Использование отходов биомассы для устойчивого производства промышленных химикатов

Ежегодно более полумиллиарда тонн нефти — более восьмой части общемирового потребления — используется для производства химикатов и пластиков. Спроса на нефть делает нефтехимическую промышленность, рыночная стоимость которой к 2022 году должна превысить 758 млрд долларов США, критически уязвимой к колебаниям цен на нефть и зависимости от ограниченного ископаемого ресурса. Исследователи и инженеры по всему миру пытаются найти способы использования альтернативного сырья, такого как сельскохозяйственные отходы или «биомасса», для замены нефти в производстве обычных промышленных химикатов.

В 2012 году A*STAR объединил ученых, работающих над исследованиями, связанными с сырьем из биомассы, в рамках программы «Биомасса-в-химикаты» (Biomass-To-Chemical, B2C). Программа B2C под руководством Института химических наук и инженерии (ICES) в тесном сотрудничестве с Институтом биоинженерии и нанотехнологий (IBN) работает над созданием полной цепочки создания стоимости — от сырой биомассы до товарных и специальных химикатов — в качестве коммерчески жизнеспособной демонстрации устойчивого производства химикатов на основе биомассы.

Локальный ресурс для глобального производства химикатов

Почти половина мирового нефтехимического производства приходится на Азию, где, как оказалось, есть богатый источник отходов биомассы — отходы «плодов», оставшиеся после производства пальмового масла. Исследования в ICES сосредоточены на использовании этого дешевого и местного ресурса — «пустых плодовых кистей» (empty fruit bunch, EFB) — для устойчивого производства химикатов.

«Самая большая проблема — экономически эффективно преобразовать EFB в чистые «полуфабрикаты» или основные химикаты, необходимые для промышленного производства», — объясняет У Цзиньчуань, руководитель отдела промышленной биотехнологии ICES. «Для этого нам нужны более дешевые способы получения ферментируемых сахаров из биомассы и более мощные микробы для ферментации сахаров с целью получения полезных полуфабрикатов, таких как молочная кислота, в промышленных масштабах».

Молочная кислота используется как консервант, отвердитель и ароматизатор, а также как сырье для производства многих других промышленных химикатов. Команда У разработала процесс эффективного преобразования EFB в молочную кислоту с высоким выходом с помощью ферментативного гидролиза с последующей ферментацией с использованием термофильных бактерий, естественным образом встречающихся в Сингапуре.

«С помощью этого процесса мы показали, что можем производить молочную кислоту с высоким выходом из EFB», — говорит У. «Наш следующий шаг — дальнейшее снижение стоимости обработки за счет совершенствования технологий предварительной обработки и ферментации».

От сырья к промышленным химикатам

Многие промышленные химикаты по-прежнему зависят от нефтяного сырья. Замена его на возобновляемое сырье, такое как молочная кислота из биомассы, будет иметь решающее значение для устойчивой революции в глобальном производстве химикатов.

Подразделение гетерогенного катализа ICES под руководством Армандо Борньи работает над преобразованием молочной кислоты в обычные промышленные химикаты, такие как акриловая кислота, которая обычно производится из нефтяного пропилена.

«Акриловая кислота — важный товарный химикат, используемый для суперабсорбирующих полимеров, пластиков и синтетического каучука, а также в производстве покрытий, красок и отделки кожи», — говорит Чхве Вон Джэ, руководитель Центра биопроцессной инженерии и директор программы B2C. «Наш подход с использованием молочной кислоты позволяет нам использовать EFB — непищевой ресурс, который дешев и легкодоступен как отходы крупнейших в мире заводов по производству пальмового масла в Юго-Восточной Азии».

Критическая часть процесса преобразования молочной кислоты в акриловую — поиск эффективного способа катализировать дегидратацию молочной кислоты. Команда Чхве изучала использование многокомпонентных неорганических материалов в качестве катализатора, но ключевой проблемой был низкий выход акриловой кислоты из-за нежелательных побочных реакций. Однако недавние прорывы показали значительный потенциал.

«Благодаря структурной инженерии и продвинутой модификации поверхности катализатора мы смогли увеличить выход акриловой кислоты до более чем 80%, что является лучшим показателем, когда-либо зарегистрированным для этой реакции», — говорит Чхве.

Для поддержки программы B2C ICES объединил эти технологии, чтобы создать интегрированный процесс биопереработки, специально предназначенный для производства акриловой кислоты из EFB. Процесс охватывает всю цепочку создания стоимости: от предварительной обработки биомассы, ферментативного гидролиза и ферментации до разделения, очистки и каталитического превращения молочной кислоты в акриловую кислоту.

Изучение химического разнообразия

В Институте биоинженерии и нанотехнологий (IBN) ученые, участвующие в исследованиях по превращению биомассы в химикаты, координируют свои действия с коллегами из ICES через программу «Биовозобновляемые химикаты из биомассы» под руководством Югена Чжана.

«Здесь мы работаем над преобразованием ресурсов биомассы в более широкий спектр промышленных химикатов», — говорит Чжан. «Химикаты, такие как адипиновая кислота, малеиновый ангидрид, акриловая кислота, бутадиен и фурандикарбоновая кислота, очень важны для полимерной промышленности».

В рамках программы IBN исследователи разработали высокоэффективные процессы для ряда промышленно важных реакций, включая превращение слизистой кислоты в адипиновую кислоту — фундаментальный этап производства нейлона — и превращение сахаров в фурандикарбоновую кислоту, которая является важным новым биопроцессом со многими потенциальными применениями в производстве полимеров и медицине.

«В наших исследованиях мы сосредотачиваемся на повышении селективности реакций, что увеличивает выход и снижает стоимость всего процесса, что является основной проблемой для использования биомассы в химическом производстве», — говорит Чжан.

Несмотря на препятствия, потенциал промышленного производства химикатов из биомассы оправдывает усилия и инвестиции. «Эта область исследований очень интересна», — говорит У. «Преобразование возобновляемых ресурсов в ценные химикаты является устойчивым в том смысле, в каком ископаемое топливо никогда не будет. Даже когда цена на нефть низкая, преобразование биомассы по-прежнему является коммерчески перспективным, особенно для специальных химикатов».