Une nouvelle étude du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du ministère de l'Énergie établit une nouvelle méthode catalytique pour produire de l'acrylonitrile renouvelable à l'aide d'acide 3-hydroxypropionique (3-HP), qui peut être produit biologiquement à partir de sucres. Ce procédé hybride biologique-catalytique offre une alternative à la méthode de production pétrochimique conventionnelle et permet d'atteindre des rendements en acrylonitrile sans précédent.

Acrylonitrile, un produit chimique dérivé du pétrole, est l'un des monomères les plus largement utilisés dans l'industrie chimique avec de nombreuses applications commerciales. Aujourd'hui, l'acrylonitrile est utilisé dans la production de fibres acryliques pour tapis, vêtements, et tissus, et dans les plastiques tels que les contenants alimentaires, et des matériaux d'emballage. Le plus important pour ce projet, l'acrylonitrile est également le principal élément constitutif des composites en fibre de carbone, qui sont utilisés pour des applications d'allègement dans le transport automobile et aérien. L'acrylonitrile est aujourd'hui produit industriellement via un processus énergivore et chimiquement dangereux. Un groupe de personnes se tient au milieu d'équipements de laboratoire.

Sur la photo de gauche à droite, Adam Bratis, Violeta Sànchez i Nogué, Todd Eaton, Gregg Beckham, Vassili Vorotnikov, et Eric Karp, une partie de l'équipe NREL travaillant sur un coût compétitif, procédé durable de création d'acrylonitrile et de fibres de carbone à partir de biomasse renouvelable. (Photo de Dennis Schroeder / NREL)

La volatilité des prix du propylène et la durabilité environnementale ont motivé la recherche de voies alternatives utilisant des matières premières bio-dérivées telles que le glycérol et l'acide glutamique. Pourtant, aucun n'a pu rivaliser avec le procédé traditionnel en termes de coût et de rendement. Maintenant, la nouvelle recherche du NREL est prometteuse pour atteindre cet objectif.

Nouvellement publié dans Science , « Production d'acrylonitrile renouvelable » montre la voie vers une procédé de fabrication d'acrylonitrile biosourcé. Les chercheurs ont pu atteindre un rendement de 98 % en acrylonitrile en utilisant un nouveau processus catalytique robuste. Sur la seule base des rendements, c'est une découverte très importante :en comparaison, après six décennies d'améliorations et d'optimisation à l'échelle commerciale, le procédé traditionnel de production d'acrylonitrile atteint des rendements d'environ 80 à 83 %.

« Le rendement élevé en acrylonitrile nous permet de proposer un potentiel procédé industriel de conversion de biomasse lignocellulosique en acrylonitrile et fibres de carbone renouvelables, " a déclaré Gregg Beckham, chef de groupe au NREL et auteur principal de l'étude. « Historiquement, les prix de l'acrylonitrile ont été volatils en raison des liens avec les prix du propylène. Ce procédé de fabrication alternatif, celui qui repose sur des matières premières d'origine renouvelable, pourrait aider à stabiliser les prix de l'acrylonitrile et conduire à une adoption plus large par le marché des matériaux à base de fibre de carbone. Il s'agit d'un pas en avant important pour les applications de transport d'allègement, créant ainsi des économies de coûts significatives pour le transport, tout en réduisant notre impact sur l'environnement."

En plus des rendements élevés, cette nouvelle approche présente de multiples avantages par rapport au procédé actuel de production d'acrylonitrile à base de pétrole. Le nouveau procédé élimine la production de cyanure d'hydrogène - un produit secondaire toxique - utilise un catalyseur plus simple et moins coûteux, et pourrait être fait dans une configuration de réacteur plus simple. De plus, ce nouveau procédé à haut rendement peut utiliser de la biomasse non alimentaire, tels que les déchets agricoles, comme matière première à la place du propylène.

« Nous sommes enthousiasmés par les perspectives de cette nouvelle chimie pour la production d'acrylonitrile afin de permettre à terme la production de fibres de carbone d'origine renouvelable, ", a déclaré Adam Bratis, directeur du laboratoire associé du NREL et chercheur principal du consortium sur les fibres de carbone renouvelables dirigé par le NREL. Cette recherche révolutionnaire est le résultat d'une collaboration interdisciplinaire de chercheurs en génie chimique, la biologie, et modélisation informatique, dont les auteurs du NREL Eric Karp, Todd Eaton, Violeta Sànchez i Nogué, et Vassili Vorotnikov, ainsi que d'autres contributeurs du NREL, l'Université du Colorado Boulder, Johnson Matthey, et la technologie Mid-Atlantic, Centre de Recherche &Innovation.

Le NREL estime que le nouveau procédé pourrait faire baisser le prix de vente de l'acrylonitrile dérivé de la biomasse en dessous de 1 $ la livre à partir de biomasse cellulosique ou de sucres à base d'amidon. Un objectif de 1 $ la livre a été jugé nécessaire pour la compétitivité des coûts avec l'acrylonitrile produit de manière conventionnelle.

Poussé en partie par l'intérêt d'utiliser la fibre de carbone pour alléger les véhicules et les avions qui permettra d'économiser de l'argent sur les coûts de carburant, la demande de fibres de carbone devrait augmenter de 11 % à 18 % par an. Et étant donné que l'industrie de la fibre de carbone est particulièrement sensible aux fluctuations de prix de leur acrylonitrile chimique de base (il faut environ 2 livres d'acrylonitrile pour générer 1 livre de fibre de carbone), il existe un besoin évident de développer des procédés alternatifs compétitifs en termes de coûts. Autrefois, La volatilité des prix du propylène et la durabilité environnementale dans la production de composites ont motivé la recherche d'approches alternatives à l'ammoxydation du propylène pour produire de l'acrylonitrile. Avec le processus décrit dans ce travail, Les chercheurs du NREL sont un pas de plus vers cet objectif.