El Acrilonitrilo De Base Biológica Ofrece Una Alternativa Más Ecológica A La Fibra De Carbono

El compuesto de base biológica ofrece una alternativa de fibra de carbono más ecológica

El reactor catalítico que se muestra aquí es para convertir productos químicos intermedios en acrilonitrilo. La obra forma parte del Consorcio de Fibras de Carbono Renovables. Foto de Dennis Schroeder / NREL

Desde automóviles y bicicletas hasta aviones y transbordadores espaciales, los fabricantes de todo el mundo están tratando de hacer que estos vehículos sean más livianos, lo que ayuda a reducir el uso de combustible y la huella ambiental.

Una forma en que los automóviles, bicicletas, aviones y otros medios de transporte se han vuelto más livianos en las últimas décadas es mediante el uso de compuestos de fibra de carbono. La fibra de carbono es cinco veces más resistente que el acero, el doble de rígida y sustancialmente más ligera, lo que la convierte en el material de fabricación ideal para muchas piezas. Pero ahora que la industria depende de los productos del petróleo para fabricar fibra de carbono, ¿podríamos utilizar fuentes renovables?

En la edición de diciembre de 2017 de Science, Gregg Beckham, líder de grupo en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), y un equipo interdisciplinario informaron los resultados de investigaciones experimentales y computacionales sobre la conversión de biomasa lignocelulósica en un químico de base biológica llamado acrilonitrilo. , el precursor clave para la fabricación de fibra de carbono.

El acrilonitrilo es un producto químico de gran tamaño y se fabrica hoy a través de un complejo proceso a base de petróleo a escala industrial. El propileno, que se deriva del petróleo o del gas natural, se mezcla con amoníaco, oxígeno y un catalizador complejo. La reacción genera grandes cantidades de calor y cianuro de hidrógeno, un subproducto tóxico. El catalizador que se usa para fabricar acrilonitrilo hoy en día también es bastante complejo y costoso, y los investigadores aún no comprenden completamente su mecanismo.

“Ahí es donde entra nuestro estudio”, dijo Beckham. “Los precios del acrilonitrilo han experimentado grandes fluctuaciones en el pasado, lo que a su vez ha llevado a menores tasas de adopción de fibras de carbono para hacer que los automóviles y aviones sean más livianos. Si puede estabilizar el precio del acrilonitrilo proporcionando una nueva materia prima a partir de la cual producir acrilonitrilo, en este caso azúcares de origen renovable a partir de biomasa lignocelulósica, podríamos hacer que la fibra de carbono sea más barata y más ampliamente adoptada para las aplicaciones de transporte diarias ”.

Para desarrollar nuevas ideas para fabricar acrilonitrilo a partir de materias primas renovables, el Departamento de Energía (DOE) solicitó una propuesta hace varios años que preguntaba: ¿Es posible fabricar acrilonitrilo a partir de material de desecho vegetal? Estos materiales incluyen rastrojo de maíz, paja de trigo, paja de arroz, astillas de madera, etc. Son básicamente la parte no comestible de la planta que se puede descomponer en azúcares, que luego se pueden convertir en una gran variedad de productos biológicos para uso diario, como combustibles como etanol u otros productos químicos.

“Si pudiéramos hacer esto de una manera económicamente viable, potencialmente podría desacoplar el precio del acrilonitrilo del petróleo y ofrecer una alternativa de fibra de carbono verde al uso de combustibles fósiles”, dijo Beckham.

Beckham y el equipo avanzaron para desarrollar un proceso diferente. El proceso NREL toma azúcares derivados de materiales vegetales de desecho y los convierte en un intermedio llamado 3-hidroxipropiónico. ácido (3 CV). Luego, el equipo utilizó un catalizador simple y una nueva química, denominada nitrilación, para convertir 3-HP en acrilonitrilo con altos rendimientos. El catalizador utilizado para la química de la nitrilación es aproximadamente tres veces menos costoso que el catalizador utilizado en el proceso a base de petróleo y es un proceso más simple. La química es endotérmica, por lo que no produce un exceso de calor y, a diferencia del proceso a base de petróleo, no produce el subproducto tóxico cianuro de hidrógeno. Más bien, el proceso de base biológica solo produce agua y alcohol como subproductos.

Desde la perspectiva de la química verde, el proceso de producción de acrilonitrilo de base biológica tiene múltiples ventajas sobre el proceso a base de petróleo que se utiliza en la actualidad. “Ese es el meollo del estudio”, dijo Beckham.

El papel de XSEDE en la química

Beckham no es ajeno a XSEDE, el eXtreme Science and Engineering Discovery Environment financiado por la National Science Foundation. Ha estado utilizando los recursos de XSEDE, incluidos Stampede1, Bridges, Comet y ahora Stampede2, durante unos nueve años como investigador principal. Stampede1 y Stampede2 (actualmente # 12 en la lista Top500) son implementados y mantenidos por el Texas Advanced Computing Center.

La mayor parte de la investigación biológica y química realizada para este proyecto fue experimental, pero el mecanismo de la química de la nitrilación solo fue hipotetizado al principio por el equipo. Un investigador postdoctoral del equipo, Vassili Vorotnikov de NREL, fue reclutado para ejecutar cálculos de la teoría funcional de densidad periódica en Stampede1, así como en las máquinas de NREL, para dilucidar el mecanismo de esta nueva química.

Durante aproximadamente dos meses y varios millones de horas de CPU utilizadas en Stampede1, los investigadores pudieron arrojar luz sobre la química de este nuevo proceso catalítico. “Los experimentos y cálculos se alinearon muy bien”, dijo Vorotnikov.

Debido a que tenían una asignación en Stampede1, pudieron cambiar rápidamente una imagen mecanicista completa de cómo funciona esta química. “Esto nos ayudará a nosotros ya otros a desarrollar más esta química y diseñar catalizadores y procesos de manera más racional”, dijo Vorotnikov. “XSEDE y las predicciones de Stampede1 están señalando el camino a seguir sobre cómo mejorar la química de la nitrilación, cómo podemos aplicarla a otras moléculas y cómo podemos fabricar otros productos renovables para la industria”.

“Después del descubrimiento experimental inicial, queríamos hacer este trabajo rápidamente”, continuó Beckham. “Stampede1 proporcionó una gran cantidad de ancho de banda para realizar estos costosos cálculos de teoría funcional de densidad computacionalmente intensivos. Era rápido y fácilmente disponible, y era una gran máquina para hacer este tipo de cálculos, lo que nos permitió revertir el trabajo mecánico en solo unos meses “.

Próximos pasos

Existe una gran comunidad de químicos, biólogos e ingenieros químicos que están desarrollando formas de fabricar productos químicos y materiales cotidianos a partir de desechos vegetales en lugar de petróleo. Los investigadores han intentado hacer esto antes con acrilonitrilo. Pero nadie ha tenido tanto éxito en el contexto del desarrollo de procesos de alto rendimiento con posible potencial comercial para este producto en particular. Con su nuevo descubrimiento, el equipo espera que este trabajo haga la transición a la industria más temprano que tarde.

El siguiente paso inmediato es escalar el proceso para producir 50 kilogramos de acrilonitrilo. Los investigadores están trabajando con varias empresas, incluida una empresa de catalizadores para producir el catalizador necesario para la operación a escala piloto; una empresa agrícola para ayudar a ampliar la biología para producir 3-HP a partir de azúcares; un instituto de investigación para escalar las separaciones y el proceso catalítico; una empresa de fibra de carbono para producir fibras de carbono a partir del acrilonitrilo de base biológica; y un fabricante de automóviles para probar las propiedades mecánicas de los compuestos resultantes.

“También haremos una investigación más fundamental”, dijo Beckham. “Más allá de escalar la producción de acrilonitrilo, también estamos entusiasmados con el uso de esta poderosa y robusta química para fabricar otros materiales cotidianos que las personas pueden usar a partir de recursos biológicos. Hay muchas aplicaciones para los nitrilos, aplicaciones que aún no hemos descubierto “.

Publicación: Eric M. Karp, et al., “Producción de acrilonitrilo renovable”, Science 08 de diciembre de 2017: Vol. 358, número 6368, págs. 1307-1310; DOI: 10.1126 / science.aan1059

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