Het ontwikkelen van hernieuwbare, plantaardige alternatieven voor van aardolie afgeleide chemicaliën is een belangrijk onderdeel van de inspanningen om over te stappen van een op fossiele brandstoffen gebaseerde economie naar een duurzamere en milieuvriendelijkere biogebaseerde economie. Maar de integratie van nieuwe en onbewezen technologie in bestaande industriële systemen brengt een risico met zich mee, waardoor de commercialisering van dergelijke ontwikkelingen een grote uitdaging is geworden.

Bij nieuw onderzoek onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Energie- en milieuwetenschappen , een team van het Great Lakes Bioenergy Research Center en de University of Wisconsin-Madison beschrijven een efficiënt en economisch haalbaar proces voor het produceren van HMF-5-hydroxymethylfurfural, een veelzijdige, van planten afgeleide chemische stof die als cruciaal wordt beschouwd voor het opbouwen van een hernieuwbare economie.

Bovendien, het proces is eenvoudig en compatibel met de bestaande infrastructuur in de fructose-glucosestroopindustrie, laten de onderzoekers zien.

"We integreerden in een huidig ​​proces om het initiële risico behoorlijk te verminderen en het initiële kapitaal te verminderen dat nodig is om dingen op de grond te zetten om de technologie te bewijzen, " zegt Ali Hussain Motagamwala, die het project leidde terwijl hij een afgestudeerde student van UW-Madison was in chemische en biologische technologie.

HMF kan worden gebruikt om een ​​breed scala aan chemicaliën te maken, kunststoffen en brandstoffen. Het is een aantrekkelijke kandidaat voor commercialisering, deels omdat er al een gevestigde markt is voor veel van de met HMF gemaakte producten. Een daarvan is een volledig plantaardige versie van polyethyleentereftalaat (PET), het gewone plastic dat wordt gebruikt om drankflessen en andere voedselverpakkingen te maken. Bijvoorbeeld, Coca Cola, Danon, en BASF hebben al geïnvesteerd in de productie van furandicarbonzuur, een van HMF afgeleide chemische stof die wordt gebruikt om 100 procent biogebaseerde plastic flessen te maken.

Daten, echter, Het gebruik van HMF is beperkt door de hoge productiekosten. Biobased plastics zijn momenteel duurder dan hun aardolie-tegenhangers, grotendeels te wijten aan de schaal van de bestaande productieprocessen.

"Er is vraag naar duurzame alternatieven. De vraag is, hoe kostenconcurrerend kunnen we zijn met op aardolie gebaseerde producten?", zegt Motagamwala.

UW-Madison chemische en biologische engineering Professor James A. Dumesic, senior auteur van het artikel, werkt al meer dan twee decennia aan technologieën om HMF duurzaam en economisch te produceren uit van biomassa afgeleide suikers.

"We weten al vele jaren dat HMF een platformmolecuul is met een enorm potentieel, maar het was een voortdurende uitdaging om HMF op een kosteneffectieve manier te produceren uit duurzame koolhydraatbronnen, " zegt Dumesic. "Ons vroege werk concentreerde zich op het gebruik van speciale oplosmiddelsystemen om HMF te produceren uit fructose met hoge opbrengsten."

Het probleem is altijd het oplosmiddel geweest waarin HMF is geproduceerd.

"De oplosmiddelen die over het algemeen worden gebruikt, zijn zelf duur, en scheiding van oplosmiddel en product maakt het proces nog duurder, " zegt Motagamwala. "Nu hebben we aangetoond dat we HMF met een zeer hoge opbrengst - bijna 95% - kunnen maken met een goedkoop oplosmiddelsysteem dat heel gemakkelijk kan worden verwijderd."

Het proces van het GLBRC-team dehydrateert fructose tot HMF met behulp van een oplosmiddelsysteem dat alleen bestaat uit aceton en water, met een stabiele vaste zure katalysator. Behalve dat het goedkoop en gemakkelijk toegankelijk is, de oplosmiddelen zijn milieuvriendelijk en gemakkelijk te scheiden van het resulterende HMF.

"Een van de beste dingen van het nieuwe proces is dat alle gebruikte unit-operaties eenvoudig zijn en momenteel worden toegepast in de industrie, ", zegt Motagamwala. Dat betekent een lagere kapitaalinvestering en minder risico dan over het algemeen wordt geassocieerd met onbewezen technologieën.

De onderzoekers voerden een technisch-economische evaluatie uit om de haalbaarheid van de implementatie van het nieuwe proces te evalueren. Het laat zien dat een minimale verkoopprijs voor HMF van $1, 710 per ton zal een investeringsrendement van 25% opleveren - een comfortabel percentage dat bedoeld is om enige zekerheid van winstgevendheid in te bouwen.

De grootste factor bij het bepalen van die prijs zijn de kosten van de grondstof - in dit geval fructose. Dat betekent dat een bedrijf in de maïsindustrie al de grootste kosten in het systeem zou beheersen. Het betekent ook dat wanneer het aanbod van fructose-glucosestroop groter is dan de vraag, de industrie zou overtollige fructose kunnen omleiden naar HMF als een afzonderlijk, hoogwaardige productstroom.

De onderzoekers toonden ook aan hoe het proces kan worden uitgebreid om glucose als grondstof te gebruiken. Omdat glucose gemakkelijk kan worden geproduceerd uit biomassa, het is goedkoper en overvloediger dan fructose. Echter, HMF-productie uit glucose vereist een extra verwerkingsstap en extra infrastructuur.

Het bewijzen van de technologie met behulp van fructose is de eerste stap, volgens Motagamwala.

"De langetermijnimplementatie van het proces is om planten te laten beginnen met glucose, waardoor de kosten nog lager worden, " hij zegt.