211service.com
Van biomassa naar chemicaliën in één stap
Een startend bedrijf dat voortkomt uit de Universiteit van Massachusetts, Amherst, is van plan een katalytisch proces op de markt te brengen voor het omzetten van cellulosebiomassa in vijf van de chemicaliën die in benzine worden aangetroffen. Deze chemicaliën worden ook gebruikt om industriële polymeren en oplosmiddelen te maken. Anellotech , dat op zoek is naar durfkapitaal, is van plan om volgend jaar een proeffabriek te bouwen.
Zaagsel tot benzine: Een proces dat katalytische pyrolyse wordt genoemd, zet biomassa, zoals zaagsel, om in waardevolle chemicaliën. Van links naar rechts: zaagsel; slibachtige chemicaliën geproduceerd zonder de katalysator; de poederkatalysator; het mengsel van aromatische moleculen gemaakt met de katalysator.
De reactoren van Anellotech voeren een proces uit dat katalytische pyrolyse wordt genoemd, waarbij drie van de structurele moleculen die in planten worden aangetroffen - twee vormen van cellulose en het houtachtige molecuul lignine - in brandstoffen worden omgezet. Vermalen biomassa wordt in een hogetemperatuurreactor gevoerd en gemengd met een katalysator. De hitte zorgt ervoor dat de cellulose, lignine en andere moleculen in de biomassa chemisch ontleden via een proces dat pyrolyse wordt genoemd; een katalysator helpt de chemische reacties onder controle te houden, waarbij cellulose en lignine worden omgezet in een mix van op koolstofringen gebaseerde moleculen: benzeen, tolueen en xylenen.
De wereldwijde markt voor deze groep chemicaliën is $ 80 miljard per jaar en groeit met een snelheid van 4 procent per jaar, zegt David Sudolsky, CEO van Anellotech. We streven ernaar om te concurreren met olie met een prijs van $60 per vat, zonder belastingkredieten of subsidies, zegt hij. De oprichter van het bedrijf, George Huber , zegt dat zijn katalytische pyrolyseproces 50 gallons van de chemicaliën kan creëren per ton hout of andere biomassa, met een opbrengst van 40 procent. De andere producten van de reactie omvatten cokes, gebruikt om de reactor van brandstof te voorzien.
Het voordeel van pyrolyse is dat het hele biomassa gebruikt, zegt John Regalbuto, adviseur van het Catalysis and Biocatalysis Program bij de National Science Foundation. Gemiddeld is lignine goed voor 40 procent van de energie die in de hele biomassa is opgeslagen. Maar omdat het niet kan worden omgezet in suikers zoals cellulose dat kan, kan lignine niet worden gebruikt als grondstof voor fermentatieprocessen zoals die worden gebruikt door sommige biobrandstofbedrijven om suikerriet om te zetten in brandstoffen.
Pyrolyse is ook iets anders dan vergassing, een ander proces om hele biomassa te gebruiken. Vergassing resulteert in een mengsel van koolstof en waterstof, syngas genaamd, dat vervolgens kan worden gebruikt om brandstof te maken. Pyrolyse daarentegen zet biomassa in één stap om in vloeibare brandstoffen. En hoewel vergassing alleen economisch op zeer grote schaal kan, zegt Regalbuto, zou katalytische pyrolyse kunnen worden gedaan op kleinere raffinaderijen die dicht bij de aanvoer van biomassa liggen.
Pyrolyse is een efficiënte manier om biomassa te gebruiken, maar het is moeilijk om de producten van de reactie te beheersen en het is moeilijk om hoge opbrengsten te behalen. De sleutels tot het proces van Anellotech, zegt Huber, zijn een speciaal op maat gemaakte katalysator en een reactor die een goede controle over de reactieomstandigheden mogelijk maakt. De groep van Huber aan de UMass, waar hij hoogleraar chemische technologie is, was de eerste die een katalytisch proces ontwikkelde om biomassa rechtstreeks in benzine om te zetten, en de processen van Anellotech zijn op dit werk gebaseerd.
Tot nu toe heeft Huber in het lab twee generaties van een reactor ontwikkeld. Bij proeven start de groep met zaagselafval van een lokale molen. De vermalen biomassa wordt toegevoerd aan een wervelbedreactor. Binnenin wervelt een poedervormige vaste katalysator rond in een mengsel van gas dat is verwarmd tot ongeveer 600 ºC. Wanneer hout de kamer binnenkomt, wordt het snel afgebroken of pyrolyseert het tot kleine onstabiele koolwaterstofmoleculen die in de poriën van de katalysatordeeltjes diffunderen. In de katalysator worden de moleculen hervormd om een mengsel van aromatische chemicaliën te creëren. Het reactieproces duurt iets minder dan twee minuten.
Het bedrijf wil geen details over de katalysator bekendmaken, maar Huber zegt dat een van de belangrijkste eigenschappen de grootte van de poriën is. Als de poriën te groot zijn, raken ze verstopt met cola, en als ze te klein zijn, passen de reactanten er niet in, zegt Huber. De katalysator van het bedrijf is een poreuze structuur van silicium en aluminium op basis van ZSM-5, een zeolietkatalysator die in 1975 door Mobil Oil is ontwikkeld en veel wordt gebruikt in de aardolieraffinage-industrie. Sudolsky zegt dat het goedkoop kan worden gemaakt door aannemers. De reactoren van Anellotech lijken sterk op de reactoren die worden gebruikt om aardolie te raffineren. Maar de reactoren van het bedrijf zijn ontworpen om een snelle warmteoverdracht en vloeistofdynamica te garanderen die ervoor zorgen dat de reactanten een katalysator binnendringen voordat ze in cokes veranderen.
Stefan Czernik , waarschuwt een senior wetenschapper bij het National Bioenergy Centre van het National Renewable Energy Laboratory in Golden, CO, dat het proces tot nu toe alleen op kleine schaal is aangetoond en dat de complexiteit van deze reactoren een lange weg voor de boeg kan betekenen om ze op te schalen. Het is niet eenvoudig om op grote schaal de relatie tussen de chemische reactie en warmteoverdracht te repliceren zoals dat in het laboratorium wordt gedaan, zegt hij.
Na het proces volgend jaar in een proeffabriek te hebben gedemonstreerd, hoopt Anellotech samen te werken met een chemisch bedrijf om in 2014 een fabriek op commerciële schaal te bouwen. Sudolsky zegt dat het bedrijf het katalytische pyrolyseproces in licentie zal geven aan andere bedrijven of fabrieken zal bouwen die in de buurt van biomassabronnen worden gedistribueerd omdat het transporteren van biomassa economisch niet haalbaar is.