Utveckla förnybar, växtbaserade alternativ för petroleumbaserade kemikalier är en viktig del av ansträngningen att övergå från en fossilbaserad ekonomi till en mer hållbar och miljövänlig biobaserad ekonomi. Men integration av ny och obevisad teknik i befintliga industrisystem innebär ett element av risk som har gjort kommersialisering av sådana framsteg till en betydande utmaning.

I ny forskning, publicerades nyligen i tidningen Energi- och miljövetenskap , ett team från Great Lakes Bioenergy Research Center och University of Wisconsin-Madison beskriver en effektiv och ekonomiskt genomförbar process för att producera HMF-5-hydroximetylfurfural, en mångsidig växtbaserad kemikalie som anses vara avgörande för att bygga en förnybar ekonomi.

Vad mer, processen är enkel och kompatibel med den befintliga infrastrukturen inom majssirapindustrin med hög fruktoshalt, visar forskarna.

"Vi integrerade i en nuvarande process för att minska initialrisken ganska mycket och minska det initiala kapitalet som krävs för att sätta saker på marken för att bevisa tekniken, "säger Ali Hussain Motagamwala, som ledde projektet medan en UW-Madison doktorand i kemisk och biologisk teknik.

HMF kan användas för att tillverka ett brett utbud av kemikalier, plast och bränslen. Det är en tilltalande kandidat för kommersialisering delvis eftersom det redan finns en etablerad marknad för många av de produkter som tillverkas med HMF. Den ena är en helt växtbaserad version av polyetylentereftalat (PET), den vanliga plasten som används för att tillverka dryckesflaskor och andra livsmedelsförpackningar. Till exempel, Coca Cola, Danone, och BASF har redan investerat i produktionen av furandikarboxylsyra, en HMF-härledd kemikalie som används för att tillverka 100 procent biobaserade plastflaskor.

Hittills, dock, HMFs användning har begränsats av dess höga produktionskostnad. Biobaserad plast är för närvarande dyrare än sina petroleummotsvarigheter, till stor del på grund av omfattningen av de befintliga tillverkningsprocesserna.

"Det finns en efterfrågan på hållbara alternativ. Frågan är, hur konkurrenskraftiga kan vi vara med petroleumbaserade produkter? säger Motagamwala.

UW-Madison kemisk och biologisk teknik professor James A. Dumesic, senior författare till tidningen, har arbetat i mer än två decennier med teknik för att på ett hållbart och ekonomiskt sätt producera HMF från biomassa som härrör från socker.

"Vi har vetat i många år att HMF är en plattformsmolekyl med enorm potential, men det har varit en pågående utmaning att producera HMF på ett kostnadseffektivt sätt från hållbara kolhydratresurser, "Dumesic säger." Vårt tidiga arbete fokuserade på användning av speciella lösningsmedelssystem för att producera HMF från fruktos med höga utbyten. "

Problemet har alltid varit lösningsmedlet i vilket HMF har producerats.

"De lösningsmedel som i allmänhet används är själva dyra, och separering av lösningsmedlet och produkten gör processen ännu dyrare, "Säger Motagamwala." Nu har vi visat att vi kan göra HMF i riktigt högt utbyte - nära 95% - med ett billigt lösningsmedelssystem som kan tas bort mycket enkelt. "

GLBRC -teamets process uttorkar fruktos till HMF med hjälp av ett lösningsmedelssystem som består av bara aceton och vatten, med en stabil fast syrakatalysator. Förutom att vara billig och lättillgänglig, lösningsmedlen är miljömässigt godartade och lätta att skilja från den resulterande HMF.

"En av de bästa sakerna med den nya processen är att alla enhetsoperationer som används är enkla och för närvarande är anställda i branschen, "Säger Motagamwala. Det innebär en lägre kapitalinvestering och mindre risk än vad som i allmänhet är förknippat med obevisad teknik.

Forskarna gjorde en teknikekonomisk bedömning för att utvärdera genomförbarheten av att implementera den nya processen. Det visar att ett lägsta försäljningspris för HMF på $ 1, 710 per ton kommer att uppnå en avkastning på 25% på investeringen - en bekväm procentsats som är avsedd att bygga in viss lönsamhetsförsäkring.

Den största faktorn för att bestämma det priset är kostnaden för råvaran - i detta fall fruktos. Det betyder att ett företag inom majsindustrin redan skulle kontrollera den största kostnaden i systemet. Det betyder också att när majssiraputbudet med hög fruktos är högre än efterfrågan, industrin kan shunta överskott av fruktos till HMF som en separat, högvärdig produktström.

Forskarna demonstrerade också hur processen kan utvidgas till att använda glukos som råvara. Eftersom glukos lätt kan produceras från biomassa, det är billigare och rikligare än fruktos. Dock, HMF -produktion från glukos kräver ett extra bearbetningssteg och ytterligare infrastruktur.

Att bevisa tekniken med fruktos är det första steget, enligt Motagamwala.

"Den långsiktiga implementeringen av processen är att få växter att börja från glukos, vilket kommer att driva kostnaden ännu lägre, " han säger.