Petrochemie, de van olie en gas afgeleide verbindingen die als moleculaire ruggengraat dienen voor een groot deel van de moderne handel, had in 2018 een marktwaarde van $ 539,3 miljard.

Het vervangen van slechts een paar van die aardolieproducten door chemicaliën die zijn gemaakt van planten of microben, zou een aanzienlijke deuk kunnen veroorzaken in het wereldwijde verbruik van fossiele brandstoffen.

Daarom heeft een team van ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Madison een methode ontwikkeld om op planten gebaseerde verbindingen te identificeren die veelbelovend zijn als potentiële vervangers voor petrochemicaliën. Ze publiceerden hun resultaten deze maand in het tijdschrift iScience .

"Dit zal een leidraad zijn voor productontwerp en ontdekking, " zegt Wenzhao Wu, die het onderzoek deed voordat hij in 2018 promoveerde in chemische technologie aan UW-Madison en nu werkt in de bedrijfsstrategische onderzoeksdivisie van ExxonMobil. "Het zal de biobrandstoffengemeenschap ook helpen zich te concentreren op welke chemicaliën ze moeten produceren."

Welke chemicaliën moeten worden geproduceerd, is een cruciale vraag - en het antwoord kan maken of breken of biobrandstoffen kunnen concurreren met de kosten van aardolie.

"We bestuderen chemische productie, naast brandstoffen, om de economie van bioraffinaderijen te verbeteren, " zegt Christos Maravelias, een UW-Madison hoogleraar chemische en biologische engineering. "De logica is dat het omzetten van biomassa in brandstof relatief inefficiënt is in vergelijking met olie en gas, maar chemische productie zou kosteneffectiever kunnen zijn."

Olie- en gasraffinaderijen produceren naast brandstofproducten een hele reeks basischemicaliën om te voldoen aan een onverzadigbare vraag van tal van industrieën, inclusief landbouw, farmaceutica en elektronica.

Het vervangen van sommige van die basischemicaliën door biogebaseerde producten zou onze bijna exclusieve afhankelijkheid van aardolie kunnen wegnemen. In feite, Maravelias bestudeert al welke hedendaagse basischemicaliën het best kunnen worden geproduceerd uit plantaardige of microbiële bronnen.

Dat relatief smalle, De 'huidige dag'-weergave geeft niet het brede scala aan chemicaliën weer dat zou kunnen worden gemaakt van planten van microben. Dus, de onderzoekers zochten een strategie om opkomende chemicaliën te identificeren - biogebaseerde verbindingen die nog niet op grote schaal worden geproduceerd, maar potentieel in staat om een ​​petrochemische stof die tegenwoordig wordt gebruikt te vervangen.

De onderzoekers noemden de nieuwkomers "vervangende chemicaliën, " geïdentificeerd door een zorgvuldige analyse van alles, van marktvolumes en prijzen tot atomaire samenstelling.

Zoals het geval is met op aardolie gebaseerde chemicaliën, vervangende chemicaliën zouden ooit naast biobrandstoffen kunnen worden verkocht. Als resultaat, onderzoekers moesten verbindingen vinden die substantiële inkomsten konden genereren als bijproducten.

Ze hielden ook rekening met de vraag. Bijvoorbeeld, talrijke chemicaliën (zoals de gecompliceerde moleculen die worden gebruikt om geneesmiddelen op recept of geneesmiddelen te synthetiseren) kunnen hoge prijzen opleggen, maar die dure verbindingen vormen een klein deel van de totale markt.

"Als biobrandstoffen op grote schaal kunnen worden toegepast, hun bijproducten zouden een aanzienlijke vraag moeten hebben, ", zegt Maravelias. "Als we alleen speciale chemicaliën zouden produceren, er zou geen markt zijn die groot genoeg is."

Verbreding van de vergelijking om zowel marktvolumes als prijzen op te nemen, de onderzoekers identificeerden kenmerken van chemicaliën waar veel vraag naar is en die moeilijk te verkrijgen zijn uit fossiele brandstoffen.

En door gelaagdheid in een derde stap van analyse op basis van moleculaire structuur, de onderzoekers beperkten zich tot kenmerken die succesvolle biogebaseerde chemicaliën in staat stellen om de afweging tussen prijs en vraag in evenwicht te brengen - en, belangrijk, gemakkelijk worden geproduceerd uit biologische bronnen.

Ze hopen dat deze kenmerken andere onderzoekers van biobrandstoffen zullen motiveren om de volgende stappen te zetten:het ontwerpen en ontwikkelen van op planten of microben gebaseerde routes voor het synthetiseren van moleculen die de vervangende chemicaliën van morgen zullen worden.