211service.com
Od biomasy do chemikaliów w jednym kroku
Początkowa firma wydzielona z Uniwersytetu Massachusetts w Amherst planuje skomercjalizować katalityczny proces przekształcania biomasy celulozowej w pięć chemikaliów występujących w benzynie. Te chemikalia są również wykorzystywane do produkcji polimerów przemysłowych i rozpuszczalników. Anellotech , która poszukuje finansowania venture, planuje w przyszłym roku wybudować pilotażową fabrykę.
Trociny na benzynę: Proces zwany katalityczną pirolizą przekształca biomasę, taką jak trociny, w cenne chemikalia. Od lewej do prawej: trociny; chemikalia podobne do szlamu wytwarzane bez katalizatora; katalizator proszkowy; mieszanina cząsteczek aromatycznych wytworzona z katalizatorem.
Reaktory Anellotech przeprowadzają proces zwany katalityczną pirolizą, w którym trzy cząsteczki strukturalne występujące w roślinach – dwie formy celulozy i lignina – cząsteczki drzewiaste – są przekształcane w paliwa. Zmielona biomasa jest podawana do reaktora wysokotemperaturowego i mieszana z katalizatorem. Ciepło powoduje, że celuloza, lignina i inne cząsteczki w biomasie ulegają chemicznemu rozkładowi w procesie zwanym pirolizą; Katalizator pomaga kontrolować reakcje chemiczne, zamieniając celulozę i ligninę w mieszaninę cząsteczek opartych na pierścieniu węglowym: benzenu, toluenu i ksylenów.
Globalny rynek dla tej grupy chemikaliów wynosi 80 miliardów dolarów rocznie i rośnie w tempie 4 procent rocznie, mówi dyrektor generalny Anellotech, David Sudolsky. Naszym celem jest konkurowanie z ropą o cenie 60 dolarów za baryłkę, zakładając brak ulg podatkowych lub subsydiów, mówi. Założyciel firmy, George Huber , mówi, że jego katalityczny proces pirolizy może wytworzyć 50 galonów chemikaliów na tonę metryczną drewna lub innej biomasy, z wydajnością 40 procent. Inne produkty reakcji to koks, używany do zasilania reaktora.
Zaletą pirolizy jest to, że wykorzystuje całą biomasę, mówi John Regalbuto, doradca programu Catalysis and Biocatalysis Program w National Science Foundation. Średnio lignina stanowi 40 procent energii magazynowanej w całej biomasie. Ale ponieważ lignina nie może zostać przekształcona w cukry tak, jak celuloza, nie może być wykorzystywana jako surowiec w procesach fermentacji, takich jak te stosowane przez niektóre firmy biopaliwowe do przetwarzania trzciny cukrowej w paliwa.
Piroliza różni się również od zgazowania, innego procesu wykorzystującego całą biomasę. W wyniku zgazowania powstaje mieszanina węgla i wodoru zwana gazem syntezowym, którą można następnie wykorzystać do produkcji paliwa. Z kolei piroliza zamienia biomasę w paliwa płynne w jednym kroku. I chociaż zgazowanie można przeprowadzić ekonomicznie tylko na bardzo dużą skalę, mówi Regalbuto, katalityczną pirolizę można przeprowadzić w mniejszych rafineriach rozmieszczonych w pobliżu dostaw biomasy.
Piroliza jest skutecznym sposobem wykorzystania biomasy, ale trudno jest kontrolować produkty reakcji i trudno uzyskać wysokie plony. Kluczem do procesu Anellotech, mówi Huber, jest specjalnie dostosowany katalizator i reaktor, który umożliwia dobrą kontrolę nad warunkami reakcji. Grupa Hubera na UMass, gdzie jest profesorem inżynierii chemicznej, jako pierwsza opracowała katalityczny proces przekształcania biomasy bezpośrednio w benzynę, a procesy Anellotech opierają się na tej pracy.
Jak dotąd Huber opracował w laboratorium dwie generacje reaktora. W testach grupa zaczyna od odpadów trocin z lokalnego młyna. Zmielona biomasa jest podawana do reaktora ze złożem fluidalnym. Wewnątrz sproszkowany stały katalizator wiruje w mieszaninie gazu ogrzanego do około 600 ºC. Kiedy drewno wchodzi do komory, szybko się rozpada lub ulega pirolizie na małe niestabilne cząsteczki węglowodorów, które dyfundują do porów cząstek katalizatora. Wewnątrz katalizatora cząsteczki są przekształcane w mieszaninę aromatycznych związków chemicznych. Proces reakcji trwa niecałe dwie minuty.
Firma nie ujawni szczegółów na temat katalizatora, ale Huber twierdzi, że jedną z jego najważniejszych właściwości jest wielkość jego porów. Jeśli pory są zbyt duże, zatykają się koksem, a jeśli są zbyt małe, reagenty nie mogą się zmieścić, mówi Huber. Katalizatorem firmy jest porowata struktura krzemowo-aluminiowa oparta na ZSM-5, katalizatorze zeolitowym opracowanym przez Mobil Oil w 1975 roku i szeroko stosowanym w przemyśle rafinacji ropy naftowej. Sudolsky mówi, że wykonawcom mogą to zrobić tanio. Reaktory Anellotech są bardzo podobne do tych używanych do rafinacji ropy naftowej. Ale reaktory firmy są zaprojektowane tak, aby zapewnić szybki transfer ciepła i dynamikę płynów, które zapewniają, że reagenty dostaną się do katalizatora, zanim zamienią się w koks.
Stefan Czernik , starszy naukowiec z Narodowego Centrum Bioenergii Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej w Golden, CO, ostrzega, że proces ten był dotychczas demonstrowany tylko na małą skalę, a złożoność tych reaktorów może oznaczać długą drogę do ich zwiększenia. Nie jest łatwo odtworzyć na dużą skalę związek między reakcją chemiczną a przenoszeniem ciepła, jak to się robi w laboratorium, mówi.
Po zademonstrowaniu procesu w zakładzie pilotażowym w przyszłym roku, Anellotech ma nadzieję na współpracę z firmą chemiczną w celu budowy obiektu na skalę komercyjną w 2014 roku. Sudolsky mówi, że firma albo udzieli licencji na proces katalitycznej pirolizy innym firmom, albo zbuduje instalacje rozmieszczone w pobliżu źródeł biomasy. ponieważ transport biomasy nie jest ekonomicznie opłacalny.