Un equipo de investigación interdisciplinario liderado por Gregg Beckham, un líder de grupo e ingeniero senior de las Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), tiene desarrollado un proceso amigable con el medio ambiente para convertir la biomasa en "acrilonitrilo", un compuesto clave en la fabricación de fibra de carbono.

La demanda de fibra de carbono ha aumentado significativamente a medida que los fabricantes han comenzado a buscar formas de aligerar todo, desde bicicletas hasta aviones a reacción.

La fibra de carbono es cinco veces más fuerte que el acero, dos veces más rígida y mucho más ligera. Esto lo convierte en un material ideal para sustituir metales pesados ​​como el acero. Desafortunadamente, si bien el uso de fibra de carbono en la fabricación de vehículos los hace más eficientes en el consumo de combustible, la síntesis del acrilonitrilo necesario para la fabricación de fibra de carbono implica procesos que no son respetuosos con el medio ambiente.

El acrilonitrilo es un producto químico común, que se sintetiza utilizando propileno, un derivado del petróleo, en combinación con amoníaco, oxígeno y un catalizador complejo.

Además del uso de productos derivados del petróleo, el proceso de fabricación actual empleado para sintetizar acrilonitrilo es perjudicial para el medioambiente porque produce subproductos tóxicos como el cianuro de hidrógeno y es altamente exotérmico (produce calor). Los catalizadores necesarios para la producción de acrilonitrilo también son relativamente caros y sus mecanismos de acción aún no se conocen bien.

Estas preocupaciones ambientales y financieras son precisamente las que los investigadores intentan resolver. Su investigación ha demostrado que la conversión biomasa lignocelulósica - un término científico que se refiere a la materia vegetal compuesta de celulosa, hemicelulosa y lignina - en acrilonitrilo podría algún día ser un proceso más ambiental y financieramente racional en la fabricación de fibra de carbono.

El proceso desarrollado por los investigadores implica derivar azúcares de materiales de desecho de plantas y convertirlos en un compuesto conocido como ácido 3-hidroxipropiónico o 3-HP. Se utiliza un catalizador simple para realizar la nitrilación, que convierte 3-HP en acrilonitrilo.

El catalizador utilizado en este proceso es menos costoso que el catalizador utilizado en la síntesis tradicional de acrilonitrilo. Además, el nuevo método no requiere derivados del petróleo para fabricar, producir ácido cianhídrico o generar calor excesivo, lo que lo hace potencialmente más ecológico que el método tradicional.

"Vemos esto como una alternativa potencialmente interesante para fabricar fibra de carbono y otros materiales a base de acrilonitrilo como las fibras acrílicas para ropa, LEGO, etc., de fuentes biológicas en lugar de petróleo", dijo Beckham. "Tenemos la esperanza de que la tecnología de nitrilación pueda ofrecer un enfoque alternativo con algunos beneficios potenciales (sin subproductos tóxicos, mayores rendimientos y catalizadores más simples) en relación con el proceso basado en petróleo para producir acrilonitrilo en la actualidad".

Le tomó a los investigadores casi dos meses y varios millones de horas de CPU en Stampede1, una supercomputadora desplegada y mantenida por el Centro de Computación Avanzada de Texas en la Universidad de Texas en Austin, para ilustrar la química de este nuevo proceso catalítico.

"Después del descubrimiento experimental inicial, queríamos hacer este trabajo rápidamente", dijo Beckham en un comunicado. “Stampede1 proporcionó una gran cantidad de ancho de banda para realizar estos costosos cálculos computacionales de densidad funcional de densidad computacional. "Fue rápido y fácil de usar y solo una gran máquina para hacer este tipo de cálculos, lo que nos permite dar vuelta al trabajo mecánico en solo unos meses".

¿Qué es lo siguiente?

Beckham y su equipo planean ampliar su trabajo para producir 50 kg de acrilonitrilo en la escala piloto. Harán esto en colaboración con la industria, dijo.

"Eso nos permitirá probar el componente de fibra de carbono de base biológica para comprender si las impurezas en el acrilonitrilo derivado de la biomasa afectarán a importantes propiedades de los materiales", dijo Beckham.

Los investigadores también desean expandir su operación utilizando el proceso que desarrollaron para fabricar compuestos distintos al acrilonitrilo para usos industriales. También están trabajando en el desarrollo de otros novedosos medios biológicos para sintetizar acrilonitrilo.

"Por ejemplo, estamos tratando de usar ácido láctico (que ya es un producto industrial de origen biológico) en lugar de ácido 3-hidroxipropiónico (que aún se encuentra en la fase de ampliación) como un compuesto intermedio que se puede derivar biológicamente" dijo Beckham.