Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Upscaling of FDCA Synthesis from HMF to an Industrial Scale

Wahlberg, Linnéa LU (2020) KETM05 20201
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract
To support the transition into green plastics, the upscaling and economic analysis of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) synthesis from 5-hydroxymethylfurfural (HMF) was done. The project can be described as a plant-to-plastics process, with sugar beet-derived HMF as a starting point. The final product in this upscaled process can be further processed into polyethylene 2,5-furandicarboxylate (PEF). PEF is a polymer with better properties than PET, better gas barrier properties to mention some, which could lead to reduced plastics consumption since less material is needed for the same end-use. The oxidation of FDCA is catalysed by the enzymes PaoABC, GOaseM3-5, HRP and catalse, with a 100 % yield. Operating conditions are mild; 37 °C and 4.9... (More)
To support the transition into green plastics, the upscaling and economic analysis of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) synthesis from 5-hydroxymethylfurfural (HMF) was done. The project can be described as a plant-to-plastics process, with sugar beet-derived HMF as a starting point. The final product in this upscaled process can be further processed into polyethylene 2,5-furandicarboxylate (PEF). PEF is a polymer with better properties than PET, better gas barrier properties to mention some, which could lead to reduced plastics consumption since less material is needed for the same end-use. The oxidation of FDCA is catalysed by the enzymes PaoABC, GOaseM3-5, HRP and catalse, with a 100 % yield. Operating conditions are mild; 37 °C and 4.9 bar(a) and the process design is kept fairly simple due to the lack of by-products which reduces the need for downstream process equipment. There is a total annual cost for the FDCA production of 4867 MSEK, which gives a cost of 24,300 SEK/tonne. The components affecting the overall cost of production the most is the feedstock and reagents. Out of the reagents it is the enzymes used for catalysis that are responsible for the majority of the cost. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Tänk dig en värld utan fossila bränslen och en värld med mindre plast. Låter det som något du vill uppleva? Då behöver vi satsa på grön plast, en plast det behövs mindre av!

Precis som Greta Thunberg säger så måste vi bli mer miljövänliga för att rädda vår planet. För att kunna ersätta PET-plast, plasten som används i allt från läskflaskor till förpackningar, med ett bättre alternativ måste det vara lönsamt. Det är den bittra sanningen, men en viktig insikt. För att förändring ska ske och få effekt måste folk tjäna eller spara pengar på det. Den gröna plasten PEF behöver kunna tillverkas i stora mängder och till ett pris som är attraktivt. Det som har stått i vägen för detta har varit ett av stegen från sockerbetan till PEF; nämligen... (More)
Tänk dig en värld utan fossila bränslen och en värld med mindre plast. Låter det som något du vill uppleva? Då behöver vi satsa på grön plast, en plast det behövs mindre av!

Precis som Greta Thunberg säger så måste vi bli mer miljövänliga för att rädda vår planet. För att kunna ersätta PET-plast, plasten som används i allt från läskflaskor till förpackningar, med ett bättre alternativ måste det vara lönsamt. Det är den bittra sanningen, men en viktig insikt. För att förändring ska ske och få effekt måste folk tjäna eller spara pengar på det. Den gröna plasten PEF behöver kunna tillverkas i stora mängder och till ett pris som är attraktivt. Det som har stått i vägen för detta har varit ett av stegen från sockerbetan till PEF; nämligen omvandlingen av molekylen HMF till FDCA. FDCA kan sedan i sin tur omvandlas till PEF. PEF har i jämförelse med PET visat sig ha avsevärt mycket bättre egenskaper. Till exempel så kan PEF-plast blockera både syre och koldioxid upp till tio gånger bättre än PET-plasten. Dessa egenskaper gör att den passar som handen i handsken för tillverkning av dryckesflaskor, för att nämna ett område. Det gör också att mindre mängd plast behöver användas för samma användningsområde.

Därför har en metod för att producera FDCA i stor mängd tagits fram och utvärderats. För att se till att framställningen är så grön som möjligt så boostas tillverkningen av enzymer. Det gör det möjligt att tillverka plasten vid låg temperatur och lågt tryck, vilket även bidrar till en säker arbetsmiljö. När man använder sig av enzymer så kan de skräddarsys för att styra reaktionen. Det gör att man kan undvika bildandet av oönskade ämnen som annars gör uppreningen av det önskade ämnet svårt, och oftast även dyrt. Problemet med att använda enzymer är vanligen att de i sig är dyra och behöver därför kunna användas effektivt.

Utvärderingen visar att det är görbart att tillverka FDCA i stor skala, och senare kunna tävla med den fossila plasten PET. Det som styr priset mest visar sig vara råvarorna som behövs för att reaktionen ska kunna ske. Själva fabriken som behöver byggas är i jämförelse med råmaterialet ganska billig. Det pekar också på att fokusen nu bör läggas på att framställa både enzymerna och startmaterialet HMF på ett mer kostnadseffektivt sätt. Sker detta, så skulle FDCA-produktionen bli väldigt attraktiv och vara lätt att motivera.

Med det genomförda examensarbetet så finns det underlag som säger att det är dags att bygga en fabrik för tillverkning av grön plast. Det som behöver testas innan guld och gröna skogar kan utlovas, är att enzymerna jobbar som de ska, även i stor skala. Det skulle också vara bra att få enzympriserna från en tillverkare för att med säkerhet veta hur mycket vinst som finns att hämta, men framtiden ser grön ut! (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Wahlberg, Linnéa LU
supervisor
organization
course
KETM05 20201
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
FDCA, HMF, Plastics, Sugar, Biobased, PEF, Industry, Industrial scale, Production, Upscaling, 2, 5-furandicarboxylic acid, 5-hydroxymethylfurfural, Chemical engineering, Kemiteknik
language
English
id
9024154
date added to LUP
2020-08-04 13:43:19
date last changed
2020-11-06 05:52:09
@misc{9024154,
  abstract     = {{To support the transition into green plastics, the upscaling and economic analysis of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) synthesis from 5-hydroxymethylfurfural (HMF) was done. The project can be described as a plant-to-plastics process, with sugar beet-derived HMF as a starting point. The final product in this upscaled process can be further processed into polyethylene 2,5-furandicarboxylate (PEF). PEF is a polymer with better properties than PET, better gas barrier properties to mention some, which could lead to reduced plastics consumption since less material is needed for the same end-use. The oxidation of FDCA is catalysed by the enzymes PaoABC, GOaseM3-5, HRP and catalse, with a 100 % yield. Operating conditions are mild; 37 °C and 4.9 bar(a) and the process design is kept fairly simple due to the lack of by-products which reduces the need for downstream process equipment. There is a total annual cost for the FDCA production of 4867 MSEK, which gives a cost of 24,300 SEK/tonne. The components affecting the overall cost of production the most is the feedstock and reagents. Out of the reagents it is the enzymes used for catalysis that are responsible for the majority of the cost.}},
  author       = {{Wahlberg, Linnéa}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Upscaling of FDCA Synthesis from HMF to an Industrial Scale}},
  year         = {{2020}},
}