Repositorio
Institucional

Cea, Mara

Green production of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) in biphasic continuous microreactor using terpenoid-based solvents

ELSEVIER SCIENCE SA

CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL

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The synthesis of bio-based molecules from biomass offers a sustainable alternative to petrochemical-derived products. This study explores the continuous production of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) from glucose using a biphasic microreactor system catalyzed by Lewis (AlCl3) and Br & oslash

nsted (HCl) acids. Natural solvents with high affinity for HMF were identified using the COSMO-RS method. Carvacrol and the natural deep eutectic solvent (NADES, mix of carvacrol:thymol) outperform conventional solvents like MIBK and ethyl acetate in extraction efficiency. Under optimized conditions 160 degrees C, an organic to aqueous (O/A) volume ratio of 2:1, equimolar catalyst concentrations (AlCl3/HCl) of 40 mM, and a residence time of 12 min a maximum HMF yield of 55 mol% was achieved with carvacrol and 52 mol% with carvacrol:thymol, compared to 43 mol% obtained with MIBK, all at similar glucose conversions (similar to 85 mol%). MALDI-TOF MS analysis demonstrated that terpenoid-based solvents inhibit the formation of humin precursors, enabling selective HMF production. The proposed first-order kinetic model further revealed that the use of carvacrol minimizes the formation of by-products such as formic acid and levulinic acid, enhancing the HMF yield to as high as 65 mol% under optimized conditions but increasing the residence time in 12 min compared to the experimental conditions. Additionally, calculated overall liquid-liquid mass transfer coefficient indicates the absence of significant mass transfer limitations within the studied parameters. These findings highlight the effectiveness of combining terpenoid-based solvents with AlCl3/HCl catalysts for sustainable and efficient HMF production.La síntesis de moléculas de base biológica a partir de biomasa ofrece una alternativa sostenible a los productos derivados del petróleo. Este estudio explora la producción continua de 5-hidroximetilfurfural (HMF) a partir de glucosa mediante un sistema de microrreactor bifásico catalizado por ácidos de Lewis (AlCl3) y Brønsted (HCl). Se identificaron disolventes naturales con alta afinidad por el HMF mediante el método COSMO-RS. El carvacrol y el disolvente eutéctico profundo natural (NADES, mezcla de carvacrol y timol) superan a los disolventes convencionales como el MIBK y el acetato de etilo en eficiencia de extracción. Bajo condiciones optimizadas de 160 °C, una relación de volumen orgánico/acuoso (O/A) de 2:1, concentraciones equimolares de catalizador (AlCl3/HCl) de 40 mM y un tiempo de residencia de 12 min, se logró un rendimiento máximo de HMF del 55% molar con carvacrol y del 52% molar con carvacrol:timol, en comparación con el 43% molar obtenido con MIBK, todo a conversiones de glucosa similares (aproximadamente 85% molar). El análisis MALDI-TOF MS demostró que los solventes a base de terpenoides inhiben la formación de precursores de humina, lo que permite la producción selectiva de HMF. El modelo cinético de primer orden propuesto reveló además que el uso de carvacrol minimiza la formación de subproductos como el ácido fórmico y el ácido levulínico, aumentando el rendimiento de HMF hasta un 65% molar bajo condiciones optimizadas, pero incrementando el tiempo de residencia a 12 min en comparación con las condiciones experimentales. Adicionalmente, el coeficiente global de transferencia de masa líquido-líquido calculado indica la ausencia de limitaciones significativas de transferencia de masa dentro de los parámetros estudiados. Estos hallazgos resaltan la eficacia de combinar disolventes a base de terpenoides con catalizadores de AlCl3/HCl para una producción de HMF sostenible y eficiente.

artículo original

Microreactors

Glucose

5-hydroxymethylfurfural

Terpenoids

Eutectic solvents

10.1016/j.cej.2025.164077

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GLUCOSE CONVERSION

LEVULINIC ACID

SLUG FLOW

DEHYDRATION

CHLORIDE

HYDROLYSIS

FRUCTOSE

KINETICS

CATALYST

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Bioproductos (Productos que se manufacturan usando biotecnología como materia prima), Biomateriales, Bioplásticos, Biocombustibles, Químicos Brutos y Finos, Bioderivados, Materiales nuevos Bioderivados

Biotecnología Industrial

Química Orgánica

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verde

acceso abierto

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WOS:001505072300019

Green production of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) in biphasic continuous microreactor using terpenoid-based solvents

artículo original

ELSEVIER SCIENCE SA

CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL

Engineering, Environmental

Engineering, Chemical

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1385-8947

CC BY-NC-ND 4.0

National Doctoral Grant#FONDECYT(Comision Nacional de Investigacion Cientifica y Tecnologica (CONICYT)CONICYT FONDECYT)

National Doctoral Grant [21221012]

FONDECYT [1231242]

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