De carros e bicicletas a aviões e ônibus espaciais, fabricantes de todo o mundo estão tentando tornar esses veículos mais leves, o que ajuda a reduzir o uso de combustível e diminuir a pegada ambiental.

Uma maneira que os carros, bicicletas, aviões e outros meios de transporte tornaram-se mais leves nas últimas décadas devido ao uso de compostos de fibra de carbono. A fibra de carbono é cinco vezes mais forte que o aço, duas vezes mais duro, e substancialmente mais leve, tornando-o o material de fabricação ideal para muitas peças. Mas com a indústria dependendo de produtos de petróleo para fazer fibra de carbono hoje, poderíamos, em vez disso, usar fontes renováveis?

Na edição de dezembro de 2017 de Ciência , Gregg Beckham, um líder de grupo no Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), e uma equipe interdisciplinar relatou os resultados de investigações experimentais e computacionais sobre a conversão de biomassa lignocelulósica em um produto químico de base biológica chamado acrilonitrila, o principal precursor para a fabricação de fibra de carbono.

Acrilonitrila é uma grande commodity química, e é feito hoje por meio de um complexo processo à base de petróleo em escala industrial. Propileno, que é derivado de petróleo ou gás natural, é misturado com amônia, oxigênio, e um catalisador complexo. A reação gera grandes quantidades de calor e cianeto de hidrogênio, um subproduto tóxico. O catalisador usado para fazer acrilonitrila hoje também é bastante complexo e caro, e os pesquisadores ainda não entendem totalmente seu mecanismo.

"É aí que entra o nosso estudo, "Disse Beckham." Os preços da acrilonitrila testemunharam grandes flutuações no passado, o que, por sua vez, reduziu as taxas de adoção de fibras de carbono para a fabricação de carros e aviões mais leves. Se você puder estabilizar o preço da acrilonitrila, fornecendo uma nova matéria-prima para fazer acrilonitrila, neste caso, açúcares de fontes renováveis ​​de biomassa lignocelulósica, poderemos tornar a fibra de carbono mais barata e mais amplamente adotada para as aplicações de transporte cotidianas. "

Para desenvolver novas idéias para fazer a fabricação de acrilonitrila a partir de matérias-primas renováveis, o Departamento de Energia (DOE) solicitou uma proposta há vários anos que perguntava:É possível fazer acrilonitrila a partir de resíduos vegetais? Esses materiais incluem palha de milho, palha de trigo, palha de arroz, lascas de madeira, etc. Eles são basicamente a parte não comestível da planta que pode ser quebrada em açúcares, que pode então ser convertido em uma grande variedade de produtos de base biológica para uso diário, como combustíveis como etanol ou outros produtos químicos.

“Se pudéssemos fazer isso de uma forma economicamente viável, poderia potencialmente dissociar o preço da acrilonitrila do petróleo e oferecer uma alternativa de fibra de carbono verde ao uso de combustíveis fósseis, "Beckham disse.

Beckham e a equipe avançaram para desenvolver um processo diferente. O processo NREL pega açúcares derivados de materiais residuais de plantas e os converte em um intermediário chamado ácido 3-hidroxipropiônico (3-HP). A equipe então usou um catalisador simples e uma nova química, apelidado de nitrilação, para converter 3-HP em acrilonitrila com altos rendimentos. O catalisador usado para a química da nitrilação é cerca de três vezes mais barato do que o catalisador usado no processo à base de petróleo e é um processo mais simples. A química é endotérmica, por isso não produz calor em excesso, e ao contrário do processo à base de petróleo, não produz o subproduto tóxico cianeto de hidrogênio. Em vez, o processo de base biológica só produz água e álcool como subprodutos.

Da perspectiva da química verde, o processo de produção de acrilonitrila de base biológica tem várias vantagens em relação ao processo à base de petróleo que está sendo usado hoje. "Esse é o ponto crucial do estudo, "Beckham disse.

O papel do XSEDE na química

Beckham conhece o XSEDE, o eXtreme Science and Engineering Discovery Environment que é financiado pela National Science Foundation. Ele está usando recursos XSEDE, incluindo Stampede1, Pontes, Comet e agora Stampede2, por cerca de nove anos como investigador principal. Stampede1 e Stampede2 (atualmente # 12 na lista Top500) são implantados e mantidos pelo Texas Advanced Computing Center.

A maior parte da pesquisa biológica e química conduzida para este projeto foi experimental, mas o mecanismo da química da nitrilação foi apenas inicialmente hipotetizado pela equipe. Um pesquisador de pós-doutorado na equipe, Vassili Vorotnikov do NREL, foi recrutado para executar cálculos periódicos da teoria funcional da densidade no Stampede1, bem como nas máquinas do NREL para elucidar o mecanismo desta nova química.

Ao longo de cerca de dois meses e vários milhões de horas de CPU usadas no Stampede1, os pesquisadores foram capazes de lançar luz sobre a química desse novo processo catalítico. "Os experimentos e cálculos bem alinhados, "Vorotnikov disse.

Porque eles tinham uma alocação em Stampede1, eles foram capazes de reverter rapidamente um quadro mecanicista completo de como essa química funciona. "Isso ajudará a nós e a outros a desenvolver ainda mais essa química e a projetar catalisadores e processos de maneira mais racional, " Vorotnikov said. "XSEDE and the predictions of Stampede1 are pointing the way forward on how to improve nitrilation chemistry, how we can apply it to other molecules, and how we can make other renewable products for industry."

"After the initial experimental discovery, we wanted to get this work out quickly, " Beckham continued. "Stampede1 afforded a great deal of bandwidth for doing these expensive, computationally intensive density functional theory calculations. It was fast and readily available and just a great machine to do these kind of calculations on, allowing us to turn around the mechanistic work in only a matter of months."

Próximos passos

There's a large community of chemists, biologists and chemical engineers who are developing ways to make everyday chemicals and materials from plant waste materials instead of petroleum. Researchers have tried to do this before with acrylonitrile. But no one has been as successful in the context of developing high yielding processes with possible commercial potential for this particular product. With their new discovery, the team hopes this work makes the transition into industry sooner rather than later.

The immediate next step is scaling the process up to produce 50 kilograms of acrylonitrile. The researchers are working with several companies including a catalyst company to produce the necessary catalyst for pilot-scale operation; an agriculture company to help scale up the biology to produce 3-HP from sugars; a research institute to scale the separations and catalytic process; a carbon fiber company to produce carbon fibers from the bio-based acrylonitrile; and a car manufacturer to test the mechanical properties of the resulting composites.

"We'll be doing more fundamental research as well, " Beckham said. "Beyond scaling acrylonitrile production, we are also excited about is using this powerful, robust chemistry to make other everyday materials that people can use from bio-based resources. There are lots of applications for nitriles out there—applications we've not yet discovered."