Un nuevo estudio del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía establece un nuevo método catalítico para producir acrilonitrilo renovable utilizando ácido 3-hidroxipropiónico (3-HP), que se puede producir biológicamente a partir de azúcares. Este proceso híbrido biológico-catalítico ofrece una alternativa al método de producción petroquímica convencional y logra rendimientos de acrilonitrilo sin precedentes.

Acrilonitrilo, un producto químico derivado del petróleo, es uno de los monómeros más utilizados en la industria química con muchas aplicaciones comerciales. Hoy dia, el acrilonitrilo se utiliza en la producción de fibras acrílicas para alfombras, ropa, y tejidos, y en plásticos como recipientes para alimentos, y materiales de embalaje. Lo más importante para este proyecto, El acrilonitrilo es también el componente principal de los compuestos de fibra de carbono, que se utilizan para aplicaciones de aligeramiento en automoción y transporte aéreo. En la actualidad, el acrilonitrilo se produce industrialmente mediante un proceso químicamente peligroso y que consume mucha energía. Un grupo de personas se para en medio de equipos de laboratorio.

En la foto de izquierda a derecha están Adam Bratis, Violeta Sànchez i Nogué, Todd Eaton, Gregg Beckham, Vassili Vorotnikov, y Eric Karp, parte del equipo de NREL trabajando en un costo competitivo, proceso sostenible para la creación de acrilonitrilo y fibras de carbono a partir de biomasa renovable. (Foto de Dennis Schroeder / NREL)

La volatilidad del precio del propileno y la sostenibilidad ambiental han motivado la búsqueda de vías alternativas utilizando materias primas de origen biológico como el glicerol y el ácido glutámico. Sin embargo, ninguno ha podido competir con el proceso tradicional en términos de costo y rendimiento. Ahora, La nueva investigación de NREL se muestra prometedora para lograr este objetivo.

Recientemente publicado en Ciencias , "Producción de acrilonitrilo renovable" muestra un camino hacia una producción rentable y proceso de fabricación de acrilonitrilo de base biológica. Los investigadores pudieron lograr un rendimiento del 98% de acrilonitrilo utilizando un nuevo, proceso catalítico robusto. Basado solo en los rendimientos, este es un descubrimiento muy importante:en comparación, después de seis décadas de mejoras y optimización a escala comercial, el proceso tradicional de producción de acrilonitrilo alcanza rendimientos de aproximadamente 80% -83%.

“El alto rendimiento de acrilonitrilo nos permite proponer un proceso industrial potencial para la conversión de biomasa lignocelulósica en acrilonitrilo renovable y fibras de carbono, "dijo Gregg Beckham, líder de grupo en NREL y autor principal del estudio. "Históricamente, Los precios del acrilonitrilo han sido volátiles debido a los vínculos con los precios del propileno. Este proceso de fabricación alternativo, uno que se basa en materias primas de origen renovable, podría ayudar a estabilizar los precios del acrilonitrilo y conducir a una adopción más amplia en el mercado de materiales a base de fibra de carbono. Este es un importante paso adelante para aligerar las aplicaciones de transporte, creando así importantes ahorros de costes para el transporte, además de reducir nuestro impacto en el medio ambiente ".

Además de los altos rendimientos, este nuevo enfoque tiene múltiples beneficios sobre el actual proceso de producción de acrilonitrilo a base de petróleo. El nuevo proceso elimina la producción de cianuro de hidrógeno, un subproducto tóxico, utiliza un catalizador más simple y menos costoso, y podría hacerse en una configuración de reactor más simple. Es más, este nuevo proceso de alto rendimiento puede utilizar biomasa no alimentaria, como los desechos agrícolas, como materia prima en lugar de propileno.

"Estamos entusiasmados con las perspectivas de esta nueva química para la producción de acrilonitrilo para finalmente permitir la producción de fibras de carbono de origen renovable". ", dijo el director del laboratorio asociado de NREL, Adam Bratis, e investigador principal del Consorcio de fibra de carbono renovable dirigido por NREL. Esta investigación innovadora es el resultado de una colaboración interdisciplinaria de investigadores de la ingeniería química, biología, y modelado computacional, incluidos los autores de NREL Eric Karp, Todd Eaton, Violeta Sànchez i Nogué, y Vassili Vorotnikov, así como otros colaboradores de NREL, la Universidad de Colorado Boulder, Johnson Matthey, y la Tecnología del Atlántico Medio, Centro de Investigación e Innovación.

NREL estima que el nuevo proceso podría poner el precio de venta del acrilonitrilo derivado de biomasa por debajo de $ 1 por libra de biomasa celulósica o azúcares a base de almidón. Se consideró necesario un objetivo de $ 1 por libra para la competitividad de costos con el acrilonitrilo producido convencionalmente.

Impulsado en parte por el interés en utilizar fibra de carbono para aligerar vehículos y aviones que ahorrarán dinero en costos de combustible, Se prevé que la demanda de fibras de carbono aumente entre un 11% y un 18% anual. Y dado que la industria de la fibra de carbono es especialmente sensible a las fluctuaciones de precios en su base química acrilonitrilo (se necesitan aproximadamente 2 libras de acrilonitrilo para generar 1 libra de fibra de carbono), Existe una clara necesidad de desarrollar procesos alternativos competitivos en costos. En el pasado, La volatilidad del precio del propileno y la sostenibilidad ambiental dentro de la producción de compuestos han motivado la búsqueda de enfoques alternativos a la amoxidación del propileno para producir acrilonitrilo. Con el proceso descrito en este trabajo, Los investigadores de NREL están un paso más cerca de este objetivo.