211service.com
Från biomassa till kemikalier i ett steg
Ett företag i ett tidigt skede från University of Massachusetts, Amherst, planerar att kommersialisera en katalytisk process för att omvandla cellulosabiomassa till fem av de kemikalier som finns i bensin. Dessa kemikalier används också för att tillverka industriella polymerer och lösningsmedel. Anellotech , som söker riskkapitalfinansiering, planerar att bygga en pilotanläggning nästa år.
Sågspån till bensin: En process som kallas katalytisk pyrolys omvandlar biomassa, såsom sågspån, till värdefulla kemikalier. Från vänster till höger: sågspån; slamliknande kemikalier framställda utan katalysatorn; pulverkatalysatorn; blandningen av aromatiska molekyler som görs med katalysatorn.
Anellotechs reaktorer utför en process som kallas katalytisk pyrolys, som omvandlar tre av de strukturella molekylerna som finns i växter – två former av cellulosa och den vedartade molekylen lignin – till bränslen. Nedlagd biomassa matas in i en högtemperaturreaktor och blandas med en katalysator. Värmen gör att cellulosa, lignin och andra molekyler i biomassan sönderdelas kemiskt genom en process som kallas pyrolys; en katalysator hjälper till att kontrollera de kemiska reaktionerna och förvandlar cellulosa och lignin till en blandning av kolringbaserade molekyler: bensen, toluen och xylener.
Den globala marknaden för denna grupp av kemikalier är 80 miljarder dollar per år och växer med en takt på 4 procent per år, säger Anellotechs vd David Sudolsky. Vi siktar på att konkurrera med olja som kostar 60 dollar per fat, förutsatt att inga skattelättnader eller subventioner är, säger han. Företagets grundare, George Huber , säger att hans katalytiska pyrolysprocess kan skapa 50 liter av kemikalierna per ton trä eller annan biomassa, med en avkastning på 40 procent. De andra reaktionsprodukterna inkluderar koks, som används för att driva reaktorn.
Fördelen med pyrolys är att den använder hel biomassa, säger John Regalbuto, rådgivare till Catalysis and Biocatalysis Program vid National Science Foundation. I genomsnitt står lignin för 40 procent av energin som lagras i hel biomassa. Men eftersom det inte kan omvandlas till socker som cellulosa kan, kan lignin inte användas som råvara för jäsningsprocesser som de som används av vissa biobränsleföretag för att omvandla sockerrör till bränslen.
Pyrolys skiljer sig också från förgasning, en annan process för att använda hel biomassa. Förgasning resulterar i en blandning av kol och väte som kallas syngas, som sedan kan användas för att göra bränsle. Pyrolys däremot förvandlar biomassa till flytande bränslen i ett enda steg. Och medan förgasning endast kan göras ekonomiskt i mycket stor skala, säger Regalbuto, kan katalytisk pyrolys göras vid mindre raffinaderier som är distribuerade nära tillförseln av biomassa.
Pyrolys är ett effektivt sätt att använda biomassa, men det är svårt att kontrollera reaktionsprodukterna och det är svårt att få höga skördar. Nycklarna till Anellotechs process, säger Huber, är en specialanpassad katalysator och en reaktor som tillåter god kontroll över reaktionsförhållandena. Hubers grupp vid UMass, där han är professor i kemiteknik, var först med att utveckla en katalytisk process för att omvandla biomassa direkt till bensin, och Anellotechs processer är baserade på detta arbete.
Hittills har Huber utvecklat två generationer av en reaktor i labbet. I tester börjar gruppen med sågspånsavfall från ett lokalt bruk. Den malda biomassan matas in i en reaktor med fluidiserad bädd. Inuti virvlar en pulverformig fast katalysator runt i en blandning av gas uppvärmd till cirka 600 ºC. När trä kommer in i kammaren bryts det snabbt ned, eller pyrolyseras, till små instabila kolvätemolekyler som diffunderar in i katalysatorpartiklarnas porer. Inuti katalysatorn reformeras molekylerna för att skapa en blandning av aromatiska kemikalier. Reaktionsprocessen tar knappt två minuter.
Företaget skulle inte avslöja detaljer om katalysatorn, men Huber säger att en av dess viktigaste egenskaper är storleken på dess porer. Om porerna är för stora blir de igensatta av koks, och om de är för små kan reaktanterna inte passa in, säger Huber. Företagets katalysator är en porös kisel- och aluminiumstruktur baserad på ZSM-5, en zeolitkatalysator utvecklad av Mobil Oil 1975 och allmänt använd inom petroleumraffineringsindustrin. Sudolsky säger att det kan tillverkas billigt av entreprenörer. Anellotechs reaktorer är mycket lika de som används för att raffinera petroleum. Men företagets reaktorer är designade för att säkerställa snabb värmeöverföring och vätskedynamik som säkerställer att reaktanterna kommer in i en katalysator innan de förvandlas till koks.
Stefan Czernik , en senior forskare vid National Renewable Energy Laboratorys National Bioenergy Center i Golden, CO, varnar för att processen hittills bara har demonstrerats i liten skala, och komplexiteten hos dessa reaktorer kan innebära en lång väg framåt för att skala upp dem. Det är inte lätt att i stor skala replikera förhållandet mellan den kemiska reaktionen och värmeöverföringen som det görs i laboratoriet, säger han.
Efter att ha demonstrerat processen vid en pilotanläggning nästa år, hoppas Anellotech att samarbeta med ett kemiföretag för att bygga en anläggning i kommersiell skala under 2014. Sudolsky säger att företaget antingen kommer att licensiera den katalytiska pyrolysprocessen till andra företag eller bygga anläggningar som distribueras nära biomassakällor, eftersom det inte är ekonomiskt lönsamt att transportera biomassa.