Спустя столетие пластик стал неотъемлемой частью повседневной жизни. Но эти пластмассы часто получают из нефти, что способствует использованию ископаемых видов топлива и является источником вредных выбросов парниковых газов. Чтобы изменить это, ученые Центра биоэнергетических исследований Великих озер (GLBRC) пытаются использовать пластичную природу пластика в другом направлении, разрабатывая новые и возобновляемые способы создания пластика из биомассы.
Используя растительный растворитель под названием GVL (гамма-валеролактон), профессор химической и биологической инженерии Университета Висконсин-Мэдисон Джеймс Дюмесик и его команда разработали экономичный и высокопроизводительный способ производства фурандикарбоновой кислоты или FDCA. Один из 12 химических веществ, которые Министерство энергетики США называет критически важным для создания «зеленой» химической промышленности, FDCA является необходимым предшественником возобновляемого пластика под названием PEF (или полиэтиленфураноат), а также ряда полиэфиров и полиуретанов.
Исследователи опубликовали свои выводы 19 января 2018 года в журнале Science Advances.В качестве заменителя ПЭТ (полиэтилентерефталата) на биологической основе — его широко используемого аналога, полученного из нефти — ПЭФ обладает большим потенциалом. Рыночный спрос на ПЭТ в настоящее время составляет около 1,5 млрд тонн в год, а на Coca-Cola, Ford Motors, H.J.
Heinz, Nike и Procter Компания Gamble взяла на себя обязательство по разработке экологически чистых источников ПЭТ на 100% растительного происхождения для своих бутылок, упаковки, одежды и обуви. Однако потенциалу PEF по проникновению на этот большой рынок препятствовала высокая стоимость производства FDCA.«До сих пор FDCA имел очень низкую растворимость практически в любом растворителе, в котором вы его делаете», — говорит Али Хуссейн Мотагамвала, аспирант Университета штата Мэриленд в области химической и биологической инженерии и соавтор исследования. «Вы должны использовать много растворителя, чтобы получить небольшое количество FDCA, и в итоге вы получаете 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 растворимы в этом растворителе, вы получаете высокие выходы, и вы можете легко отделить и повторно использовать 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.
Технико-экономический анализ, проведенный командой, показывает, что в настоящее время этот процесс может производить FDCA при минимальной отпускной цене 1490 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 пластмасс, полученными из ископаемого топлива.«Мы думаем, что это рациональный и недорогой подход к производству FDCA, которого ждали многие люди в индустрии пластмасс», — говорит Думесик. «Мы надеемся, что это исследование откроет дверь еще больше к недорогим возобновляемым пластмассам».
Исследовательский фонд выпускников Висконсина работает над лицензированием технологии GVL для использования в производстве биопластиков.