Un nuovo studio del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia stabilisce un nuovo metodo catalitico per produrre acrilonitrile rinnovabile utilizzando acido 3-idrossipropionico (3-HP), che può essere prodotto biologicamente dagli zuccheri. Questo processo ibrido biologico-catalitico offre un'alternativa al metodo di produzione petrolchimico convenzionale e raggiunge rese di acrilonitrile senza precedenti.

Acrilonitrile, un prodotto chimico derivato dal petrolio, è uno dei monomeri più utilizzati nell'industria chimica con molte applicazioni commerciali. Oggi, l'acrilonitrile viene utilizzato nella produzione di fibre acriliche per tappeti, Abiti, e tessuti, e in materie plastiche come contenitori per alimenti, e materiali di imballaggio. La cosa più importante per questo progetto, l'acrilonitrile è anche il componente principale nei compositi in fibra di carbonio, che vengono utilizzati per applicazioni di alleggerimento nel settore automobilistico e del trasporto aereo. L'acrilonitrile viene prodotto oggi industrialmente tramite un processo ad alta intensità energetica e chimicamente pericoloso. Un gruppo di persone sta in piedi tra le apparecchiature di laboratorio.

Nella foto da sinistra a destra sono Adam Bratis, Violeta Sànchez i Nogué, Todd Eaton, Gregg Beckham, Vassili Vorotnikov, ed Eric Karp, parte del team NREL che lavora su un costo competitivo, processo sostenibile per la creazione di acrilonitrile e fibre di carbonio da biomasse rinnovabili. (Foto di Dennis Schroeder / NREL)

La volatilità del prezzo del propilene e la sostenibilità ambientale hanno motivato la ricerca di percorsi alternativi utilizzando materie prime di derivazione biologica come il glicerolo e l'acido glutammico. Eppure nessuno è stato in grado di competere con il processo tradizionale in termini di costi e rendimento. Ora, nuova ricerca NREL sta mostrando la promessa verso il raggiungimento di questo obiettivo.

Appena pubblicato in Scienza , La "produzione di acrilonitrile rinnovabile" mostra un percorso verso una produzione economicamente vantaggiosa, processo di produzione di acrilonitrile a base biologica. I ricercatori sono stati in grado di ottenere una resa del 98% di acrilonitrile utilizzando un nuovo, processo catalitico robusto. Basandosi solo sui rendimenti, questa è una scoperta molto importante:in confronto, dopo sei decenni di miglioramenti e ottimizzazioni su scala commerciale, il tradizionale processo di produzione dell'acrilonitrile raggiunge rese di circa l'80%-83%.

"L'elevata resa in acrilonitrile ci consente di proporre un potenziale processo industriale per la conversione della biomassa lignocellulosica in acrilonitrile rinnovabile e fibre di carbonio, " ha detto Gregg Beckham, capogruppo al NREL e autore senior dello studio. "Storicamente, i prezzi dell'acrilonitrile sono stati volatili a causa dei legami con i prezzi del propilene. Questo processo di produzione alternativo, uno che si basa su materie prime provenienti da fonti rinnovabili, potrebbe aiutare a stabilizzare i prezzi dell'acrilonitrile e portare a una più ampia adozione sul mercato di materiali a base di fibra di carbonio. Questo è un importante passo avanti per le applicazioni di trasporto alleggerimento, creando così notevoli risparmi sui costi di trasporto, oltre a ridurre il nostro impatto sull'ambiente”.

Oltre agli alti rendimenti, questo nuovo approccio ha molteplici vantaggi rispetto all'attuale processo di produzione di acrilonitrile a base di petrolio. Il nuovo processo elimina la produzione di acido cianidrico, un prodotto secondario tossico, utilizza un catalizzatore più semplice e meno costoso, e potrebbe essere fatto in una configurazione di reattore più semplice. Inoltre, questo nuovo processo ad alto rendimento può utilizzare biomasse non alimentari, come rifiuti agricoli, come materia prima al posto del propilene.

"Siamo entusiasti delle prospettive di questa nuova chimica per la produzione di acrilonitrile per consentire in definitiva la produzione di fibre di carbonio da fonti rinnovabili, " ha affermato Adam Bratis, direttore del laboratorio associato NREL e ricercatore principale del Consorzio fibra di carbonio rinnovabile guidato da NREL. Questa ricerca innovativa è il risultato di una collaborazione interdisciplinare di ricercatori di ingegneria chimica, biologia, e modellazione computazionale, inclusi gli autori del NREL Eric Karp, Todd Eaton, Violeta Sànchez i Nogué, e Vassili Vorotnikov, così come altri contributori di NREL, l'Università del Colorado Boulder, Johnson Mattey, e la tecnologia del Medio Atlantico, Centro di ricerca e innovazione.

NREL stima che il nuovo processo potrebbe portare il prezzo di vendita dell'acrilonitrile derivato dalla biomassa al di sotto di $ 1 per libbra da biomassa cellulosica o zuccheri a base di amido. Un obiettivo di $ 1 per libbra è stato ritenuto necessario per la competitività dei costi con l'acrilonitrile prodotto in modo convenzionale.

Spinto in parte dall'interesse per l'utilizzo della fibra di carbonio per l'alleggerimento di veicoli e aeromobili che consentirà di risparmiare sui costi del carburante, si prevede che la domanda di fibre di carbonio aumenterà dall'11% al 18% all'anno. E dato che l'industria della fibra di carbonio è particolarmente sensibile alle fluttuazioni dei prezzi nel loro acrilonitrile chimico di base (ci vogliono circa 2 libbre di acrilonitrile per generare 1 libbra di fibra di carbonio), vi è una chiara necessità di sviluppare processi alternativi concorrenziali in termini di costi. Nel passato, La volatilità del prezzo del propilene e la sostenibilità ambientale nella produzione di compositi hanno motivato la ricerca di approcci alternativi all'ammossidazione del propilene per produrre acrilonitrile. Con il processo descritto in questo lavoro, I ricercatori NREL sono un passo avanti verso questo obiettivo.