В Корее смогли из опилки получить ФДК (FDCA) чистотой более 99% - с выходом в 45,5%, при 25 °C и атмосферном давлении
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Корейский исследовательский институт химических технологии и Пхоханский университет науки и технологии смогли произвести из опилок сырье для биопластика без использования высоконапорного оборудования
- Чистота более 99%, повышение выхода продукции по сравнению с существующими методами, сокращение использования ископаемых ресурсов на 47,9% ↓
Ли Ма Ым, научный сотрудник Корейского исследовательского института химических технологии, демонстрирует готовое сырье для пластика (FDCA) [Фото предоставлено Корейским исследовательским институтом химических технологии]
Корейские учёные разработали технологию, позволяющую превращать древесные опилки в сырьё для производства экологически чистых ПЭТ-бутылок и текстиля. Несмотря на то что производство осуществляется при атмосферном давлении без использования высоконапорного оборудования, удалось получить сырьё для биопластика с чистотой более 99%. Анализ показал, что по сравнению с существующим производственным процессом на основе пищевого сахара выбросы углерода можно сократить на 60%.
1 ноября Корейский исследовательский институт химических технологии (KRICT) сообщил, что исследовательская группа под руководством старшего научного сотрудника Хван Дон Вона совместно с командой профессора Хан Чжи Хуна из Пхоханского университета науки и технологии (POSTECH) разработала технологический процесс преобразования непищевой биомассы, такой как древесные опилки, в «2,5-фурандикарбоновую кислоту (FDCA)» — сырье для производства пластика с высокой добавленной стоимостью.
FDCA — это химическое сырье на биологической основе, способное заменить терфталевую кислоту, получаемую из нефти. Полиэтиленфураноат (PEF), изготовленный из FDCA, может заменить ПЭТ, используемый в традиционных ПЭТ-бутылках, и применяться в упаковке для продуктов питания и напитков, в производстве текстиля для одежды и товаров повседневного спроса.
В настоящее время FDCA в основном производят из фруктозы или сахара, получаемых из кукурузы. Однако в связи с использованием пищевых ресурсов возникает проблема конкуренции с продовольственными ресурсами. Для решения этой проблемы ведутся исследования по использованию непищевой биомассы, такой как отходы древесины или побочные продукты сельского хозяйства.
Проблема заключается в эффективности производства. Целлюлоза, основной компонент древесины, имеет прочную структуру, что затрудняет её разложение, а промежуточные вещества, образующиеся в процессе производства, легко подвергаются порче. Некоторые существующие технологии требуют использования высококонцентрированной соляной кислоты, хлорсодержащих растворителей и герметичных установок высокого давления, что стало препятствием для коммерциализации.
(Слева направо) Сырьё (опилки, целлюлоза, крафт-целлюлоза), промежуточные вещества (BMF, AMF), конечный продукт — сырьё для производства пластика (FDCA). [Предоставлено Корейским исследовательским институтом химических технологии]
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа разработала трёхэтапный интегрированный процесс, в ходе которого целлюлоза преобразуется в FDCA через промежуточные вещества BMF и AMF.
Ключевым моментом стало исключение реакции под высоким давлением и минимизация процессов отделения и очистки промежуточных веществ.
На первом этапе с помощью серной кислоты и бромидов удалось преобразовать целлюлозу в BMF при атмосферном давлении. Использование двух несмешивающихся жидкостей позволило быстро отделить образовавшееся промежуточное вещество, что помогло предотвратить образование ненужных побочных продуктов.
В результате выход BMF достиг 82%. Производительность оказалась более чем в 3 раза выше, чем у аналогичных процессов, о которых сообщалось ранее, а в реакторе объемом 10 л удалось обеспечить выход на уровне 73–79%. Потребление галогеносодержащих веществ сократилось более чем в 30 раз по сравнению с существующими процессами на основе соляной кислоты.
Затем был реализован процесс преобразования BMF в AMF при комнатной температуре 25 °C. В реакторе объемом 1 л был достигнут выход более 95% за один проход, а после 15 циклов повторной эксплуатации с регенерацией ионообменной смолы, выполняющей роль катализатора, выход сохранился на уровне 97%.
Наконец, AMF подвергали окислению без отдельной очистки, что позволило получить FDCA чистотой более 99%.
Выход FDCA по всему процессу составил до 56,8% по целлюлозе и 45,5% по опилкам. По целлюлозе этот показатель превышает 32,7%, о которых в 2022 году сообщили исследователи из Университета Гронингена (Нидерланды).
Также были подтверждены экологические преимущества.
Совместная исследовательская группа, проводившая данное исследование. Из POSTECH: аспирант Квон Ги Хён (в нижнем ряду слева по часовой стрелке); аспирант Ю Чжи Юн; профессор Хан Чжи Хун. Из KRICT: старший научный сотрудник Ким Чжи Хун, старший научный сотрудник Ом Ин Ён, научный сотрудник Ли Ма Ым, старший научный сотрудник Хван Дон Вон [Предоставлено Корейским институтом химических исследований]
В результате оценки «полного жизненного цикла», основанной на моделировании технологического процесса, было установлено, что выбросы парниковых газов при производстве 1 кг FDCA составляют 2,77 кг в пересчете на диоксид углерода. Это примерно на 60 % меньше, чем 6,91 кг при использовании традиционного процесса-эталона на основе пищевого сахара. Также было показано, что потребление ископаемых ресурсов сокращается на 47,9%.
Однако такие экологические эффекты являются результатом анализа, основанного на моделировании технологического процесса, а не на измерениях, проведенных на реальных, крупномасштабных производственных объектах.
В настоящее время исследовательская группа в сотрудничестве с Министерством промышленности, торговли и ресурсов Южной Кореи готовит проект по созданию демонстрационной установки, рассчитанной на годовой объем производства более 1000 тонн. Ожидается, что после проведения испытаний в режиме крупномасштабной непрерывной эксплуатации и проверки экономической эффективности практическое внедрение станет возможным после 2030 года.
«Это достижение заключается в повышении эффективности на каждом этапе производства сырья для пластика с использованием древесной биомассы вместо пищевых ресурсов» - сказал ведущий научный сотрудник KRICT Хван Дон Вон.
Результаты данного исследования опубликованы в ноябрьском номере международного научного журнала «Chemical Engineering Journal».
Комментарии