsubaki. “En nuestro dispositivo pudimos aumentar la actividad catalítica separando los dos campos, luego usando un campo eléctrico para calentar la solución líquida de celobiosa y un campo magnético para calentar el catalizador al mismo tiempo”.
Las reacciones catalíticas aceleradas por microondas se han aplicado a diversas reacciones químicas, incluida la biosíntesis, el reciclaje de plástico y la conversión de biomasa. El equipo espera que a medida que las fuentes de energía renovables sigan creciendo, la fabricación de productos químicos impulsados por electricidad como la suya ayude a hacer avanzar la industria hacia un futuro más verde.
“Esperamos que nuestro sistema ayude al desarrollo de una síntesis química más sostenible. Nos gustaría explorar la utilidad de nuestro método en la hidrólisis de otros polisacáridos y proteínas para la producción de aminoácidos y péptidos”, concluyó Tsubaki.