用于制造碳纤维的生物基丙烯腈

对用于碳纤维制造的丙烯腈的可持续来源的追求，已经从实验室跨越到了市场。

聚丙烯腈（PAN），如图所示，由丙烯腈（ACN）生产，是碳纤维制造中最常用的前驱体。丙烯腈通常来自石油基原料，这使得碳纤维的碳足迹相对较大。演变为生物基ACN将大大改善ACN的可持续发展状况。图片来源（包括与标题一致的图片）：CW

碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、耐久性好等优点；但这些材料有一些明显的缺点，而这些缺点在一个迅速转向强调二氧化碳足迹、可持续性和脱碳的世界中并不能很好地发挥作用。一个缺点是其所需的大量能源，根据其来源，每吨碳纤维可产生一定量的二氧化碳。第二种是丙烯腈，这是用于生产碳纤维前体聚丙烯腈（PAN）的主要原料，聚丙烯腈传统上来源于石油化工。

碳纤维制造中使用的绝大部分能量被一系列碳化炉和氧化炉消耗，PAN纤维在经过这些炉子氧化和碳化后成为碳纤维。

正如预期的那样，减少能源消耗围绕着从可再生资源（包括水力、太阳能和风能）中获取能源。这是碳纤维脱碳的相对低风险成果。还有一些旨在缩短加工时间的技术，如迪肯大学（澳大利亚吉隆）开发的快速氧化技术，由LeMond Carbon（美国田纳西州诺克斯维尔）授权，并于2019年经法国国际检验局（BV，法国巴黎）审核，已证明每千克输出纤维所需的能量减少了70%。然而，这些技术尚未商业化。

减少前驱体的碳足迹更具挑战性，通常遵循两种途径之一。第一种途径是从非PAN的生物源开发一类新的前体。木质素是造纸的一种纤维素副产品，一直是这项工作的主要重点，但迄今为止还无法生产出与聚丙烯腈（PAN）具有同等机械性能的碳纤维。

第二种道路是利用生物基来源开发PAN本身--也就是说，生物基PAN与石油基PAN的化学性质相同，因此在碳纤维制造过程中是一种潜在的替代品。从材料特性的角度来看，由于明显的原因，这条道路是可取的，但挑战是成本问题。生物基PAN有可能在成本上与石油基PAN竞争吗？

生物基PAN的起源

2019年，CW报告了南方研究公司（美国阿拉巴马州伯明翰市）的一项研究计划，以开发一种具有成本效益的工艺，用非食品碳水化合物制造ACN。该计划围绕着使用从木质生物质中收获的木糖和葡萄糖（又称C5、C6糖），并通过水解提炼。该工艺涉及将糖类原料通过一系列的三个催化剂，每个催化剂产生一种中间物质，并在此过程中产生一种化学副产品。

1. 加氢裂化（用H2）生产中间甘油；副产品是乙二醇、山梨醇、低级醇、水。

2. 脱水产生中间的丙烯醛；副产品是羟基丙酮和水。

3. 氨氧化（与空气、NH3），产生ACN；副产品是乙腈和水。

作为生物基ACN研究的一部分，南方研究公司进行了生命周期评估（LCA），比较了生物质到ACN的制造和石油到ACN的制造。结果显示，生物基ACN制造的碳足迹为每磅成品-1.57磅二氧化碳当量，而石油基ACN制造的碳足迹为每磅成品3.5磅二氧化碳当量。简而言之，生物基原料允许一个节约碳排放的工艺。

关于成本，南方研究公司的工艺对糖类原料的纯度很敏感，原料质量越高，成本就越高。当CW最后一次与南方研究公司交谈时，它正准备启用一个小规模的生产厂，并寻找愿意评估其ACN质量的碳纤维制造商。

生物基ACN商业化

这三年来发生了很多事情。值得注意的是，Southern Research开发的ACN生产工艺已获得Trillium Renewable Chemicals（美国田纳西州诺克斯维尔）的许可，该公司正在将其商业化，以生产ACN和乙腈。

Trillium公司的首席执行官Corey Tyree说，该公司仍处于初创期，在2021年初完成了种子资金（300万美元），然后在美国西弗吉尼亚州查尔斯顿建造了一个甘油制ACN试验工厂。Tyree指出，Trillium的工艺也接受来自欧洲常见的菜籽油或亚洲常见的棕榈油的甘油。

试验工厂提供了一个平台，帮助Trillium优化其ACN制造工艺，以期待公司的下一步发展。Tyree说，这个工厂可能在2023年底前破土动工，并在2024年中期开始生产。其产能将是25公斤/周，资金由2022年底的1060万美元A轮融资提供。

Tyree说，最终，一旦其ACN制造工艺完全解除风险，Trillium预计将在全球建造多个全面的生产工厂。

碳纤维供应链利益

尽管Trillium公司的ACN，即Bio-ACN，可以针对各种行业和应用，Tyree表示，客户和市场信号将决定公司的发展方向。到目前为止，最强烈的信号来自碳纤维制造业。

2022年初，Trillium和碳纤维制造商索尔维复合材料公司（美国佐治亚州阿尔法雷塔）签署了一份意向书（LOI），为Bio-ACN开发供应链。根据这项协议，索尔维将于2023年对Trillium的生物ACN进行分析，以验证其化学和成分。2024年，索尔维将进行生物ACN的生命周期评估。Tyree表示，如果Trillium的Bio-ACN符合LOI中规定的某些标准，将触发承购协议，从而将Bio-ACN出售给Solvay。

Trillium Renewable Chemicals的员工在美国西弗吉尼亚州查尔斯顿的公司试验生产线上工作，该生产线生产来自豆油原料的Bio-ACN。Trillium已获得A系列融资，并将很快在美国某处建立一个示范生产工厂。该公司正在与索尔维公司合作，评估Bio-ACN作为石油基ACN的替代品。图片来源：Trillium可再生化学品公司

2022年12月，作为Trillium 1060万美元A轮融资的一部分，碳纤维供应链发出了另一个强烈信号。碳纤维制造商Hyosung Advanced Materials Corp.（韩国首尔）在该轮投资中提供了300万美元。Hyosung副总裁Young Joon Lee表示，Trillium的Bio-ACN吸引了该公司，因为该产品具有强大的可持续性。

“可持续性是晓星未来发展战略的核心，”他说，“我们坚信，我们的强大合作伙伴关系将使我们在可再生化学品领域达到下一个行业领先水平。”

Tyree评论来自碳纤维行业的投资：“这是很多人的兴趣所在，而且这很严重。这是一个经常通过（投资）渠道进入战略合作伙伴或投资的细分市场。这很有说服力。”

Trillium最终与Bio-ACN一起讲述的可持续发展故事而强有力。“与其他部分不同，”Tyree指出，“ACN是用于生产PAN的唯一单体，ACN产品的绿色下降对可持续性的影响不会被其他石油基产品稀释。”

因此，公司技术所带来的脱碳优势在最终产品中得以保持。他说，结果是ACN的碳足迹减少了70%。碳纤维本身呢？“我们有一个总的想法，”Tyree说，“但索尔维正在进行的LCA工作将是最终的措施。然而，不难看出，ACN足迹减少70%将导致碳纤维足迹的大幅减少。”

除了脱碳，Tyrie说Trillium发现不同地区通过不同的视角看到了Bio-ACN的不同好处。“我们交谈的人会问很多问题，因为他们需要了解如何向他们的客户销售这些产品，”Tyrie说。“这是他们正在销售的生物功能吗？这是他们在销售的低碳足迹绿色方面吗？这两者都有吗？”

例如，他说欧盟的潜在客户对原料中使用转基因生物很敏感。他们还关注棕榈油的使用--棕榈油来自于油棕榈树，在一些地区为了扩大作物生产而取代了森林。"我们的观点是，以负责任的方式，棕榈油实际上是一种很好的作物，"泰瑞说。"但我们必须对一些客户对这种作物的担忧保持敏感。"

假设Trillium的Bio-ACN被证明在化学上与石油基ACN相同--没有理由认为它不会，那么下一个问题将是成本问题。Tyree不愿透露具体的成本数据，但他指出，他预计Bio-ACN在进入市场时将与传统ACN的成本持平。鉴于Trillium公司已经清除了技术、市场和资金方面的障碍，这可能很快就会实现。

Tyree表示，最终，Bio-ACN在市场上的地位将取决于其帮助碳纤维制造商实现可持续发展目标的能力。他说：“影响所有客户和地区的一个因素是碳足迹。”。“ACN代表了你能产生最大影响的化学反应。”