Когда Джон Уэсли Хаятт запатентовал первый промышленный пластик в 1869 году, он намеревался создать альтернативу слоновой кости, используемой для изготовления клавиш пианино. Но этот ранний пластик также вызвал революцию в том, как люди думали о производстве: что, если бы мы не ограничивались материалами, которые могла предложить природа?
Спустя столетие пластик стал неотъемлемой частью повседневной жизни. Но эти пластмассы часто получают из нефти, что способствует зависимости от ископаемого топлива и вызывает вредные выбросы парниковых газов. Чтобы изменить это, ученые Центра биоэнергетических исследований Великих озер (GLBRC) пытаются использовать гибкую природу пластика в другом направлении, разрабатывая новые и возобновляемые способы создания пластика из биомассы..
Используя растворитель растительного происхождения под названием GVL (гамма-валеролактон), профессор химической и биологической инженерии Университета Висконсин-Мэдисон Джеймс Думесик и его команда разработали экономичный и высокопроизводительный способ производства фурандикарбоновой кислоты, или ФДКА. Один из 12 химических веществ, которые Министерство энергетики США называет критически важными для создания «зеленой» химической промышленности, FDCA является необходимым предшественником возобновляемого пластика, называемого PEF (или полиэтиленфураноатом), а также ряда полиэфиров и полиуретанов.
Исследователи опубликовали свои выводы 19 января 2018 года в журнале Science Advances.
Как заменитель ПЭТ (полиэтилентерефталат) на биологической основе - его широко используемый аналог, полученный из нефти, - PEF обладает богатым потенциалом. В настоящее время рыночный спрос на ПЭТ составляет около 1,5 миллиарда тонн в год, и Coca-Cola, Ford Motors, H. J. Heinz, Nike и Procter & Gamble взяли на себя обязательство разработать экологически безопасный, 100-процентно растительный ПЭТ для своих бутылок. упаковка, одежда и обувь. Однако потенциалу PEF выйти на этот значительный рынок препятствует высокая стоимость производства FDCA.
«До сих пор FDCA имел очень низкую растворимость практически в любом растворителе, в котором вы его готовите», - говорит Али Хуссейн Мотагамвала, аспирант Университета Вашингтона в Мэдисоне в области химической и биологической инженерии и соавтор исследования. «Вы должны использовать много растворителя, чтобы получить небольшое количество FDCA, и в конечном итоге вы получите высокие затраты на разделение и нежелательные отходы».
Новый процесс Мотагамвала и его коллег начинается с фруктозы, которую они превращают в двухступенчатом процессе в FDCA в системе растворителей, состоящей из одной части GVL и одной части воды. Конечным результатом является высокий выход FDCA, который легко отделяется от растворителя в виде белого порошка при охлаждении.
«Использование растворителя GVL решает большинство проблем с производством FDCA», - говорит Мотагамвала. «Сахар и FDCA хорошо растворяются в этом растворителе, вы получаете высокие выходы, и вы можете легко отделить и переработать растворитель».
Другие особенности процесса способствуют его надежной экономике. Система не требует дорогостоящих минеральных кислот для катализа, не производит отработанных солей, и вы можете отделить кристаллы FDCA от растворителя, просто охладив реакционную систему.
Проведенный группой технико-экономический анализ показывает, что в настоящее время этот процесс может производить FDCA по минимальной продажной цене 1 490 долларов за тонну. С улучшениями, включая снижение стоимости сырья и сокращение времени реакции, цена может достичь 1310 долларов за тонну, что сделает их FDCA конкурентоспособными по стоимости с некоторыми прекурсорами пластика, полученными из ископаемого топлива..
«Мы думаем, что это упрощенный и недорогой подход к созданию FDCA, которого ждали многие люди в индустрии пластмасс», - говорит Дюмесик. «Мы надеемся, что это исследование еще больше откроет двери для конкурентоспособных по цене возобновляемых пластмасс».
Исследовательский фонд выпускников Висконсина работает над лицензированием технологии GVL для использования в производстве биопластиков.