在俄勒岡州立大學的合作夥伴和LanzaTech公司的碳回收專家的幫助下，美國能源部西北太平洋國家實驗室正在擴大將來自可再生或工業廢氣的酒精轉化為噴氣或柴油燃料的專利工藝。兩項關鍵技術為高能效的燃料生產裝置提供支持。
單一步驟的化學轉換簡化了目前的多步驟過程。PNNL獲得專利的新催化劑將生物燃料（乙醇）直接轉化為一種叫做正丁烯的多功能”平台”化學品。一個微通道反應器的設計進一步降低了成本，同時提供了一個可擴展的模塊化處理系統。
觀看PNNL專利的催化劑，結合獨特的微通道反應器如何將乙醇轉化為具有多種商業用途的有用化學品，包括噴氣燃料。
這一新工藝將為將可再生和廢棄的乙醇轉化為有用的化學品提供一個更有效的途徑。目前，正丁烯是利用能源密集型的裂解或分解大分子的方式從化石原料中生產出來的。這項新技術通過使用可再生或回收的碳原料來減少二氧化碳的排放。使用可持續衍生的正丁烯作為起點，現有的工藝可以進一步提煉這種化學品，用於多種商業用途，包括柴油和噴氣燃料以及工業潤滑油。
“生物質是一種具有挑戰性的可再生能源來源，因為它的成本很高。此外，生物質的規模促使人們需要更小的分佈式加工廠，”最初研究的共同主要調查者Vanessa Dagle說，該研究發表在ACS催化雜誌上。”我們已經降低了工藝的複雜性並提高了效率，同時降低了資本成本。一旦模塊化、規模化處理得到證明，這種方法為本地化、分佈式能源生產提供了一個現實的選擇。”
微型到微型噴氣燃料
在邁向商業化的過程中，PNNL正在與俄勒岡州立大學的長期合作者合作，將獲得專利的化學轉化過程整合到使用新開發的3D打印技術建造的微通道反應器中。三維打印也被稱為增材製造，它使研究團隊能夠創建一個褶皺蜂窩狀的微型反應器，大大增加了可用於反應的有效表面積與體積比。
“使用新的多材料增材製造技術，在一個工藝步驟中結合製造微通道和高表面積的催化劑支撐物的能力，有可能大大降低這些反應器的成本，”OSU首席研究員Brian Paul說。”我們很高興能與PNNL和LanzaTech公司合作開展這項工作”。
Robert Dagle拿着一小瓶由生物質轉換產生的燃料
“這項研究的共同主要研究者Robert Dagle說：”由於最近微通道製造方法的進步和相關成本的降低，我們相信現在是將這項技術用於新的商業生物轉化應用的時候了。
微通道技術將使商業規模的生物反應器能夠建在大多數生物質生產的農業中心附近。使用生物質作為燃料的最大障礙之一是需要將其長途運輸到大型集中生產廠。
“模塊化設計減少了部署一個反應器所需的時間和風險，”Robert Dagle說。”隨着需求的增長，模塊可以逐漸增加。我們把這稱為通過編號擴大規模”。
四分之一商業規模的測試反應器將使用與OSU合作開發的方法通過3D打印生產，並將在PNNL的華盛頓州里奇蘭校區運行。
微通道技術
微通道迷你反應器大大提高了生物燃料化學轉化的效率
一旦測試反應器完成，PNNL的商業夥伴LanzaTech公司將提供乙醇，為該工藝提供原料。LanzaTech公司的專利工藝將鋼鐵製造、煉油和化工生產等行業產生的富碳廢物和殘留物，以及林業和農業殘留物和城市垃圾氣化產生的氣體轉化為乙醇。
該測試反應器每天將消耗相當於半干噸生物質的乙醇。LanzaTech已經擴大了PNNL的第一代乙醇噴氣燃料生產技術的規模，並成立了一家新公司LanzaJet，以實現LanzaJet酒精噴氣燃料的商業化。目前的項目代表了精簡該工藝的下一步，同時從正丁烯中提供額外的產品流。
LanzaTech首席執行官Jennifer Holmgren說：”PNNL在開發乙醇轉噴氣技術方面一直是一個強有力的合作夥伴，LanzaTech的分拆公司LanzaJet正在開發中的多個工廠中使用該技術。乙醇可以來自各種可持續的來源，因此是一種越來越重要的可持續航空燃料的原材料。這個項目顯示了替代反應器技術的巨大前景，它可以為航空業脫碳的這一關鍵途徑帶來好處。”
一個可調整的過程
自從他們的早期實驗以來，該團隊一直在繼續完善這一過程。當乙醇通過支撐在二氧化硅上的固體銀氧化鋯催化劑時，它會進行基本的化學反應，將乙醇轉化為正丁烯，或者在對反應條件進行一些修改後轉化為丁二烯。
但更重要的是，經過長時間的研究，該催化劑保持穩定。在一項後續研究中，研究小組表明，如果催化劑失去活性，它可以通過一個簡單的程序進行再生，以去除焦炭，這是一種可能隨着時間推移而形成的硬碳基塗層。一種更有效的、最新的催化劑配方將被用於擴大規模。
“我們發現了這種催化系統的概念，它具有高度的活性、選擇性和穩定性，”Vanessa Dagle說。”通過調整壓力和其他變量，我們還可以調整該系統，以生成丁二烯，一種合成塑料或橡膠的構件，或正丁烯，這適合於製造噴氣燃料或合成潤滑油等產品。自從我們最初發現以來，其他研究機構也開始探索這種新工藝。”