Industriklar proces gør plast kemisk fra plantesukker

Udvikling af vedvarende, plantebaserede alternativer til olieafledte kemikalier er en vigtig del af bestræbelserne på at omstille sig væk fra en fossilt brændstofbaseret økonomi til en mere bæredygtig og miljøvenlig biobaseret økonomi. Men integration af ny og uprøvet teknologi i eksisterende industrielle systemer indebærer et element af risiko, der har gjort kommercialisering af sådanne fremskridt til en betydelig udfordring.

I ny forskning, offentliggjort for nylig i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab , et hold fra Great Lakes Bioenergy Research Center og University of Wisconsin-Madison beskriver en effektiv og økonomisk gennemførlig proces til fremstilling af HMF-5-hydroxymethylfurfural, et alsidigt planteafledt kemikalie, der anses for at være afgørende for opbygningen af ​​en vedvarende økonomi.

Hvad mere er, processen er enkel og kompatibel med den eksisterende infrastruktur i majssirupindustrien med høj fructose, viser forskerne.

"Vi integrerede i en aktuel proces for at reducere den indledende risiko en hel del og reducere startkapitalen, der kræves for at sætte tingene på jorden for at bevise teknologien, " siger Ali Hussain Motagamwala, der ledede projektet mens en UW-Madison kandidatstuderende i kemisk og biologisk teknik.

HMF kan bruges til at fremstille en lang række kemikalier, plastik og brændstoffer. Det er en tiltalende kandidat til kommercialisering, blandt andet fordi der allerede er et etableret marked for mange af produkterne fremstillet med HMF. Den ene er en fuldt ud plante-afledt version af polyethylenterephthalat (PET), den almindelige plastik, der bruges til fremstilling af drikkevareflasker og anden fødevareemballage. For eksempel, Coca-Cola, Danone, og BASF har allerede investeret i produktionen af ​​furandicarboxylsyre, et HMF-afledt kemikalie, der bruges til at fremstille 100 procent biobaserede plastikflasker.

Til dato, imidlertid, HMF's anvendelse har været begrænset af dets høje produktionsomkostninger. Biobaseret plast er i øjeblikket dyrere end deres olie-modstykker, hovedsagelig på grund af omfanget af de eksisterende fremstillingsprocesser.

"Der er efterspørgsel efter bæredygtige alternativer. Spørgsmålet er, hvor konkurrencedygtige kan vi være med oliebaserede produkter? ”siger Motagamwala.

UW-Madison kemisk og biologisk teknik professor James A. Dumesic, seniorforfatter af papiret, har arbejdet i mere end to årtier med teknologier til bæredygtigt og økonomisk fremstilling af HMF fra biomasse-afledte sukkerarter.

"Vi har i mange år vidst, at HMF er et platformsmolekyle med et enormt potentiale, men det har været en vedvarende udfordring at producere HMF på en omkostningseffektiv måde fra bæredygtige kulhydratressourcer, " siger Dumesic. "Vores tidlige arbejde fokuserede på brugen af ​​specielle opløsningsmiddelsystemer til at producere HMF ud fra fruktose med høje udbytter."

Problemet har altid været det opløsningsmiddel, som HMF er blevet fremstillet i.

"De opløsningsmidler, der generelt bruges, er dyre i sig selv, og adskillelse af opløsningsmidlet og produktet gør processen endnu dyrere, Motagamwala siger. "Nu har vi vist, at vi kan fremstille HMF i virkelig højt udbytte - tæt på 95% - med et billigt opløsningsmiddelsystem, der kan fjernes meget nemt."

GLBRC -teamets proces dehydrerer fructose til HMF ved hjælp af et opløsningsmiddelsystem, der består af kun acetone og vand, med en stabil fast syrekatalysator. Ud over at være billig og let tilgængelig, opløsningsmidlerne er miljøvenlige og lette at adskille fra den resulterende HMF.

"En af de bedste ting ved den nye proces er, at alle de anvendte enhedsoperationer er enkle og i øjeblikket er ansat i industrien, " siger Motagamwala. Det betyder en lavere kapitalinvestering og mindre risiko, end der generelt er forbundet med uafprøvede teknologier.

Forskerne foretog en teknoøkonomisk vurdering for at evaluere muligheden for at implementere den nye proces. Det viser, at en minimumssalgspris for HMF på $1, 710 pr. ton vil opnå et investeringsafkast på 25 % - en behagelig procentdel beregnet til at indbygge en vis sikkerhed for rentabiliteten.

Den største faktor til at bestemme prisen er prisen på råvaren - i dette tilfælde, fruktose. Det betyder, at en virksomhed inden for majsindustrien allerede ville kontrollere de største omkostninger i systemet. Det betyder også, at når udbuddet af majssirup med højt fructoseindhold er højere end efterspørgslen, industrien kunne shunte overskydende fruktose ind i HMF som en separat, produktstrøm af høj værdi.

Forskerne demonstrerede også, hvordan processen kan udvides til at bruge glukose som råmateriale. Fordi glukose let kan fremstilles af biomasse, det er billigere og mere rigeligt end fruktose. Imidlertid, HMF-produktion fra glukose kræver et ekstra forarbejdningstrin og yderligere infrastruktur.

At bevise teknologien ved hjælp af fruktose er det første trin, ifølge Motagamwala.

"Den langsigtede implementering af processen er at få planter til at starte fra glukose, hvilket vil drive omkostningerne endnu lavere, " han siger.