En ny studie från Energy Department's National Renewable Energy Laboratory (NREL) etablerar en ny katalytisk metod för att producera förnybar akrylnitril med användning av 3-hydroxipropionsyra (3-HP), som kan framställas biologiskt av sockerarter. Denna hybrid biologisk-katalytiska process erbjuder ett alternativ till den konventionella petrokemiska produktionsmetoden och uppnår oöverträffade skördar av akrylnitril.

Akrylnitril, en petroleumbaserad råvarukemikalie, är en av de mest använda monomererna inom den kemiska industrin med många kommersiella tillämpningar. I dag, akrylnitril används vid tillverkning av akrylfibrer för mattor, kläder, och tyger, och i plast som matbehållare, och förpackningsmaterial. Viktigast för detta projekt, akrylnitril är också den primära byggstenen i kolfiberkompositer, som används för lättviktsapplikationer inom bil- och flygtransporter. Akrylnitril tillverkas idag industriellt via en energikrävande och kemiskt farlig process. En grupp människor står bland laboratorieutrustning.

På bilden från vänster till höger är Adam Bratis, Violeta Sànchez i Nogué, Todd Eaton, Gregg Beckham, Vassili Vorotnikov, och Eric Karp, del av NREL-teamet som arbetar med en kostnadskonkurrenskraftig, hållbar process för att skapa akrylnitril och kolfibrer från förnybar biomassa. (Foto:Dennis Schroeder / NREL)

Propylenprisvolatilitet och miljömässig hållbarhet har motiverat ett sökande efter alternativa vägar med hjälp av biologiskt härledda råvaror som glycerol och glutaminsyra. Ändå har ingen kunnat konkurrera med den traditionella processen när det gäller kostnad och avkastning. Nu, ny NREL-forskning visar lovande mot att uppnå detta mål.

Nyligen publicerad i Vetenskap , "Förnybar akrylonitrilproduktion" visar en väg mot en kostnadseffektiv, biobaserad tillverkningsprocess för akrylonitril. Forskare kunde uppnå 98 % utbyte av akrylnitril med en ny, robust katalytisk process. Enbart baserat på avkastning, detta är en mycket viktig upptäckt:i jämförelse, efter sex decennier av förbättringar och optimering i kommersiell skala, den traditionella akrylonitrilproduktionsprocessen uppnår utbyten på cirka 80%-83%.

"Det höga akrylnitrilutbytet gör att vi kan föreslå en potentiell industriell process för omvandling av lignocellulosabiomassa till förnybara akrylnitril- och kolfibrer, sa Gregg Beckham, gruppledare vid NREL och senior författare till studien. "Historiskt sett, Priserna på akrylnitril har varit volatila på grund av kopplingar till propenpriserna. Denna alternativa tillverkningsprocess, en som förlitar sig på förnybara råvaror, kan hjälpa till att stabilisera akrylnitrilpriserna och leda till ett bredare marknadsantagande av kolfiberbaserade material. Detta är ett viktigt steg framåt för lätta transportapplikationer, vilket skapar betydande kostnadsbesparingar för transporter, samt att minska vår påverkan på miljön."

Förutom de höga skördarna, denna nya metod har flera fördelar jämfört med den nuvarande petroleumbaserade akrylonitrilproduktionsprocessen. Den nya processen eliminerar produktionen av vätecyanid - en giftig biprodukt - använder en enklare och billigare katalysator, och skulle kunna göras i en enklare reaktorkonfiguration. Dessutom, denna nya högutbytesprocess kan utnyttja icke-livsmedelsbiomassa, såsom jordbruksavfall, som råmaterial istället för propen.

"Vi är glada över utsikterna för denna nya kemi för produktion av akrylnitril för att i slutändan möjliggöra produktion av förnybara kolfibrer, " sa NREL Associate Laboratory Director Adam Bratis och huvudutredare för det NREL-ledda Renewable Carbon Fiber Consortium. Denna banbrytande forskning är resultatet av ett tvärvetenskapligt samarbete mellan forskare inom kemiteknik, biologi, och beräkningsmodellering, inklusive NREL-författarna Eric Karp, Todd Eaton, Violeta Sànchez i Nogué, och Vassili Vorotnikov, såväl som andra bidragsgivare från NREL, University of Colorado Boulder, Johnson Matthey, och Mid-Atlantic Technology, Forsknings- och innovationscenter.

NREL uppskattar att den nya processen kan sätta försäljningspriset för biomassa-härledd akrylnitril under $1 per pund från cellulosabaserad biomassa eller stärkelsebaserat socker. Ett mål på $1 per pund ansågs nödvändigt för kostnadskonkurrenskraft med konventionellt producerad akrylnitril.

Drivs delvis av intresset för att använda kolfiber för lätta fordon och flygplan som kommer att spara pengar på bränslekostnader, efterfrågan på kolfibrer beräknas öka med 11 % till 18 % årligen. Och med tanke på att kolfiberindustrin är särskilt känslig för prisfluktuationer i sin baskemiska akrylnitril (det krävs ungefär 2 pund akrylnitril för att generera 1 pund kolfiber), det finns ett tydligt behov av att utveckla alternativa kostnadskonkurrenskraftiga processer. Förr, Volatilitet i propenpriset och miljömässig hållbarhet inom kompositproduktion har motiverat sökandet efter alternativa metoder för propenammoxidation för att producera akrylnitril. Med den process som beskrivs i detta arbete, NREL-forskare är ett steg närmare detta mål.