Catalytic transformations of fatty acid derivatives for food, oleochemicals and fuels over carbon supported platinum group metals

Växtoljor som utgör en förnybar naturresurs används som sådana eller i modifierade former i många industriella processer, som är av stor betydelse för vårt vardagliga liv. Växtoljor används i livsmedel, i kemiska och farmaceutiska produkter, i textilindustrin, för framställning av färgämnen och beläggningsmaterial samt som miljövänliga bränslekomponenter. Fetter och oljor hör till de äldsta kemiska komponenterna som utnyttjas av människan. De består huvudsakligen av glycerolestrar och fettsyror. Fetter och oljor har typiskt en kolkedja med kol-koldubbelbindningar samt karboxyl- och estergrupper, som kan genom hydrering eller dekarboxylering konverteras till nyttiga och miljövänliga produkter med hjälp av ädelmetallkatalysatorer. Aktivt kol (C) används som bärare på katalysatorerna. Väteaddition, d.v.s. hydrering av växtoljor har varit föremål för omfattande forskning i över hundra års tid. Hydreringen är en viktig process, för den tillämpas på produktion av fetter och margarin. Omättade fettsyror hydreras traditionellt på nickelbaserade heterogena katalysatorer. Samtidigt med en partiell hydrering av fettsyrorna och fettsyraestrarna som har två dubbelbindningar pågår också isomeringsreaktioner, vilka ger cis- och transisomerer av reaktantmolekylerna. Den största nackdelen med nickelkatalysatorerna är deras giftighet samt bildning av ohälsosamma transisomerer i reaktionsprodukterna. Dessutom deaktiveras nickelkatalysatorn snabbt p.g.a. att nickeltvålar bildas i reaktionsblandningen. Platinabaserade katalysatorer lider däremot inte av dessa begränsningar. Metaller i platinagruppen i det periodiska systemet studerades i detalj för att avslöja kinetiska effekter i hydreringen av cis-metyloleat. Palladium, rutenium, rhodium, platina och iridium användes som katalytiska metaller. Metallhalten på aktivkolbärare var 1 vikt-%. De olika platinametallerna undersöktes för att kartlägga konkurrerande hydrerings- och isomeringsrutter på metallerna. Det visade sig att metallerna i andra raden av det periodiska systemet (Ru, Rh, Pd) är aktivare i isomeringsprocesserna, medan metallerna i tredje raden (Ir, Pt) har en lägre aktivitet. Pd/C valdes bland platinametallerna, för att den är attraktiv ur ekonomisk synvinkel och den är mycket aktiv och selektiv, speciellt jämfört med nickel. Tyngdpunkten i arbetet var utvecklingen av en alternativ, palladiumbaserad hydreringsteknologi som skulle ersätta den traditionella teknologin som är baserad på användningen av nickelkatalysatorer. Palladiumbaserade katalysatorer kan återcirkuleras, de är aktivare och mera resistenta mot syror och de bildar mindre mängder av skadliga transisomerer. För att denna teknologi skall bli ekonomiskt hållbar och konkurrenskraftig, måste den basera sig på de bästa möjliga katalysatorerna, vilket innebär att en optimal kombination av hög aktivitet och selektivitet samt en lång livstid för katalysatorn krävs. Därför inkluderades teknologiska aspekter kraftigt i forskningen. Mycket arbete satsades på design av palladium på en mesoporös kolbärare och undersökning av korrelationerna mellan katalysatorns egenskaper och dess aktivitet i isomeriseringsreaktionerna och i hydreringen av kol-koldubbelbindningarna i reaktantmolekylen. Katalysatorerna karakteriserades med många fysikaliska och kemiska metoder (transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), temperaturprogrammerad reduktion (TPR), temperaturprogrammerad desorption (TPD) av kolmonoxid, kemisorption av kolmonoxid, fysisorption av kväve). Temperaturens, vätetryckets och katalysatorkoncentrationens inverkan på fettsyra- och isomersammansättningen hos de hydrerade oljorna bestämdes under kinetiska betingelser, i frånvaro av massöverföringseffekter. Syreavspjälkning genom fullständig dekarboxylering av karboxylgruppen i fettsyramolekylen är det hittills bästa sättet att framställa miljövänlig dieselolja, eftersom linjära paraffiner fås som reaktionsprodukter och en tillsats av dyr vätgas undviks. Deoxygeneringen undersöktes systematiskt på en Pd/C-katalysator (Sibunit) genom att använda mättade fettsyror C16-C20 och C22 som råvara. Produktmolekylen blev en dieselliknande kolvätemolekyl, med en kolatom färre än i utgångsmolekylen. Lika stora dekarboxyleringshastigheter observerades för rena, mättade fettsyror. En jämförelse av deoxygenereringshastigheterna för stearin-, olein- och linolsyra som råvara vid 300oC i närvaro av 1-volymprocent väte på mesoporös Pd/C (Sibunit) avslöjade att katalysatorns aktivitet och selektivitet ökade med en ökande mättningsgrad av reaktantmolekylen. Då stearinsyra användes som utgångsmolekyl, bestod huvudprodukterna av önskade C17-kolväten, medan mängden av aromatiska C17-komponenter ökade, då olein- och linolsyra användes som utgångsmolekyler. Katalysatordeaktiveringen var relativt påfallande vid deoxygeneringen av linolsyra så att endast 3% av fettsyrorna omsattes till produkter i 330 min. Deaktiveringen orsakades av aromatiska C17-komponenter samt av fettsyradimerer, som bildades via en Diels-Alderreaktion. Hydreringen av omättade fettsyror kan därför rekommenderas som ett primärt kemiskt steg i framställningen av miljövänliga dieselprodukter. Målet var också att öka förståelsen av palladiummetallernas roll i nanoskala, speciellt effekten av metallpartiklarna i katalytisk hydrering och deoxygenering. Pd/C-katalysatorer med lika stora halter av Pd syntetiserades och metallens dispersion på bärarmaterialet varierades systematiskt genom en kontrollerad uppväxt av palladiumnanopartiklar på aktiv kolbärare. Metalldispersionens effekt på hydrerings-hastigheten och cis-transförhållandet undersöktes i detalj. En optimal metalldispersion som gav den högsta dekarboxyleringshastigheten hittades. Massöverföringens inverkan på reaktionens hastighet studerades experimentellt och temperaturprogrammerad desorption av kolmonoxid från katalysatorytan undersöktes ingående. Hydrering av växtoljor genomfördes under satsvisa och kontinuerliga betingelser. Både finfördelat Pd/C och katalysatorgranulat användes i experimenten. Ett av målen med arbetet var uppskalningen av hydreringsprocesserna. Med tanke på stora produktionsvolymer var det logiskt att undersöka kontinuerliga hydrerings- och dekarboxyleringsteknologier. En kontinuerlig packad bäddreaktor studerades i laboratorieskala, vilket gav viktig information om katalysatorns långtidsstabilitet och deaktivering. Effekten av rena fettsyror och triglycerider som råvara samt metallpartikelstorleken och palladiumhalten studerades med hjälp av den kontinuerliga reaktorn. Produktionskapaciteten som erhölls med satsvis och kontinuerlig drift jämfördes. Dekarboxyleringen av stearinsyra undersöktes också i en kontinuerlig packad bädd. Omsättningsgraden blev 15% för en stabil katalysator.

Novel technology for preparation of optically active chemicals

Asymmetric synthesis using modified heterogeneous catalysts has gained lots of interest in the production of optically pure chemicals, such as pharmaceuticals, nutraceuticals, fragrances and agrochemicals. Heterogeneous modified catalysts capable of inducing high enantioselectivities are preferred in industrial scale due to their superior separation and handling properties. The topic has been intensively investigated both in industry and academia. The enantioselective hydrogenation of ethyl benzoylformate (EBF) to (R)-ethyl mandelate over (-)-cinchonidine (CD)-modified Pt/Al2O3 catalyst in a laboratory-scale semi-batch reactor was studied as a function of modifier concentration, reaction temperature, stirring rate and catalyst particle size. The main product was always (R)-ethyl mandelate while small amounts of (S)-ethyl mandelate were obtained as by product. The kinetic results showed higher enantioselectivity and lower initial rates approaching asymptotically to a constant value as the amount of modifier was increased. Additionally, catalyst deactivation due to presence of impurities in the feed was prominent in some cases; therefore activated carbon was used as a cleaning agent of the raw material to remove impurities prior to catalyst addition. Detailed characterizations methods (SEM, EDX, TPR, BET, chemisorption, particle size distribution) of the catalysts were carried out. Solvent effects were also studied in the semi-batch reactor. Solvents with dielectric constant (e) between 2 and 25 were applied. The enantiomeric excess (ee) increased with an increase of the dielectric coefficient up to a maximum followed by a nonlinear decrease. A kinetic model was proposed for the enantioselectivity dependence on the dielectric constant based on the Kirkwood treatment. The non-linear dependence of ee on (e) successfully described the variation of ee in different solvents. Systematic kinetic experiments were carried out in the semi-batch reactor. Toluene was used as a solvent. Based on these results, a kinetic model based on the assumption of different number of sites was developed. Density functional theory calculations were applied to study the energetics of the EBF adsorption on pure Pt(1 1 1). The hydrogenation rate constants were determined along with the adsorption parameters by non-linear regression analysis. A comparison between the model and the experimental data revealed a very good correspondence. Transient experiments in a fixed-bed reactor were also carried out in this work. The results demonstrated that continuous enantioselective hydrogenation of EBF in hexane/2-propanol 90/10 (v/v) is possible and that continuous feeding of (-)-cinchonidine is needed to maintain a high steady-state enantioselectivity. The catalyst showed a good stability and high enantioselectivity was achieved in the fixed-bed reactor. Chromatographic separation of (R)- and (S)-ethyl mandelate originating from the continuous reactor was investigated. A commercial column filled with a chiral resin was chosen as a perspective preparative-scale adsorbent. Since the adsorption equilibrium isotherms were linear within the entire investigated range of concentrations, they were determined by pulse experiments for the isomers present in a post-reaction mixture. Breakthrough curves were measured and described successfully by the dispersive plug flow model with a linear driving force approximation. The focus of this research project was the development of a new integrated production concept of optically active chemicals by combining heterogeneous catalysis and chromatographic separation technology. The proposed work is fundamental research in advanced process technology aiming to improve efficiency and enable clean and environmentally benign production of enantiomeric pure chemicals.

Evaluation of Machine Learning Classifiers for Mobile Network Intrusion Detection Systems

Mobile malwares are increasing with the growing number of Mobile users. Mobile malwares can perform several operations which lead to cybersecurity threats such as, stealing financial or personal information, installing malicious applications, sending premium SMS, creating backdoors, keylogging and crypto-ransomware attacks. Knowing the fact that there are many illegitimate Applications available on the App stores, most of the mobile users remain careless about the security of their Mobile devices and become the potential victim of these threats. Previous studies have shown that not every antivirus is capable of detecting all the threats; due to the fact that Mobile malwares use advance techniques to avoid detection. A Network-based IDS at the operator side will bring an extra layer of security to the subscribers and can detect many advanced threats by analyzing their traffic patterns. Machine Learning(ML) will provide the ability to these systems to detect unknown threats for which signatures are not yet known. This research is focused on the evaluation of Machine Learning classifiers in Network-based Intrusion detection systems for Mobile Networks. In this study, different techniques of Network-based intrusion detection with their advantages, disadvantages and state of the art in Hybrid solutions are discussed. Finally, a ML based NIDS is proposed which will work as a subsystem, to Network-based IDS deployed by Mobile Operators, that can help in detecting unknown threats and reducing false positives. In this research, several ML classifiers were implemented and evaluated. This study is focused on Android-based malwares, as Android is the most popular OS among users, hence most targeted by cyber criminals. Supervised ML algorithms based classifiers were built using the dataset which contained the labeled instances of relevant features. These features were extracted from the traffic generated by samples of several malware families and benign applications. These classifiers were able to detect malicious traffic patterns with the TPR upto 99.6% during Cross-validation test. Also, several experiments were conducted to detect unknown malware traffic and to detect false positives. These classifiers were able to detect unknown threats with the Accuracy of 97.5%. These classifiers could be integrated with current NIDS', which use signatures, statistical or knowledge-based techniques to detect malicious traffic. Technique to integrate the output from ML classifier with traditional NIDS is discussed and proposed for future work.