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Furfurale: Future Feedstock for Fuels and Chemicals

PUBBLICITÀ Negli ultimi due anni, diversi gruppi di ricerca hanno descritto approcci per convertire zuccheri a sei atomi di carbonio come glucosio e fruttosio in una sostanza chimica chiamata idrossimetilfurfurale o HMF. Questa molecola rappresenta un elemento costitutivo rinnovabile per la sintesi di materie plastiche e prodotti chimici industriali e domestici. Inoltre, lo scorso ottobre, […]
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Negli ultimi due anni, diversi gruppi di ricerca hanno descritto approcci per convertire zuccheri a sei atomi di carbonio come glucosio e fruttosio in una sostanza chimica chiamata idrossimetilfurfurale o HMF. Questa molecola rappresenta un elemento costitutivo rinnovabile per la sintesi di materie plastiche e prodotti chimici industriali e domestici. Inoltre, lo scorso ottobre, Avantium, una società tecnologica di Amsterdam, con sede nei Paesi Bassi, ha annunciato i risultati dei test sui motori del suo nuovo biocarburante basato su furano derivato da HMF. La società ha soprannominato il suo carburante, Furanics, e ha riferito che varie miscele di furanici con diesel regolare hanno prodotto risultati positivi, tra cui prestazioni del motore lisce per diverse ore e riduzioni significative delle emissioni di fuliggine dallo scarico del veicolo.
Ora, una chimica sorella di HMF, furfural, sta cominciando a guadagnare l’attenzione dei produttori di etanolo cellulosico e ricercatori accademici. Furfural è un liquido oleoso, incolore profumato alla mandorla che diventa giallo al marrone scuro quando esposto all’aria. Viene utilizzato come solvente per la raffinazione di oli lubrificanti, come fungicida e diserbante e nella produzione di tetraidrofurano, un importante solvente industriale. Inoltre, furfural insieme con la sua molecola sorella HMF, può servire come un blocco di costruzione per altri combustibili di trasporto potenziali tra cui dimetilfurano e levulinato di etile.
Il furfurale viene prodotto rimuovendo acqua o disidratando zuccheri a cinque atomi di carbonio come xilosio e arabinosio. Questi zuccheri pentosi sono comunemente ottenuti dalla frazione emicellulosa di rifiuti di biomassa come mais, pannocchie e bucce di arachidi e avena. Infatti, nel 1920 diverse tonnellate di furfurale è stato prodotto ogni mese dalle scorte di rifiuti di cereali presso il Quaker Oats Co. a Cedar Rapids, Iowa. Ma i prezzi del petrolio a buon mercato nella seconda parte del 20 ° secolo ha portato la produzione nazionale di furfural ad una vera e propria battuta d’arresto.
Oggi, circa il 90 per cento della capacità di produzione furfurale è installato in tre paesi, la Cina, che ospita la maggior parte a circa il 74 per cento, il Sud Africa e la Repubblica Dominicana, secondo SRI Consulting, un servizio di ricerca di business internazionale per l’industria chimica. Tuttavia, in questo clima di alti prezzi del petrolio senza precedenti, l’interesse per la produzione di furfurale negli Stati Uniti sta crescendo.

“Una delle più grandi applicazioni del furfurale è stata quella di convertirlo in tetraidrofurano”, spiega Kendall Pye, Chief Scientific officer di Lignol Innovations Ltd., uno sviluppatore canadese di tecnologie di biorefining e una filiale di Lignol Energy Corp. Ma l’industria petrolifera ha trovato un modo per fare furani da anidride maleica a base di petrolio. “Ora che i prezzi del petrolio sono saliti alle stelle, c’è un forte interesse nella produzione di furfurale di nuovo perché sembra davvero che potrebbe essere più economico”, dice Pye.
Un flusso di entrate della bioraffineria
Nella tecnologia di produzione di etanolo cellulosico impiegata da Lignol, il furfurale rappresenta una “felice coincidenza”, una conseguenza potenzialmente redditizia del processo. “Non facciamo deliberatamente furfurale”, spiega Pye. “L’intero obiettivo della nostra bioraffineria è quello di cuocere il legno sotto pressione e temperature relativamente elevate per rimuovere la lignina.”Il processo produce una lignina altamente pura che può superare il valore dell’etanolo che viene successivamente prodotto dal glucosio ottenuto dalla cellulosa. Inoltre, si scopre che mentre la frazione emicellulosa del legno continua a cuocere, il polimero si degrada negli zuccheri xilosi, che in quelle stesse condizioni di processo si trasformano in furfurale. “Otteniamo furfurale come conseguenza delle condizioni che usiamo nel nostro processo”, dice Pye.
Questo up-front, processo di delignificazione è stato sviluppato dalla University of Pennsylvania e General Electric nei primi anni 1970. Più tardi soprannominato il processo di macinatura Alcell, è stato commercializzato e applicato all’industria della pasta e della carta negli anni ’90. Lignol acquisito la tecnologia nel 2001 e modificato da processi di recente sviluppo per la saccarificazione e fermentazione. All’inizio di questa estate, la società ha annunciato di aver iniziato a costruire un impianto pilota di etanolo da 100.000 litri (26.000 galloni) nel campus del British Columbia Institute of Technology di Burnaby, British Columbia. La società ha anche in programma di costruire un impianto dimostrativo su scala commerciale che avrà sede in Colorado,che sarà parzialmente finanziato da una sovvenzione DOE da U 30 milioni.


“Consideriamo questa tecnologia come la cosa più vicina a una bioraffineria di alta qualità”, afferma Pye. “Prendiamo il legno e lo dividiamo nelle sue varie frazioni e otteniamo il valore più alto possibile per ciascuna di queste frazioni.”

Anche se l’etanolo e la lignina saranno i prodotti primari del processo, furfural fornirà una terza fonte di reddito. Il significato di quel flusso di denaro, tuttavia, dipenderà dalla fonte della materia prima. Legni dolci come lodgepole pine porto meno xilosio di legni duri o colture annuali come paglia e mais stover. Ma in un impianto di dimensioni dimostrative che elabora centinaia di tonnellate di biomassa al giorno, la percentuale di furfurale che può essere estratta da una materia prima di conifere sarebbe ancora significativa, dice Pye.
Per Raven Biofuels International, una società di biocarburanti con sede nel New Jersey, l’origine della materia prima non è un fattore importante perché la tecnologia dell’azienda è adattabile alla concentrazione di zucchero nella materia prima. Raven Biocarburanti utilizza la tecnologia disponibile in commercio che viene utilizzata nell’industria spappolamento per produrre etanolo e furfurale da un’ampia varietà di materie prime cellulosiche, compresi i rifiuti di costruzione e trucioli di legno, spiega John Sams, Chief Operating Officer di Raven biocarburanti.
Il processo in due fasi è stato ampiamente testato negli Stati Uniti. laboratorio federale, Tennessee Valley Authority impianto pilota a Muscle Shoals, Ala. Negli ultimi otto anni sono state testate 32 materie prime diverse e sono stati generati dati ingegneristici e di scale-up.
Nella prima fase, la materia prima della biomassa viene trattata con vapore e acido solforico debole in un digestore anaerobico per abbattere il legno fino al punto in cui è possibile rimuovere vari flussi di zucchero. In queste stesse condizioni di calore e acido, gli zuccheri pentosi vengono disidratati e successivamente convertiti in furfurale, che viene ulteriormente raffinato attraverso un processo di distillazione. Nel frattempo, gli zuccheri esosi vengono fermentati in un secondo passaggio all’etanolo. “Il motivo per cui il nostro sistema è più indulgente è che possiamo regolare la concentrazione dell’acido, il flusso dell’acido o il vapore per ottenere più zucchero se c’è un contenuto di zucchero inferiore nella materia prima”, afferma Sams.


Inoltre, il processo consente l’estrazione di eventuali fibre rimanenti che possono essere vendute o messe in una caldaia per fornire calore di processo per l’impianto. “Nel nostro caso stiamo rimuovendo gli zuccheri C-5 nella prima fase del processo per produrre furfurale e nella seconda fase, gli zuccheri C-6 vengono trasformati in etanolo attraverso un normale processo di fermentazione”, spiega. “La tecnologia brevettata Raven è incentrata sulla produzione di furfurale in combinazione con etanolo e per la produzione di prodotti chimici derivati di alto livello dal furfurale.”
Il primo progetto che Raven Biofuels sta sviluppando sarà situato nello stato di Washington. L’impianto produrrà 7 MMgy di etanolo cellulosico e 4 MMgy di furfurale da 500 tonnellate di rifiuti da costruzione al giorno raccolti da una società con sede nello stato. Sams dice che l’impianto dovrebbe essere in funzione entro la primavera del 2010. “Crediamo che stiamo andando ad avere il primo vero impianto commerciale che opera negli Stati Uniti e certamente il primo in Occidente”, dice. Inoltre, la società sta progettando di costruire un impianto simile in British Columbia, che utilizzerà il legno da foreste infestate da coleotteri di pino.
Insieme con l’etanolo, l’azienda può vendere il furfurale grezzo o installare apparecchiature aggiuntive per convertire quel furfurale in prodotti chimici derivati. “La spinta primaria del processo è quella di produrre etanolo, ma furfural è una parte fondamentale di questo perché ciò che rende il nostro impianto molto redditizio è che il furfural vende per 4 4,50 a 5 5 per gallone”, spiega Sams.
Anche se potrebbe essere troppo presto per fare previsioni radicali sul futuro del furfurale in un’economia biobased, è chiaro che i produttori stanno diversificando e che la produzione di prodotti chimici speciali e l’espansione di quelle industrie sarà piggyback la crescita nella produzione di etanolo cellulosico.
Jessica Ebert è una scrittrice freelance per la rivista Biomass. Raggiungila a [email protected]

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