Desde automóviles y bicicletas hasta aviones y transbordadores espaciales, fabricantes de todo el mundo intentan hacer que estos vehículos sean más ligeros, lo que ayuda a reducir el uso de combustible y la huella medioambiental.

De una forma en que los coches, bicicletas Los aviones y otros medios de transporte se han vuelto más livianos en las últimas décadas gracias al uso de compuestos de fibra de carbono. La fibra de carbono es cinco veces más resistente que el acero. dos veces más rígido, y sustancialmente más ligero, lo que lo convierte en el material de fabricación ideal para muchas piezas. Pero con la industria que depende de los productos del petróleo para fabricar fibra de carbono en la actualidad, ¿Podríamos utilizar en su lugar fuentes renovables?

En la edición de diciembre de 2017 de Ciencias , Gregg Beckham, un líder de grupo en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), y un equipo interdisciplinario informó los resultados de investigaciones experimentales y computacionales sobre la conversión de biomasa lignocelulósica en un químico de base biológica llamado acrilonitrilo, el precursor clave para la fabricación de fibra de carbono.

El acrilonitrilo es un producto químico de gran tamaño, y se fabrica hoy a través de un complejo proceso a base de petróleo a escala industrial. Propileno que se deriva del petróleo o del gas natural, se mezcla con amoniaco, oxígeno, y un catalizador complejo. La reacción genera grandes cantidades de calor y cianuro de hidrógeno, un subproducto tóxico. El catalizador que se utiliza para fabricar acrilonitrilo hoy en día también es bastante complejo y caro. y los investigadores aún no comprenden completamente su mecanismo.

"Ahí es donde entra nuestro estudio, ", Dijo Beckham." Los precios del acrilonitrilo han experimentado grandes fluctuaciones en el pasado, lo que a su vez ha llevado a tasas de adopción más bajas de fibras de carbono para hacer que los automóviles y aviones sean más livianos. Si puede estabilizar el precio del acrilonitrilo proporcionando una nueva materia prima a partir de la cual producir acrilonitrilo, en este caso azúcares de origen renovable a partir de biomasa lignocelulósica, podríamos hacer que la fibra de carbono sea más barata y más ampliamente adoptada para las aplicaciones de transporte diarias ".

Desarrollar nuevas ideas para fabricar acrilonitrilo a partir de materias primas renovables, el Departamento de Energía (DOE) solicitó una propuesta hace varios años que preguntaba:¿Es posible fabricar acrilonitrilo a partir de material de desecho de plantas? Estos materiales incluyen rastrojo de maíz, paja de trigo, paja de arroz, astillas de madera, etc. Son básicamente la parte no comestible de la planta que se puede descomponer en azúcares, que luego se pueden convertir en una gran variedad de productos de base biológica para el uso diario, como combustibles como el etanol u otros productos químicos.

"Si pudiéramos hacer esto de una manera económicamente viable, potencialmente podría desacoplar el precio del acrilonitrilo del petróleo y ofrecer una alternativa de fibra de carbono verde al uso de combustibles fósiles, ", Dijo Beckham.

Beckham y el equipo avanzaron para desarrollar un proceso diferente. El proceso NREL toma azúcares derivados de materiales de desecho de plantas y los convierte en un intermedio llamado ácido 3-hidroxipropiónico (3-HP). Luego, el equipo utilizó un catalizador simple y una nueva química, denominada nitrilación, para convertir 3-HP en acrilonitrilo con altos rendimientos. El catalizador usado para la química de nitrilación es aproximadamente tres veces menos costoso que el catalizador usado en el proceso a base de petróleo y es un proceso más simple. La química es endotérmica, por lo que no produce un exceso de calor. y a diferencia del proceso a base de petróleo, no produce el subproducto tóxico cianuro de hidrógeno. Bastante, el proceso de base biológica solo produce agua y alcohol como subproductos.

Desde una perspectiva de química verde, El proceso de producción de acrilonitrilo de base biológica tiene múltiples ventajas sobre el proceso a base de petróleo que se utiliza en la actualidad. "Ese es el meollo del estudio, ", Dijo Beckham.

El papel de XSEDE en la química

Beckham no es ajeno a XSEDE, el eXtreme Science and Engineering Discovery Environment financiado por la National Science Foundation. Ha estado usando recursos XSEDE, incluyendo Stampede1, Puentes Comet y ahora Stampede2, durante unos nueve años como investigador principal. Stampede1 y Stampede2 (actualmente # 12 en la lista Top500) son implementados y mantenidos por el Texas Advanced Computing Center.

La mayor parte de la investigación biológica y química realizada para este proyecto fue experimental, pero el mecanismo de la química de la nitrilación solo fue hipotetizado al principio por el equipo. Un investigador postdoctoral en el equipo, Vassili Vorotnikov de NREL, fue contratado para ejecutar cálculos periódicos de la teoría funcional de la densidad en Stampede1, así como en las máquinas de NREL, para dilucidar el mecanismo de esta nueva química.

Durante aproximadamente dos meses y varios millones de horas de CPU utilizadas en Stampede1, los investigadores pudieron arrojar luz sobre la química de este nuevo proceso catalítico. "Los experimentos y cálculos se alinearon muy bien, "Dijo Vorotnikov.

Because they had an allocation on Stampede1, they were able to rapidly turn around a complete mechanistic picture of how this chemistry works. "This will help us and others to develop this chemistry further and design catalysts and processes more rationally, " 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 pasos

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."