Once a Fossil Fuel Product, Now from a Renewable Resource
“Propylene glycol has been used in a broad range of consumer products for decades, from foodstuffs to antifreezes,” says AlanZacher, a chemical engineer at the Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Richland, Wash. “As a compound derived from petroleum products, it’s so widely used that more than 900,000 metric tons of petroleum resources are consumed in its worldwide production each year.”
In the mid 1990s, Zacher was part of a PNNL team exploring ways to produce propylene glycol (PG) from a renewable biomass source — the simple corn sugar sorbitol — in an intensive research partnership with several private organizations. Sorbitol is one of a number of plant-based sugars — compounds like glucose, xylose and glycerol (also known as glycerin) — that were candidates for developing PG compounds.
If a substance found in both foods and antifreeze sounds off-putting, whether from petroleum or bioalternatives, be assured that there are two types of propylene glycol — PG-I, the industrial grade, and USP, a grade tailored for human use and in line with U.S. Food and Drug Administration standards. USP stands for U.S. Pharmacopoeia, a compendium of government standards.
“As a consequence of this work,” Zacher notes, “our industrial partner, Archer Daniels Midland [ADM], opened a new plant in Decatur, Ill., last year to produce PG-I and USP PG from a byproduct of biodiesel fuel, a renewable product itself.
“This is important,” he says. “Biobased PG has the potential to play a big role in reducing our level of oil consumption.”
Advancing Energy Capacity, Lowering Greenhouse Emissions, Corn
One of 10 U.S. Department of Energy National Laboratories, PNNL engages in research and development for the Departments of Energy and Homeland Security, the National Nuclear Security Administration and other government and private organizations. Its mission includes the pursuit of new technologies for increasing American energy capacity, lowering dependence on imported oil and reducing the environmental impact of energy use.
“The PG project grew out of discussions with NCGA, the National Corn Growers Association,” notes Eric C. Lund, Ph.D., technology commercialization manager at PNNL. “They were interested in looking for new commercial outlets for corn. Since they don’t have their own research capabilities, they approached us.
“PNNL has long-standing research programs directed toward producing chemicals from renewable sources,” he says. “We were intrigued by the possibilities, so we entered into a partnership with them.” Subsequently, ADM joined the project.
He adds: “This has been a textbook example of the advantages of well-designed public/private partnerships for public benefit.”
Seeking a Catalyst
Notes organic chemist Paul Bloom, Ph.D., business director of industrial chemicals at ADM, “The concept itself of creating propylene glycol from renewable sources is not that new. Scientists at the University of Wisconsin demonstrated its feasibility as early as the 1930s, but they couldn’t produce it in a way that was economical for commercial production.” ADM’s Evolution Chemicals Division has been looking for ways to produce biobased PG for at least 20 years, he adds, but the catalysts — the agents for producing it economically and up to quality standards — had never been identified.
That was the challenge facing Zacher and his colleagues at PNNL — research chemist John Frye, Jr., and project manager Todd Werpy, Ph.D. In addition to NCGA support, funding for this phase was provided through grants from the U.S. Department of Energy Office of Biomass Programs.
“John is some kind of creative genius,” Zacher says. “You give him a problem, and he gets really quiet for a long while. Then he gets this look in his eyes and starts weaving a compelling story with a direction and catalysts we should pursue. Then we’d go from there. The two-fold breakthrough was finding catalysts for taking both sorbitol and glycerol to propylene glycol.”
The central issue is getting a catalyst to cut only the right places in molecules that make up simple sugar variations like sucrose, sorbitol, dextrose and glycerol. They’re all fairly similar — in Zacher’s description: “Carbon atoms in a row, with an oxygen hanging off of most of them.”
Selective Simple Chemistry
“Converting glycerol into PG is simple chemistry,” Zacher says. “You snip off only a single OH group. But you have to do it selectively to make the process efficient and economical. The trick is finding the right catalyst — a finely tuned pair of chemical scissors to cut only the right bonds. The result is propylene glycol, water and a few byproducts.”
The right catalyst is essential because other catalysts and processes can make PG, but not cheaply enough to make commercial production feasible. The conversion process also produces a few byproducts, such as ethylene glycol, so the next step is to filter out those compounds to create pure PG.
“The PNNL team came up with a novel set of catalysts that enormously improved the capabilities to do this,” Bloom says. “That was the key. From there, we used their findings to scale up a technology for commercial production.”
The Biodiesel Factor
Preceding the development of biobased PG was the broad effort in the 1990s to replace petroleum products with fuels from renewable sources, such as ethanol as a supplement for gasoline. A prime target was a biobasedreplacement for diesel fuel. Because diesel yields better mileage than comparable gasoline engines, it has long been popular for long-distance transportation — more than 90 percent of freight is shipped in diesel-powered trucks, trains and boats.
Its popularity presented an opening for development of biodiesel alternatives produced from soy and other oily plant and animal sources. According to the National Biodiesel Board, an industry trade group, some 112 million gallons of biodiesel were sold in the United States in 2005; with some 150 biodiesel plants in operation in 2011, the figure was 1.1 billion gallons.
And, biodiesel production has a byproduct — the sweet, colorless, syrup-like liquid called glycerol.
“The early 2000s led to a ‘glut’ of glycerol research,” Zacher notes. “People thought biodiesel would saturate the glycerol market. A ‘free’ feedstock makes every idea look economical, but it turned out that glycerol was never going to be free. Only economically sensible ideas would prevail.”
Flexible Feedstocks
The PNNL/ADM team did better. PNNL’s initial focus was a catalyst that would make PG from sorbitol, but it turned out it could make PG out of glycerol as well. ADM joined the project, both in research and funding, with an immediate goal of developing a formula that would enable commercialization. They ended up working on the glycerol byproduct from biodiesel.
“The ADM team participated in additional collaborative work to improve the technology,” Lund notes, “and once they felt it would be commercially deployable, we entered into a licensing agreement with the company in 2006 granting them rights to manufacture propylene glycol.”
Adds Bloom: “We went with glycerol as our initial starting point but we approached the research targeting a number of potential sources, including corn sugars. Our goal for the long-term is to be able to work with flexiblefeedstocks — not just glycerol but also multiple carbohydrates including sucrose, dextrose, carbohydrates, corn stover and other cellulosic feedstocks.”
Measurable Contributions
ADM’s new Decatur facility opened in phases. The plant began production of glycerol in 2009, limited production of industrial-grade PG in 2010, continuous PG-I production in March 2011 and USP production in November 2011. The new plant has an annual production capacity of 100,000 metric tons.
“This product and process follows the principles of green chemistry,” Bloom says. “It not only reduces the demand for petroleum feedstocks, our independently reviewed Lifecycle Analysis indicates that it has a 61 percent greenhouse gas reduction compared to petroleum-based PG.” He notes that ADM propylene glycol meets American Society for Testing and Materials standards for 100 percent biobased renewable carbon content and meets the standards for the U.S.D.A. BioPreferred program.
“To our knowledge,” he says, “this is the first facility in the world manufacturing biobased propylene glycol that meets industry specifications for USP.”
In March 2012, Zacher was named PNNL’s Inventor of the Year for 2011, a recognition of his contributions, including more than 20 U.S. patents, plus another 20 overseas. All but one have been for renewable products and solvents. Zacher, Frye and Werpy have also all been named Battelle Distinguished Inventors, a recognition awarded by Battelle, the organization that manages PNNL for the Department of Energy.
“My approach is a love of problem-solving, overcoming challenges,” Zacher says. “As a scientist and engineer, I start from other people’s ideas, great ideas and figure out how to make them work.
“And,” he adds, “I’ve always wanted to be able to drive by a plant and say, ‘That’s something I’ve had a part in.’”
– Ralph Fuller
For more information about how PG is being used in consumer products visit the ADM website.
.
Propylene Glycol: A Universal Product
Propylene glycol is one of those omnipresent things in modern life that’s practically everywhere — and that few of us are aware of. Historically derived from petroleum, PG is found in products ranging from aircraft de-icers and fiberglass resins to foods and cosmetics.
Among its uses: It lowers the freezing point in antifreezes, helps control the drying times in paints, makes foods and toothpastes moister, serves as a solvent in medications, constitutes the main ingredient in deodorant sticks, creates artificial smo
เมื่อเชื้อเพลิงฟอสซิลผลิตภัณฑ์ จากทรัพยากรทดแทน"โพรพิลีน glycol ใช้ในสินค้าอุปโภคบริโภคที่หลากหลายสำหรับทศวรรษ จากของกินจะ antifreezes กล่าวว่า AlanZacher วิศวกรเคมีที่แปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือชาติปฏิบัติ (PNNL) ใน Richland, Wash. " เป็นสารประกอบที่มาจากผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม มันถูกใช้อย่างกว้างขวางว่า กว่า 900000 ตันทรัพยากรปิโตรเลียมมีใช้ในการผลิตทั่วโลกแต่ละปี "ในกลางปี 1990, Zacher เป็นส่วนหนึ่งของทีม PNNL สำรวจวิธีการผลิตโพรพิลีน glycol (PG) จากแหล่งทดแทนชีวมวล — ชนิดน้ำตาลข้าวโพดอย่าง — การร่วมวิจัยเร่งรัดกับองค์กรเอกชนต่าง ๆ ซอร์บิทอลเป็นหนึ่งในจำนวนพืชใช้น้ำตาลซึ่งสารประกอบเช่นกลูโคส xylose และกลีเซอร (หรือที่เรียกว่ากลีเซอรีน) — ที่มีผู้สมัครสำหรับการพัฒนาสาร PGถ้าเป็นสารที่พบในอาหารและสารเสียง off-putting ว่าจากปิโตรเลียมหรือ bioalternatives มั่นใจได้ว่า มีอยู่สองชนิดของโพรพิลีน glycol — PG-ฉัน เกรดอุตสาหกรรม และ USP เกรดที่เหมาะสำหรับมนุษย์ และ ตามมาตรฐานสหรัฐอเมริกาอาหารและยา USP ยืนสำหรับสหรัฐอเมริกา Pharmacopoeia ย่อมาตรฐานรัฐบาล "เป็นลำดับงานนี้ หมายเหตุ Zacher, " อุตสาหกรรมบริษัท คอร์ปอร์เรแดเนียลอาร์เชอร์ [ADM], เปิดโรงงานใหม่ในดีเคเตอร์ Ill. ปีผลิต PG-ฉันและ PG USP จากจิตสำนึกของไบโอดีเซลเชื้อเพลิง ผลิตภัณฑ์ทดแทนตัวเอง"นี้เป็นสำคัญ เขากล่าวว่า "Biobased PG มีศักยภาพในการเล่นเป็นบทบาทในการลดระดับของปริมาณการใช้น้ำมัน"ความก้าวหน้าการผลิตพลังงาน การลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก ข้าวโพดหนึ่ง 10 สหรัฐฯ แผนกของพลังงานห้องทดลองระดับชาติ PNNL เกี่ยวในการวิจัยและพัฒนาแผนกพลังงาน และความ ปลอดภัยของโฮมแลนด์ ดูแลความปลอดภัยนิวเคลียร์แห่งชาติอื่น ๆ รัฐบาล และองค์กรเอกชน ภารกิจรวมถึงการแสวงหาเทคโนโลยีใหม่ ๆ เพื่อเพิ่มกำลังการผลิตพลังงานอเมริกัน ลดการพึ่งพานำเข้าน้ำมัน และลดผลกระทบสิ่งแวดล้อมของการใช้พลังงาน"โครงการ PG ที่เกิดขึ้นจากการสนทนากับ NCGA สมาคมเกษตรกรแห่งชาติของข้าวโพด หมายเหตุ Eric C. ลุนด์ Ph.D. ผู้จัดการฝ่าย commercialization เทคโนโลยีที่ PNNL นี้ "พวกเขาได้สนใจในการค้นหาร้านค้าใหม่สำหรับข้าวโพด เนื่องจากพวกเขาไม่มีความสามารถในการวิจัยของตนเอง พวกเขาเวลาเรา"PNNL มีโดยตรงต่อการผลิตสารเคมีจากแหล่งทดแทนโปรแกรมวิจัยที่ยาวนาน เขากล่าวว่า "เราได้ประหลาดใจ โดยไป ดังนั้นเราเข้าร่วมกับพวกเขา" ในเวลาต่อมา ADM เข้าร่วมโครงการเขาเพิ่ม: "นี้ได้รับตัวอย่างตำราประโยชน์ของสาธารณะ/ส่วนตัวร่วมมือที่ดีเพื่อประโยชน์สาธารณะ" ไม่มีเศษหมายเหตุนักเคมีอินทรีย์ Paul บลูม Ph.D. ผู้อำนวยการธุรกิจเคมีภัณฑ์อุตสาหกรรมที่ ADM "แนวคิดการสร้างเอทิโพรพิลีนจากแหล่งทดแทนตัวเองไม่ได้ที่ใหม่ นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซินแสดงความความเป็นไปได้ก่อนเป็นสิบ ๆ แต่พวกเขาไม่สามารถผลิตในลักษณะที่ประหยัดสำหรับการผลิตเชิงพาณิชย์" แผนกเคมีภัณฑ์ของ ADM วิวัฒนาการมีการหาวิธีการผลิต biobased PG น้อย 20 ปี เขาเพิ่ม แต่สิ่งที่ส่งเสริมการ — ตัวแทนในการผลิตอย่างประหยัด และ ได้คุณภาพมาตรฐานซึ่งมีระบุไม่ที่มีความท้าทายที่เผชิญ Zacher และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ PNNL — วิจัยนักเคมีจอห์น Frye จูเนียร์ และโครงการจัดการทอดด์ Werpy ปริญญาเอก นอกจากการสนับสนุน NCGA ทุนสำหรับขั้นตอนนี้ให้ผ่านเงินช่วยเหลือจากสหรัฐอเมริกากรมของพลังงานของชีวมวลโปรแกรม OfficeZacher กล่าวว่า "จอห์นเป็นชนิดบางส่วนของอัจฉริยะความคิดสร้างสรรค์," "คุณให้เขามีปัญหา และเขาได้รับจริง ๆ เงียบระยะยาว จากนั้นเขาได้รับลักษณะนี้ในสายตาของเขา และเริ่มทอผ้าเรื่องราวน่าสนใจกับทิศทางและสิ่งที่เราควรดำเนินการส่งเสริม แล้ว เราจะไปจากที่นั่น ความก้าวหน้า 2 พับได้หาสิ่งที่ส่งเสริมการใช้ซอร์บิทอลและกลีเซอร glycol โพรพิลีน"ปัญหากลางจะได้รับเศษตัดเฉพาะสถานเหมาะในโมเลกุลที่ประกอบขึ้นรูปง่ายน้ำตาลซูโครส ซอร์บิทอล ขึ้น และกลีเซอร พวกเขากำลังทั้งหมดค่อนข้างคล้ายกันในคำอธิบายของ Zacher: "คาร์บอนอะตอมในแถว กับออกซิเจนลอยออกจากส่วนใหญ่ของพวกเขา"เคมีใช้ง่ายZacher กล่าวว่า "แปลงกลีเซอรเป็น PG เป็นเคมีเรื่อง "คุณตัดออกเฉพาะเป็น OH กลุ่มเดียวกัน แต่คุณต้องเลือกเพื่อทำให้กระบวนการมีประสิทธิภาพ และประหยัด เคล็ดลับคือหาเศษขวา — คู่ประณีตจากเคมีกรรไกรตัดเฉพาะพันธบัตรเหมาะสม ผลคือ โพรพิลีน glycol น้ำ และสารบางอย่าง"เศษขวาเป็นสำคัญ เพราะสิ่งที่ส่งเสริมและกระบวนการอื่น ๆ สามารถทำ PG แต่เทปไม่เพียงพอสำหรับการผลิตเชิงพาณิชย์เป็นไปได้ กระบวนการแปลงป้ายกี่พลอย เช่นเอทิลีน glycol ดังนั้นขั้นตอนถัดไปคือการ กรองสารเหล่านั้นเพื่อสร้าง PG. บริสุทธิ์บลูมกล่าวว่า "ทีม PNNL มากับนวนิยายชุดของสิ่งที่ส่งเสริมที่ปรับปรุงความสามารถนี้ไป "ที่ได้คีย์ จาก เราใช้ผลการวิจัยของพวกเขาในการปรับเทคโนโลยีในการผลิตเชิงพาณิชย์"ตัวไบโอดีเซลก่อนการพัฒนา biobased PG ได้พยายามออกกำลังกายในปี 1990 จะแทนผลิตภัณฑ์น้ำมันเชื้อเพลิงจากแหล่งทดแทน เช่นเอทานอลเป็นอาหารเสริมสำหรับน้ำมัน เป้าหมายสำคัญคือ biobasedreplacement สำหรับน้ำมันดีเซล เนื่องจากดีเซลทำให้ระยะทางที่ดีกว่าเครื่องยนต์เบนซินเทียบ มันได้ยอดนิยมสำหรับการขนส่งทางไกลซึ่งกว่าร้อยละ 90 ของการขนส่งจัดรถบรรทุกดีเซลขับเคลื่อน รถไฟ และเรือนิยมนำเสนอการเปิดสำหรับการพัฒนาทางเลือกไบโอดีเซลที่ผลิตจากถั่วเหลือง และมันพืช และสัตว์แหล่งอื่น ๆ คณะไบโอดีเซลแห่งชาติ กลุ่มการค้าอุตสาหกรรม 112 ล้านแกลลอนบางของไบโอดีเซลที่ขายในสหรัฐอเมริกาในปี 2005 กับบาง 150 พืชไบโอดีเซลในการดำเนินงานในปี 2011 รูป 1.1 พันล้านแกลลอนและ ผลิตไบโอดีเซลมีพลอย – ของเหลวหวาน ไม่มีสี เหมือนน้ำที่เรียกว่ากลีเซอร"ช่วง 2000s นำไป 'glut' ของกลีเซอรวิจัย หมายเหตุ Zacher "คนที่คิดว่า ไบโอดีเซลจะทำตลาดกลีเซอร ทำให้วัตถุดิบ 'ฟรี' ดูทุกความคิดประหยัด แต่มันเปิดออกที่กลีเซอรก็ไม่เคยไปได้ฟรี เพียง ความคิดอย่างเหมาะสมจะเหนือกว่ากัน"วมวลยืดหยุ่นทีม PNNL/ADM ไม่ได้ดีขึ้น โฟกัสเริ่มต้นของ PNNL ถูกเศษให้ PG จากซอร์บิทอล แต่จะเปิดออกก็สามารถทำให้ PG จากกลีเซอรเช่น ADM เข้าร่วมโครงการ ทั้ง ในการวิจัยและการจัดหาเงินทุน มีเป้าหมายทันทีการพัฒนาสูตรที่จะเปิดใช้งาน commercialization พวกเขาสิ้นสุดขึ้นการทำงานกับจิตสำนึกกลีเซอรจากไบโอดีเซล"ทีม ADM เข้าร่วมในการทำงานร่วมกันเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงเทคโนโลยี หมายเหตุลุนด์ "และเมื่อพวกเขารู้สึกว่า มันจะพยายาม deployable เราใส่เข้าไปในข้อตกลงการอนุญาตให้ใช้สิทธิ์กับบริษัทใน 2006 ให้สิทธิในการผลิตโพรพิลีน glycol"Adds Bloom: “We went with glycerol as our initial starting point but we approached the research targeting a number of potential sources, including corn sugars. Our goal for the long-term is to be able to work with flexiblefeedstocks — not just glycerol but also multiple carbohydrates including sucrose, dextrose, carbohydrates, corn stover and other cellulosic feedstocks.”Measurable ContributionsADM’s new Decatur facility opened in phases. The plant began production of glycerol in 2009, limited production of industrial-grade PG in 2010, continuous PG-I production in March 2011 and USP production in November 2011. The new plant has an annual production capacity of 100,000 metric tons.“This product and process follows the principles of green chemistry,” Bloom says. “It not only reduces the demand for petroleum feedstocks, our independently reviewed Lifecycle Analysis indicates that it has a 61 percent greenhouse gas reduction compared to petroleum-based PG.” He notes that ADM propylene glycol meets American Society for Testing and Materials standards for 100 percent biobased renewable carbon content and meets the standards for the U.S.D.A. BioPreferred program. “To our knowledge,” he says, “this is the first facility in the world manufacturing biobased propylene glycol that meets industry specifications for USP.”In March 2012, Zacher was named PNNL’s Inventor of the Year for 2011, a recognition of his contributions, including more than 20 U.S. patents, plus another 20 overseas. All but one have been for renewable products and solvents. Zacher, Frye and Werpy have also all been named Battelle Distinguished Inventors, a recognition awarded by Battelle, the organization that manages PNNL for the Department of Energy. “My approach is a love of problem-solving, overcoming challenges,” Zacher says. “As a scientist and engineer, I start from other people’s ideas, great ideas and figure out how to make them work.“And,” he adds, “I’ve always wanted to be able to drive by a plant and say, ‘That’s something I’ve had a part in.’”– Ralph Fuller For more information about how PG is being used in consumer products visit the ADM website. . Propylene Glycol: A Universal ProductPropylene glycol is one of those omnipresent things in modern life that’s practically everywhere — and that few of us are aware of. Historically derived from petroleum, PG is found in products ranging from aircraft de-icers and fiberglass resins to foods and cosmetics.Among its uses: It lowers the freezing point in antifreezes, helps control the drying times in paints, makes foods and toothpastes moister, serves as a solvent in medications, constitutes the main ingredient in deodorant sticks, creates artificial smo
การแปล กรุณารอสักครู่..