Projekti / Programi
Katalitska pretvorba lignina v bio-osnovane polimerne gradnike z uporabo CO2 (CaLiBration)
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.04 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
Kataliza in reakcijsko inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
kataliza; pretvorba; lignin; bio-osnovanost; CO2
Raziskovalci (20)
Organizacije (3)
Povzetek
Povzetek raziskovalnega projekta
Biomasa je poleg CO2 edini obnovljiv ogljikov surovinski vir. Medtem ko se delež pridobljene obnovljive energije v celoti opazno veča, temu ni tako za različne ogljikove snovi/proizvode, ki predstavljajo temelje našega vsakodnevnega življenja, na primer plastike, smole, gume itd. Podatki kažejo celokupno zgolj majhno povečanje bio-osnovanega deleža pri kemijski industriji v EU28, in sicer od 6 % v 2008 do 7% v 2015. Slednje je posledica dejstva, da biomasa težko tekmuje z različnimi neobnovljivimi surovinami (npr. nafto) pri proizvodnji razširjenih petrokemijskih spojin. Razlog je prav tako v tem, da nekatere izmed najbolj razširjenih bio-plastik, npr. bio-osnovana poli-mlečna kislina (PLA), niso neposredni nadomestki (»drop-in«), kar pomeni, da se bodo njihove uporabne lastnosti razlikovale, trgi niso dobro razviti, poleg tega pa potrošniki tudi niso dodobra osveščeni o njih. Po drugi strani pa bi imela proizvodnja nadomestnih bio-osnovanih spojin prednost v tem, da bi bila celotna veriga vrednosti že vzpostavljena od sestavnic (npr. polimerizacija) naprej, pa vse do trgov. Aromatske spojine z vezanimi skupinami, kot so na primer ftalne kisline, benzojska kislina itd., so v svetovnem merilu proizvedene v ogromnih odjemnih količinah, da bi s tem naslovili povpraševanje po poliestrih, poliamidih itd., ki še vedno zlagoma narašča.
Medtem ko se nekatere od teh pridobiva iz sladkorjev, je lignin, ki predstavlja občuten delež biomase, pregovorno podcenjen za razliko od ogljikovih hidratov. Slednji je še vedno pretežno sežgan, pa vendar so postopki razklopa lignina, pa tudi proizvodi, ki sledijo »najprej-lignin« pristopom k ločevanju ali odstranjevanju lignina v obstoječi papirni industriji, na sorazmerno visokih ravneh tehnološke zrelosti. Pa vendar ostaja ključen inženirski izziv, kako nadalje pretvoriti te snovne tokove onkraj enostavne uporabe kot bio-gorivo, kar pa je najbolj omejeno zaradi velike pestrosti aromatov. Slednja se zmanjša npr. z obdelavo z vodikom, a se še vedno ne more primerjati s sorazmerno čistimi tokovi pri predelavi nafte. Obdelava z vodikom pa posledično prav tako poslabša gospodarnost. Iz lignina izhajajoči aromatski gradniki imajo tako različne vezane skupine na celo do 4 ogljikovih atomih v obroču, t.j. hidroksilne, metoksilne, alkilne, alkenilne in druge.
CaLiBration cilja na naslavljanje aromatske pestrosti z razvojem dveh kemijskih pristopov, osnovanih na razklopljenih gradnikih lignina, ki jih bomo nadalje pretvorili: 1. Ftalne kisline s skupinami. 2. Benzojska kislina s skupinami.
V CaLiBration bomo uporabili več-ravenski, večstranski in več-disciplinaren inženirski pristop: 1. od trpežnih snovi za heterogeno katalizo do načrtovanja reaktorskih enot. 2. od ab initio atomističnega popisa reakcij do povezave z računsko dinamiko tekočin. 3. od reakcij benzena/fenolov do pretvorbe dejanskega olja pri pirolizi. 4. od priprave spojin do uporabe v končnih tržnih sestavnicah. 5. od pretvorb iz biomase izhajajočih vmesnih proizvodov do odkritij pretvorbenih poti za iz nafte izvirajoče aromate. 6. od kemijske reakcijske kinetike do upoštevanja termodinamičnih ravnotežij/prenosnih pojavov. 7. od poenostavljenih opisnih napovedi do visokozmogljivega računskega rešetanja katalizatorjev. 8. od majhnih praškastih katalizatorjev do stisnjenih zrnatih snovi, odpornih na strig.
CaLiBration tako prvenstveni cilja na razvoj katalizatorjev, reakcij in postopkov za bio-osnovane aromatske spojine z uporabo zajetega CO2. Razvili bomo heterogene katalitske snovi, pri čemer bomo ciljali na širše izzive cepitve obstojnih vezi (npr. CO2). Uporabili bomo ab initio popise za obsežno rešetanje snovi, vrednotenje reakcijskih poti, ne nazadnje pa tudi več-ravensko izboljševanje postopkov. Katalizatorji bodo osnovani na oplaščenih ogljikovih podlagah (npr. grafenu) z nanesenimi skupki Lewisovih kislin/žlahtnih kovin (na primer paladijem, rodijem, rutenijem itd.).
Pomen za razvoj znanosti
Pomen za razvoj znanosti oziroma stroke
Projekt CaLiBration naslavlja pripravo, izboljšavo in vgradnjo bio-osnovanih spojin, ki so razpoznane kot eden izmed temeljev kemijske industrije. Kot tak je popolnoma poravnan s Slovensko Strategijo Pametne Specializacije, in sicer Mrežami za prehod v krožno gospodarstvo, ki bio-gospodarstvo zajemajo. Tudi omenjena ozelenitev gospodarstva je neposredno naslovljena, saj CaLiBration cilja na uporabi obnovljive surovine za pripravo tržnih proizvodov. Ta ta orisani namen uporablja prebojna inženirska orodja, npr. več-ravensko modeliranje postopkov.
Odsek na KI, ki predlaga CaLiBration, je prvi razvil več-nivojski popis postopkov tudi za bolj zahtevne spojine, glede tega pa je prav tako oddal dve patentni prijavi, pa tudi pripravil številne znanstvene članke. Vsebina CaLiBration je pomembna, ker po eni strani razvoja pripravlja novo inženirsko orodje, več-ravensko sklopljeno modeliranje, poleg tega pa tudi poti za uporabo CO2, pri kateri bomo dobili karboksilirane aromatske snovi iz lignina. Omenjeno tudi tlakuje pot zelene kemije, s tem pa tudi bolj gospodarske bio-rafinacije oziroma predelave (biomase).
Kljub temu, da CaLiBration znotraj področja procesov in tehnologij tako najbolj ustreza tehnologijam bio-osnovanih zelenih kemikalij in materialov, kar se odraža tudi v porazdelitvi samih nalog, je precej dobro skladnost moč začrtati tudi z drugimi. Postopki pridelave in predelave polimerov se tako navezujejo na dejavnost, ki bo izvedena proti koncu predlaganega projekta. Biotehnološko proizvedene spojine se nanašajo na nekatere vhodne surovine, predvsem določene izbrane bio-osnovane aromatske spojine. Izboljšana proizvodna oprema z vodenjem je povezana predvsem s pripravo bio-osnovanih spojin, kjer bo izboljšan tudi sam postopek (oprema/vodenje) priprave. Omenjeno se vsekakor odslikava v trenutnih smernicah kemijskega reakcijskega inženirstva. Izroček CaLiBration bodo proizvodi na tradicionalnih trgih papirne in papirno–predelovalne industrije, tekstilne industrije, avtomobilske industrije, industrije polimerov, lepil in premazov. Priložnosti na področju je vsekakor moč videti.
Pomen za razvoj Slovenije
Relevance to the development of science or a scientific field
The CaLiBration project addresses the preparation, improvement and incorporation of bio-based compounds that are identified as one of the foundations of tomorrow’s chemical industry. As such, it is also completely aligned with the Slovenian Smart Specialisation Strategy, namely the Networks for the transition into circular economy, which includes bio-economy. The mentioned greening of the economy is also directly addressed, since CaLiBration aims to use the renewable raw materials for the preparation of end-user market products.
The department of the NIC, which proposes CaLiBration, was the first to develop a multi-scale process modelling for more complex compounds, while it also submitted two patent applications, as well as prepared a number of scientific articles. The content of CaLiBration is important because, on one hand, it develops a new engineering tool, and on the other, also discovers the routes for the use of CO2, in which we get the carboxylated aromatic substances from lignin. This also paves the way for green chemistry and bio-refining/processing.
Despite the fact that CaLiBration, in the field of processes and technologies, best suits the technologies for bio-based green chemicals and materials, which is also reflected in the distribution of the tasks themselves, it is also quite fitting with other emerging ones. Polymer production and processing thus relates to activity that will be carried out towards the end of proposed project. Biotechnologically-produced compounds refer to certain input materials, in particular selected bio-based aromatic compounds. The improved production equipment with control is mainly related to the preparation of bio-based compounds, where the process (equipment/control) of preparation will be improved as well. This is certainly reflected in the current trends in chemical reaction engineering. The CaLiBration deliverables will be addressing the traditional markets of the paper and paper-processing industry, the textile industry, the automotive industry, the polymer industry, the adhesives and coatings industry, respectively.
