Биоочистительные заводы, разработанные для производства этанола из источников целлюлозы, таких как деревья и быстрорастущие растения, могут получить значительный экономический импульс от продажи дорогостоящих химикатов, таких как ванилиновый ароматизатор, которые могут быть получены из того же сырья. Доходы от этих «побочных» химикатов могут помочь сделать этанол, производимый на биоперерабатывающих заводах, конкурентоспособным по стоимости с традиционными ископаемыми видами топлива.
На 232-м национальном собрании Американского химического общества исследователь из Технологического института Джорджии расскажет о экологически чистых химических процессах, которые могут производить химические вещества стоимостью до 25 долларов за фунт из того же сырья, которое используется для производства этанола. Презентация станет частью сессии «Зеленая химия для синтеза и переработки топлива», которая состоится в воскресенье, 10 сентября.
«Кажется маловероятным, что топливо из биоперерабатывающего завода - по крайней мере, в начале - будет столь же рентабельным, как топливо из традиционных ископаемых источников», - сказал Чарльз Эккерт, профессор Химической технической школы Джорджии. и биомолекулярная инженерия. «Чтобы сделать биоперерабатывающий завод устойчивым, мы должны сделать все возможное, чтобы помочь экономике. Если мы сможем взять химический поток стоимостью всего несколько центов за фунт и превратить его в химические вещества стоимостью многие доллары за фунт, это может помочь сделать биоперерабатывающий завод экономически эффективным.."
Чтобы помочь в этом, Эккерт и его сотрудники Чарльз Лиотта, Артур Рагаускас, Джейсон Халлетт, Кристофер Китченс, Элизабет Хилл и Лаура Драукер изучают использование трех экологически чистых растворителей и систем разделения - газорасширенных жидкостей, сверхкритические жидкости и почти критическая вода - для производства специальных химикатов, фармацевтических прекурсоров и ароматизаторов из небольшой части исходного этанола.
«Это новое сырье для химического производства», - отметил Эккерт. «Они сильно отличаются от того, с чем мы сталкивались раньше. Это ставит перед нами другие задачи и предоставляет богатую область для междисциплинарных исследований».
Используя почти критическую воду и жидкости, расширяемые газом, Эккерт и его коллеги уже продемонстрировали производство ванилина, сирингола и сирингальдегида из побочного потока черного щелока бумажной фабрики. Они также предложили процесс, который будет генерировать левулиновую кислоту, глюкариновую кислоту и другие химические вещества при предварительном измельчении древесной щепы. В этом процессе будет использоваться смесь спирта и диоксида углерода с последующей деполимеризацией и дегидратацией в воде, близкой к критической. Исследования, направленные на производство ценных продуктов из целлюлозного сырья, проводятся через «Атлантик Альянс», коалицию трех исследовательских институтов в Соединенных Штатах и Соединенном Королевстве. Альянс, в который входят Национальная лаборатория Ок-Риджа, Имперский колледж и Технологический институт Джорджии, стремится решить сложные проблемы, связанные с экономически выгодным производством этанольного топлива из целлюлозных материалов, таких как древесная щепа, опилки, кукурузная солома и даже муниципальные отходы.
«Сырье, вероятно, будет разным в разных географических точках, в зависимости от того, что было легко доступно», - отметил Эккерт. «На юго-востоке у нас есть богатые лесные ресурсы. На западе источники включают пилилу, кукурузные соломы и аналогичные растительные материалы. В Соединенном Королевстве существует большой интерес к производству топлива из бытовых отходов».
Альянс применяет комплексный подход к биопереработке, проводя исследования о том, как максимизировать рост растений с помощью генной инженерии, разрабатывая новые микробные методы переваривания целлюлозы и применяя экологически безопасные химические процессы для реакций и разделения. Организаторы решили использовать в качестве сырья только непищевые источники.
Использование настраиваемых систем растворителей на биоперерабатывающем заводе позволит избежать образования отходов, связанных с процессами, зависящими от сильных кислот, которые необходимо нейтрализовать в конце реакции.
Например, почти критическая вода - знакомая H2O, но при температуре от 250 до 300 градусов по Цельсию под давлением - разделяется на кислотные и основные компоненты, которые можно использовать для растворения как органических, так и неорганических химических веществ. Когда давление снимается, вода возвращается к своим нормальным свойствам.
Расширенные газом жидкости, такие как диоксид углерода в метаноле, представляют собой гибкий растворитель, свойства которого можно регулировать путем изменения давления. Когда реакция заканчивается, давление сбрасывается, позволяя диоксиду углерода отделиться от метанола.
Сверхкритические жидкости, такие как двуокись углерода под высоким давлением, упрощают процессы разделения. Отделение углекислого газа от растворенных в нем химических веществ требует только снижения давления, что позволяет CO2 вернуться в газообразное состояние.
Несмотря на то, что до проектирования и строительства биоперерабатывающих заводов остается еще много проблем, Эккерт говорит, что сейчас важно инвестировать в этот возобновляемый источник энергии и химикатов.
«Чтобы заставить биоперерабатывающий завод работать, потребуются серьезные усилия, которые должны быть хорошо скоординированы между всеми, кто над ним работает», - сказал он. «Биоочистительный завод - это один из нескольких ответов, которые нам необходимо решить в рамках национальной энергетической стратегии. Наше будущее экономическое благополучие требует от нас решения энергетической проблемы».
В 2004 году Эккерт и Лиотта получили президентскую награду Green Chemistry Challenge Award за разработку и продвижение безопасных перестраиваемых растворителей, которые сочетают процессы реакции и разделения.