Conversione dell'acido levulinico in prodotti ad alto valore aggiunto per l'industria

Over the years, the number of scientific researches aimed at using renewable sources for the production of products useful to industry, with sustainable processes, has gradually increased. In this way, we try to reduce dependence on non-renewable energy sources which today are the main sources exploited. In this context, lignocellulosic biomass and agricultural residues have been the subjects of numerous researches in recent years, as they represent a renewable and eco-sustainable alternative for the production of energy and high added value compounds: cellulose and hemicellulose, among the main components of lignocellulosic biomass, in fact, they can be processed in order to obtain products for the industry. One of these is levulinic acid (LA), the subject of this thesis. Levulinic acid, also called 4-oxopentanoic acid, is a "platform chemical", which could be converted into products useful in many fields: in this paper, the various production methods of levulinic acid are analyzed and compared, focusing the attention on homogeneous and heterogeneous catalysis, on more traditional synthesis methods up to the most recent and unconventional ones studied by researchers (such as the production of this compound through the use of microwaves). This study therefore assesses the conversion of levulinic acid into other useful chemical compounds, such as γ-valerolactone, various valeric acids, 2-methyltetrahydrofuran and secondary alcohols used as precursors and additives for fuels; salts of levulinic acid, succinic acid, δ-aminolevulinic acid (DALA) which are used in the pharmaceutical, cosmetic and agri-food industries and finally 3-hydroxypropanoic acid, and diphenolic acid, which are applied as additives and precursors of polymeric materials. At the end of the report, economic and environmental assessments are carried out on the market value of the LA and its conversion products previously listed, as well as an assessment of the environmental impact of the conversion reactions.

Col passare degli anni è via via aumentato il numero di ricerche scientifiche volte ad utilizzare fonti rinnovabili per la produzione di prodotti utili all'industria, con processi sostenibili. In questo modo, si cerca di ridurre la dipendenza dalle fonti di energia non rinnovabili che al giorno d'oggi rappresentano le principali sorgenti da cui trarre profitto. In questo contesto, la biomassa lignocellulosica ed i residui agricoli sono stati oggetto di numerose ricerche negli ultimi anni, in quanto rappresentano un'alternativa rinnovabile ed eco-sostenibile per la produzione di energia e composti ad alto valore aggiunto: la cellulosa e l'emicellulosa, tra le componenti principali delle biomasse lignocellulosiche, infatti, possono essere lavorate al fine di ottenere prodotti per l'industria. Uno di questi è l'acido levulinico (LA), oggetto di questa tesi. L'acido levulinico, anche denominato acido 4-ossopentanoico, è un “platform chemical”, che può essere convertito in prodotti utili in molti campi: in questo elaborato vengono dapprima analizzati e comparati i diversi metodi di produzione dell'acido levulinico, focalizzando l'attenzione sulla catalisi omogenea ed eterogenea, sui metodi di sintesi più tradizionali fino ad arrivare a quelli più recenti e non convenzionali oggetto di studio di ricercatori (come ad esempio la produzione di questo composto attraverso l'utilizzo delle microonde). Questo studio valuta quindi i processi di conversione dell'acido levulinico in altri composti chimici utili, come ad esempio il γ-valerolattone, diversi acidi valerici, il 2-metiltetraidrofurano ed alcoli secondari utilizzati come precursori ed additivi per carburanti; sali dell'acido levulinico, acido succinico, acido δ-amminolevulinico (DALA) che vengono adoperati nell'industria farmaceutica, cosmetica ed agroalimentare ed infine l' acido 3-idrossipropanoico, e l'acido difenolico, i quali sono applicati come additivi e precursori dei materiali polimerici. Al termine dell'elaborato vengono svolte valutazioni economiche ed ambientali sul valore di mercato dell'LA e dei suoi prodotti di conversione precedentemente elencati, oltre ad una valutazione sull'impatto ambientale delle reazioni di conversione.