En el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. Se está ampliando un proceso patentado para convertir alcohol procedente de gases residuales industriales o renovables en combustible para aviones o diesel con la ayuda de socios de la Universidad Estatal de Oregón y los expertos en reciclaje de carbono de LanzaTech.

Dos tecnologías clave impulsan las unidades de producción de combustible de bajo consumo.

Una conversión química de un solo paso agiliza lo que actualmente es un proceso de varios pasos. El nuevo catalizador patentado por PNNL convierte el biocombustible (etanol) directamente en un químico de "plataforma" versátil llamado n-buteno. Un diseño de reactor de microcanal reduce aún más los costos al tiempo que ofrece un sistema de procesamiento modular escalable.

El nuevo proceso proporcionaría una ruta más eficiente para convertir el etanol renovable y derivado de desechos en productos químicos útiles. En la actualidad, El n-buteno se produce a partir de materias primas de origen fósil mediante el craqueo (o descomposición) de moléculas grandes que requiere mucha energía. La nueva tecnología reduce las emisiones de dióxido de carbono mediante el uso de materias primas de carbono renovables o recicladas. Utilizando n-buteno derivado de forma sostenible como punto de partida, los procesos existentes pueden refinar aún más el producto químico para múltiples usos comerciales, incluidos los combustibles diésel y para aviones, y lubricantes industriales.

"La biomasa es una fuente desafiante de energía renovable debido a su alto costo. Además, la escala de la biomasa impulsa la necesidad de plantas de procesamiento distribuidas, "dijo Vanessa Dagle, co-investigador principal del estudio de investigación inicial, que fue publicado en la revista Catálisis ACS . "Hemos reducido la complejidad y mejorado la eficiencia del proceso, al mismo tiempo que reduce los costos de capital. Una vez modular, se ha demostrado el procesamiento a escala, este enfoque ofrece una opción realista para localizados, producción de energía distribuida ".

Combustible para aviones de micro a macro

En un salto hacia la comercialización, PNNL se ha asociado con colaboradores desde hace mucho tiempo en la Universidad Estatal de Oregon para integrar el proceso de conversión química patentado en reactores de microcanales construidos utilizando tecnología de impresión 3D recientemente desarrollada. También llamada fabricación aditiva, La impresión 3D permite al equipo de investigación crear un panal plisado de mini-reactores que aumentan en gran medida la relación efectiva de área de superficie a volumen disponible para la reacción.

"La capacidad de utilizar nuevas tecnologías de fabricación aditiva de múltiples materiales para combinar la fabricación de microcanales con soportes de catalizador de gran superficie en un solo paso del proceso, tiene el potencial de reducir significativamente los costos de estos reactores, ", dice el investigador principal de OSU, Brian Paul." Estamos entusiasmados de ser socios de PNNL y LanzaTech en este esfuerzo ".

"Debido a los avances recientes en los métodos de fabricación de microcanales y las reducciones de costos asociadas, creemos que es el momento adecuado para adaptar esta tecnología a nuevas aplicaciones comerciales de bioconversión, "dijo Robert Dagle, co-investigador principal de la investigación.

La tecnología de microcanales permitiría construir biorreactores a escala comercial cerca de los centros agrícolas donde se produce la mayor parte de la biomasa. Uno de los mayores impedimentos para utilizar biomasa como combustible es la necesidad de transportarla a grandes distancias a grandes distancias. plantas de producción centralizadas.

"El diseño modular reduce la cantidad de tiempo y el riesgo necesarios para desplegar un reactor, ", dijo Robert Dagle." Los módulos podrían agregarse con el tiempo a medida que crece la demanda. A esta escala la llamamos numerando hacia arriba ".

El reactor de prueba de una cuarta parte a escala comercial se producirá mediante impresión 3D utilizando métodos desarrollados en asociación con OSU y se operará en Richland, Washington campus de PNNL.

Una vez que se completa el reactor de prueba, LanzaTech, socio comercial de PNNL, suministrará etanol para alimentar el proceso. El proceso patentado de LanzaTech convierte los desechos y residuos ricos en carbono producidos por las industrias, como la fabricación de acero, refino de petróleo y producción química, así como los gases generados por la gasificación de residuos forestales y agrícolas y residuos municipales en etanol.

El reactor de prueba consumirá etanol equivalente a hasta media tonelada seca de biomasa por día. LanzaTech ya ha ampliado la primera generación de tecnología PNNL para la producción de combustible para aviones a partir de etanol y ha formado una nueva empresa, LanzaJet, comercializar LanzaJet Alcohol-to-Jet. El proyecto actual representa el siguiente paso en la racionalización de ese proceso al tiempo que proporciona flujos de productos adicionales a partir de n-buteno.

"PNNL ha sido un socio fuerte en el desarrollo de la tecnología de etanol a chorro que la empresa derivada de LanzaTech, LanzaJet, está empleando en múltiples plantas en desarrollo, "dijo Jennifer Holmgren, CEO de LanzaTech. "El etanol puede provenir de una variedad de fuentes sostenibles y, como tal, es una materia prima cada vez más importante para el combustible de aviación sostenible. Este proyecto muestra una gran promesa para la tecnología de reactores alternativos que podría tener beneficios para esta vía clave para la descarbonización del sector de la aviación".

Un proceso sintonizable

Desde sus primeros experimentos, el equipo ha seguido perfeccionando el proceso. Cuando se pasa etanol sobre un catalizador sólido a base de plata-circonia soportado sobre sílice, realiza las reacciones químicas esenciales que convierten el etanol en n-buteno o, con algunas modificaciones en las condiciones de reacción, butadieno.

Pero aún más importante, después de estudios de duración prolongada, el catalizador permanece estable. En un estudio de seguimiento publicado en ChemCatChem , el equipo de investigación demostró que si el catalizador pierde actividad, se puede regenerar mediante un procedimiento simple para eliminar el coque, un recubrimiento a base de carbono duro que puede acumularse con el tiempo. Un aún más eficiente, Se utilizará una formulación de catalizador actualizada para la ampliación.

"Descubrimos el concepto de este sistema catalizado que es muy activo, selectivo, y estable, ", dijo Vanessa Dagle." Al ajustar la presión y otras variables, También podemos ajustar el sistema para generar butadieno, un bloque de construcción para plástico sintético o caucho o un n-buteno, que es adecuado para fabricar combustibles para aviones o productos como lubricantes sintéticos. Desde nuestro descubrimiento inicial, otras instituciones de investigación también han comenzado a explorar este nuevo proceso ".