Um novo estudo do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) do Departamento de Energia estabelece um novo método catalítico para produzir acrilonitrila renovável usando ácido 3-hidroxipropiônico (3-HP), que pode ser biologicamente produzido a partir de açúcares. Este processo híbrido biológico-catalítico oferece uma alternativa ao método de produção petroquímica convencional e atinge rendimentos de acrilonitrila sem precedentes.

Acrilonitrila, um produto químico derivado do petróleo, é um dos monômeros mais amplamente usados ​​na indústria química, com muitas aplicações comerciais. Hoje, acrilonitrila é usada na produção de fibras acrílicas para tapetes, roupas, e tecidos, e em plásticos, como recipientes para alimentos, e materiais de embalagem. Mais importante para este projeto, acrilonitrila também é o bloco de construção principal em compostos de fibra de carbono, que são usados ​​para aplicações de peso leve em transporte automotivo e aéreo. O acrilonitrila é produzido hoje industrialmente por meio de um processo que consome muita energia e é quimicamente perigoso. Um grupo de pessoas está em meio a equipamentos de laboratório.

Retratado da esquerda para a direita está Adam Bratis, Violeta Sànchez i Nogué, Todd Eaton, Gregg Beckham, Vassili Vorotnikov, e Eric Karp, parte da equipe NREL trabalhando em um custo competitivo, processo sustentável para a criação de acrilonitrila e fibras de carbono a partir de biomassa renovável. (Foto de Dennis Schroeder / NREL)

A volatilidade do preço do propeno e a sustentabilidade ambiental têm motivado a busca por caminhos alternativos usando matérias-primas bi-derivadas, como glicerol e ácido glutâmico. No entanto, nenhum foi capaz de competir com o processo tradicional em termos de custo e rendimento. Agora, novas pesquisas do NREL estão se mostrando promissoras para atingir esse objetivo.

Recentemente publicado em Ciência , "Produção de acrilonitrila renovável" mostra um caminho em direção a um custo-benefício, processo de fabricação de acrilonitrila de base biológica. Os pesquisadores conseguiram atingir um rendimento de 98% de acrilonitrila usando um novo, processo catalítico robusto. Com base apenas nos rendimentos, esta é uma descoberta muito importante:em comparação, após seis décadas de melhorias e otimização em escala comercial, o processo de produção de acrilonitrila tradicional atinge rendimentos de aproximadamente 80% -83%.

“O alto rendimento de acrilonitrila nos permite propor um potencial processo industrial para a conversão de biomassa lignocelulósica em acrilonitrila renovável e fibras de carbono, "disse Gregg Beckham, líder do grupo no NREL e autor sênior do estudo. "Historicamente, os preços do acrilonitrila têm sido voláteis devido aos laços com os preços do propeno. Este processo de fabricação alternativo, aquele que depende de matérias-primas de fontes renováveis, poderia ajudar a estabilizar os preços da acrilonitrila e levar a uma adoção mais ampla do mercado de materiais à base de fibra de carbono. Este é um passo importante para aplicações de transporte leves, criando assim economias de custo significativas para transporte, além de reduzir nosso impacto sobre o meio ambiente. "

Além dos altos rendimentos, essa nova abordagem tem vários benefícios em relação ao atual processo de produção de acrilonitrila à base de petróleo. O novo processo elimina a produção de cianeto de hidrogênio - um produto secundário tóxico - usa um catalisador mais simples e menos caro, e poderia ser feito em uma configuração de reator mais simples. Além disso, este novo processo de alto rendimento pode utilizar biomassa não alimentar, como resíduos agrícolas, como matéria-prima em vez de propileno.

"Estamos entusiasmados com as perspectivas desta nova química para a produção de acrilonitrila para permitir a produção de fibras de carbono de origem renovável, "disse o Diretor de Laboratório Associado do NREL Adam Bratis e investigador principal do Consórcio de Fibra de Carbono Renovável liderado pelo NREL. Esta pesquisa inovadora é o resultado de uma colaboração interdisciplinar de pesquisadores em engenharia química, biologia, e modelagem computacional, incluindo os autores do NREL Eric Karp, Todd Eaton, Violeta Sànchez i Nogué, e Vassili Vorotnikov, bem como outros colaboradores do NREL, a Universidade do Colorado em Boulder, Johnson Matthey, e a Tecnologia Mid-Atlantic, Centro de Pesquisa e Inovação.

O NREL estima que o novo processo pode colocar o preço de venda do acrilonitrila derivado da biomassa abaixo de US $ 1 por libra de biomassa celulósica ou açúcares à base de amido. Uma meta de US $ 1 por libra foi considerada necessária para a competitividade de custos com acrilonitrila produzida convencionalmente.

Impulsionado em parte pelo interesse em usar fibra de carbono para veículos leves e aeronaves que irão economizar dinheiro em custos de combustível, a demanda por fibras de carbono deve aumentar de 11% a 18% ao ano. E dado que a indústria de fibra de carbono é especialmente sensível às flutuações de preço em seu acrilonitrila química de base (são necessários cerca de 2 libras de acrilonitrila para gerar 1 libra de fibra de carbono), há uma necessidade clara de desenvolver processos alternativos de custo competitivo. No passado, A volatilidade do preço do propeno e a sustentabilidade ambiental na produção de compósitos têm motivado a busca por abordagens alternativas para a amoxidação de propeno para a produção de acrilonitrila. Com o processo descrito neste trabalho, Os pesquisadores do NREL estão um passo mais perto desse objetivo.