机会:经济高效地生产植物基丙二醇
在 2000 年代中期,美国领先的农业和食品加工公司 Archer Daniels Midland 试图将其业务扩展到生物燃料(如乙醇)和生物基加工化学品(包括 PG)的开发。
生物基 PG 具有与石油衍生的 PG 相同的化学成分,但由可再生的低碳原料生产,例如来自玉米、甘蔗、大豆或向日葵的糖醇。与基于石油的替代品相比,生物基 PG 减少了对石油的需求,增强了能源安全,并且对二氧化碳的影响更低。
科学家们早就知道如何从酒精和生物质中制造 PG,但转化过程会产生除 PG 之外的副产品和水。科学家们不知道如何控制 PG 与水/副产品的比例,而且通常会产生比 PG 多的水的不可预测性使得该过程过于昂贵而无法商业化。
ADM 需要一个在转化生物质方面具有科学专业知识的合作伙伴,以帮助他们开发具有商业可行性的工艺,该公司在太平洋西北国家实验室找到了该合作伙伴。
途径:机会发现
PNNL 与全国玉米种植者协会合作,正在探索山梨糖醇(一种通常用作糖替代品的玉米衍生糖醇)可用于生产 PG 的方法。在美国能源部生物能源技术办公室的资助下,资助项目取得了成功。该团队发现了一种催化剂,不仅可以从山梨糖醇,还可以从甘油有效地制造 PG。甘油是另一种糖醇,通常由大豆、棕榈油或牛脂制成。然而,甘油也是生物柴油生产的副产品。有了这一新发现,PNNL 理论上可以利用制造生物柴油产生的甘油,不仅可以阻止其浪费,而且可以有效地制造 PG。
PNNL 与 ADM 取得了联系,以探索扩大从甘油中生产用于工业目的的 PG 的过程。PNNL 带来了催化剂及其工程专业知识;ADM 为全面商业化提供了工业重点和生产技术。
突破:将实验室和行业专业知识结合在一起以制定解决方案
了解使甘油生产 PG 具有商业可行性的工业要求至关重要。ADM 和 PNNL 在该项目上密切合作,ADM 指定了 PG 与水的必要比例,而 PNNL 则利用其科学专业知识来改进催化剂。最后,他们能够产生令人梦寐以求的 1 个 PG 分子与 1 个水分子的比例。
然后,PNNL 通过使用 ADM 的玉米原料样品进一步改进了该过程,这些样品比之前在实验室中使用的更接近真实世界的原料。改进后的催化剂显着增加了转化为 PG 的甘油量——从之前的 40-60% 增加到近 90%。提高的速率和产量大大降低了生产成本,使其在商业规模上生产在经济上可行。
影响:扩大可再生生物质的经济和环境效益
由于 PNNL 和 ADM 之间的合作研究,该公司现在在伊利诺伊州迪凯特的制造工厂拥有一个全面的生产设施。该工厂拥有 140 名员工,每年可使用可再生资源生产 100,000 公吨 PG。ADM 使用或销售这种生物基产品,用于除冰剂、化妆品、宠物食品和药品等。
这种新的 PG 来源使 ADM 能够从可再生能源中生产出具有经济竞争力的 PG,该可再生能源符合美国测试与材料协会关于 100% 生物基可再生碳含量的标准。它还符合美国农业部 BioPreferred 标准,这是一项自愿性标签计划,可证明该 PG 是生物基的。
该项目获得了无数奖项,包括 R&D 100 奖、2010 年由 R&D 杂志授予的年度奖项以表彰最具创新性的技术、两项联邦实验室技术转让奖以及 2014 年的美国化学学会绿色化学奖。