特拉華大學的研究人員報告說，用低壓方法可以將工業加工的生物質轉化為塑料和化學品。如果我們希望幫助地球，我們需要更多的可持續材料，這已經不是什麼秘密。生物衍生的材料是一個潛在的選擇，但是如果有人要使用它們，它們必須是經濟的。
在Thomas H. Epps, III 教授的領導下，特拉華大學的一個研究小組和CanmetENERGY的合作者在尋找將生物質升級為新產品的方法時，正是考慮到了這種類型的經濟學。以木質素為例。木質素是植物和樹木的一種成分，它提供強度和硬度，幫助植物群落抵禦大自然的襲擊。
然而，在紙漿和造紙工業中，木質素是製造紙製品時留下的廢物。這種類型的木質素，被稱為技術木質素，被認為是最骯髒的東西，是不能使用的–也許除了燃燒取暖或添加到輪胎中作為填充物。
特拉華大學的研究人員說，這種廣泛可用的資源–全世界的紙漿和造紙廠每年產生約1億噸技術木質素廢物–可以變得更有價值。
該團隊已經證明，有可能將工業加工的木質素有效地轉化為高性能塑料，如生物基3D打印樹脂，以及有價值的化學品。一項經濟和生命周期分析顯示，這種方法也可以與類似的石油產品競爭。
一篇描述這種新方法的論文於2022年1月19日發表在《科學進展》上。這項工作主要由美國國家科學基金會成長融合研究（NSF GCR）項目提供資金支持，該項目旨在通過多方位的跨學科合作解決問題。
Epps說：“像技術木質素這樣的東西，不僅能夠將其分解並轉化為有用的產品，而且能夠以低於石油材料的成本和環境影響做到這一點，這是以前沒有人能夠真正展示出來的，”他領導UD的NSF GCR工作，是Allan and Myra Ferguson化學和生物分子工程傑出教授。他還在材料科學與工程系擔任聯合職務。
提升木質素的主要問題之一是，大多數提升木質素的過程都是在非常高的壓力下進行的，而且價格昂貴，難以擴展。目前工業技術的主要缺點包括安全問題、資本成本以及與工藝中使用的傳統溶劑、溫度或壓力有關的能源消耗。為了克服這些挑戰，研究小組用甘油取代了木質素解構過程中使用的傳統溶劑–甲醇，因此該過程可以在正常（環境）大氣壓下進行。
甘油是一種廉價的成分，用於液體化妝品、肥皂、洗髮水和乳液，具有保濕功能。但在這裡，甘油有助於將木質素分解成化學構件，可用於製造廣泛的生物基產品，從3D打印樹脂到不同類型的塑料、香料和香精化合物、抗氧化劑等等。
使用甘油提供了與甲醇相同的化學功能，但蒸汽壓力要低得多，這就消除了對封閉系統的需要。這一變化使研究人員能夠同時進行反應和分離步驟，從而形成一個更具成本效益的系統。在大氣壓下操作更安全。同樣重要的是，它還提供了一個直接的途徑，可以超越小批量的規模，連續運行該過程，以更少的勞動力創造出更多的材料，而且過程更便宜、更快速。
開發這個過程，使其具有可重複性和一致性，花了大約一年的時間，其中包括本科生的貢獻，包括論文的共同第一作者、2021年UD榮譽畢業生Paula Pranda。
Pranda現在是科羅拉多大學博爾德分校的博士生，她幫助優化了這個過程。她還研究了該團隊可以創造哪些類型產品的現有數據集，並估計了這些材料的物理特性。這使得共同作者Marianthi Ierapetritou教授小組的化學工程博士生羅玉清（音譯）能夠對該系統進行建模，看看它在經濟上是否可行。
研究工作表明，UD團隊的低壓方法與高壓工藝相比，可以將從軟木卡夫木質素生產生物基壓敏膠的成本降低60%。對於研究中使用的其他類型的工業木質素來說，成本優勢並不明顯，但軟木卡夫木質素是製漿和造紙業產生的最豐富的工業木質素類型之一。
對於實驗主義者Pranda來說，與像羅玉清這樣在她的專業領域之外的學生同行合作是很有啟發性的，羅玉清的工作重點是對化學過程進行建模以了解其成本。
Pranda說：“我以前從未參加過合作，我對化學工程的其他領域如何工作有了深入的了解。”
據埃普斯實驗室的博士生、該論文的第一作者Robert O’Dea說，羅玉清的經濟模型貢獻是知道是否繼續這一研究方向的關鍵。
“我們知道我們可以在物理上做到這一點，但我們需要知道在化工廠的規模上做到這一點是否真的有任何經濟意義。玉清的分析表明它有意義，”O’Dea說。
從項目合作者加拿大CanmetENERGY公司獲得的對不同類型製漿工藝的木質素廢料的評估，使羅玉清能夠考慮上游成本，如原料價格或產量將如何影響工藝下游的經濟性。
雖然分析表明產量在工廠經濟中起着主要作用，但由於資本成本降低和產生有價值的副產品，在所有情況下，新的低壓工藝的運營成本明顯低於傳統工藝。參與開發該工藝的研究人員，來自Epps小組和UD教授Dionisios Vlachos研究小組的同事，目前正在申請環境壓力工藝的專利。
羅玉清還進行了生命周期評估，以了解材料生產導致的溫室氣體（例如，二氧化碳）排放情況。掌握好每一步的成本，可以幫助研究人員探索優化工藝和材料供應鏈基礎設施的方法。
羅玉清說：“我們試圖捕捉更大的畫面，不僅僅是工藝的成本，還有整個操作的環境影響。”學生的合作來自於參與UD的材料生命周期管理工作的教師和學生之間的會議，在NSF GCR項目下。
“它創造了自然的高影響力的工作，因為國家科學基金會的GCR項目鼓勵我們同時解決材料科學和環境影響等方面的問題。因此，我們正在通過跨學科合作同時克服多個瓶頸和障礙，”Epps說。
那麼UD開發的方法在將廢物轉化為有價值的產品方面的潛力如何？“它表明，利用可再生資源製造不同類型的塑料有很大的潛力。你不必使用化石燃料，來自可再生資源的塑料在經濟上也是可行的，” Pranda說。