Een nieuwe studie van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Energy Department stelt een nieuwe katalytische methode vast om hernieuwbaar acrylonitril te produceren met behulp van 3-hydroxypropionzuur (3-HP), die biologisch kan worden geproduceerd uit suikers. Dit hybride biologisch-katalytische proces biedt een alternatief voor de conventionele petrochemische productiemethode en bereikt ongekende acrylonitrilopbrengsten.

acrylonitril, een van aardolie afgeleid chemisch product, is een van de meest gebruikte monomeren in de chemische industrie met veel commerciële toepassingen. Vandaag, acrylonitril wordt gebruikt bij de productie van acrylvezels voor tapijten, kleren, en stoffen, en in kunststoffen zoals voedselcontainers, en verpakkingsmaterialen. Het belangrijkste voor dit project is acrylonitril is ook de belangrijkste bouwsteen in koolstofvezelcomposieten, die worden gebruikt voor lichtgewichttoepassingen in auto- en luchtvervoer. Acrylonitril wordt tegenwoordig industrieel geproduceerd via een energie-intensief en chemisch gevaarlijk proces. Een groep mensen staat te midden van laboratoriumapparatuur.

Op de foto van links naar rechts Adam Bratis, Violeta Sanchez i Nogué, Todd Eaton, Gregg Beckham, Vassili Vorotnikov, en Eric Karp, een deel van het NREL-team dat werkt aan een kostenconcurrerend, duurzaam proces voor het maken van acrylonitril en koolstofvezels uit hernieuwbare biomassa. (Foto door Dennis Schroeder / NREL)

De volatiliteit van de prijs van propyleen en ecologische duurzaamheid hebben geleid tot een zoektocht naar alternatieve routes met behulp van bio-afgeleide grondstoffen zoals glycerol en glutaminezuur. Maar niemand is in staat geweest om te concurreren met het traditionele proces in termen van kosten en opbrengst. Nutsvoorzieningen, nieuw NREL-onderzoek is veelbelovend om dit doel te bereiken.

Nieuw gepubliceerd in Wetenschap , "Renewable Acrylonitril Production" toont de weg naar een kosteneffectieve, fabricageproces op basis van acrylonitril. Onderzoekers konden een opbrengst aan acrylonitril van 98% behalen met een nieuwe, robuust katalytisch proces. Alleen op basis van opbrengsten dit is een zeer belangrijke ontdekking:in vergelijking, na zes decennia van verbeteringen en optimalisatie op commerciële schaal, het traditionele productieproces van acrylonitril haalt opbrengsten van ongeveer 80% -83%.

"De hoge acrylonitrilopbrengst stelt ons in staat een potentieel industrieel proces voor te stellen voor de omzetting van lignocellulosebiomassa in hernieuwbare acrylonitril- en koolstofvezels, " zei Gregg Beckham, groepsleider bij NREL en senior auteur van de studie. "Historisch, acrylonitrilprijzen waren volatiel als gevolg van banden met propyleenprijzen. Dit alternatieve productieproces, een die vertrouwt op hernieuwbare grondstoffen, zou kunnen helpen de acrylonitrilprijzen te stabiliseren en leiden tot een bredere marktacceptatie van op koolstofvezel gebaseerde materialen. Dit is een belangrijke stap voorwaarts voor lichtgewicht transporttoepassingen, waardoor aanzienlijke kostenbesparingen voor transport worden gecreëerd, evenals het verminderen van onze impact op het milieu."

Naast de hoge opbrengsten, deze nieuwe aanpak heeft meerdere voordelen ten opzichte van het huidige op aardolie gebaseerde acrylonitrilproductieproces. Het nieuwe proces elimineert de productie van waterstofcyanide - een giftig bijproduct - maakt gebruik van een eenvoudigere en goedkopere katalysator, en zou kunnen worden gedaan in een eenvoudigere reactorconfiguratie. Bovendien, dit nieuwe high-yieldproces kan gebruik maken van non-food biomassa, zoals landbouwafval, als grondstof in plaats van propyleen.

"We zijn enthousiast over de vooruitzichten van deze nieuwe chemie voor de productie van acrylonitril om uiteindelijk de productie van koolstofvezels uit hernieuwbare bronnen mogelijk te maken. " zei Adam Bratis, Associate Laboratory Director van NREL en hoofdonderzoeker van het door NREL geleide Renewable Carbon Fiber Consortium. Dit baanbrekende onderzoek is het resultaat van een interdisciplinaire samenwerking van onderzoekers in de chemische technologie, biologie, en computationele modellering, waaronder NREL-auteurs Eric Karp, Todd Eaton, Violeta Sanchez i Nogué, en Vassili Vorotnikov, evenals andere medewerkers van NREL, de Universiteit van Colorado Boulder, Johnson Matthey, en de Mid-Atlantische technologie, Onderzoeks- en innovatiecentrum.

NREL schat dat het nieuwe proces de verkoopprijs van van biomassa afgeleid acrylonitril onder $ 1 per pond uit cellulosebiomassa of op zetmeel gebaseerde suikers zou kunnen brengen. Een doelstelling van $ 1 per pond werd noodzakelijk geacht voor kostenconcurrentievermogen met conventioneel geproduceerd acrylonitril.

Mede gedreven door de interesse in het gebruik van koolstofvezel voor het lichter maken van voertuigen en vliegtuigen, waardoor geld wordt bespaard op brandstofkosten, de vraag naar koolstofvezels zal naar verwachting jaarlijks met 11% tot 18% toenemen. En aangezien de koolstofvezelindustrie bijzonder gevoelig is voor prijsschommelingen in hun basischemische acrylonitril (er is ongeveer 2 pond acrylonitril nodig om 1 pond koolstofvezel te genereren), er is een duidelijke behoefte om alternatieve kostenconcurrerende processen te ontwikkelen. Vroeger, propyleenprijsvolatiliteit en ecologische duurzaamheid binnen de productie van composieten hebben de zoektocht naar alternatieve benaderingen voor propyleenamoxidatie voor de productie van acrylonitril gemotiveerd. Met het proces beschreven in dit werk, NREL-onderzoekers zijn een stap dichter bij dit doel.