没有什么比 Ginkgo Bioworks 更能体现投资者对新技术的热情了。这家总部位于波士顿的合成生物学公司于 9 月 17 日通过与一家特殊目的收购公司合并上市。这笔交易为 Ginkgo 筹集了超过 16 亿美元的资金，对该公司的估值超过 220 亿美元，高于许多规模更大的化学品制造商。
Ginkgo 设计微生物以生产新材料或以更环保的方式制造旧材料的目标值得称赞，甚至可以证明该公司的高估值是合理的。
但在对 Ginkgo 等初创企业的兴奋中，很容易忘记通过传统化学进行的创新将继续发生，就像几十年来一样，即使不是同样大张旗鼓。老牌公司的化学家每天仍然来工作，利用催化剂、聚合物和巧妙的工程来发明新产品和新工艺。
通过此功能，C&EN 研究了来自优美科、Midwest Refrigerants、Clariant 和 Evonik Industries 的四项新兴技术。虽然他们的工作可能不在聚光灯下，但他们的技术有相当大的机会赚钱，甚至可能对环境有好处。
案例研究#1
将氢转化为液态汽车燃料
氢是未来的燃料之一。氢动力燃料电池汽车不排放二氧化碳，只排放少量水。与电动汽车不同，它们可以在几分钟内加油。虽然现在 H2主要由甲烷产生，但支持者看到了通过利用风能和太阳能的水电解廉价产生绿色氢的未来。
但氢也是一种极轻的分子，必须压缩才能运输和储存。将其用于燃料电池汽车或发电厂的基础设施仅存在于少数几个地方。
贵金属领域的两大巨头优美科和英美资源集团成立了一家研发企业，以推进压缩问题的新解决方案：液态有机氢载体，或 LOHC。
LOHC 背后的想法是将氢化学结合到稳定的液体载体上。这种结合氢可以像传统液体燃料一样装入标准燃料箱，无需在燃料装载管线和车辆本身中进行压缩。
对于使用氢气的假设未来车辆，载有氢气的 LOHC 将通过含有脱氢催化剂的反应器。然后将释放氢气并供应给车辆的燃料电池堆，无论是汽车、卡车还是火车。用过的 LOHC 将在下一次加注过程中被移除，因此可以重新装载更多的 H2。
优美科和英美资源集团于 4 月建立了合作伙伴关系，以英美资源集团早期对 Hydrogenious LOHC Technologies 的投资为基础，Hydrogenious LOHC Technologies 是一家德国 LOHC 初创公司，由弗里德里希亚历山大大学埃尔兰根-纽伦堡的化学家 Peter Wasserscheid 共同创立。合作伙伴的重点是脱氢催化剂。
一些投资者已经对 LOHC 概念产生了热情。9 月，Hydrogenious LOHC 从包括雪佛龙在内的投资者那里筹集了近 6000 万美元，以进一步开发 LOHC。该公司正在德国多尔马根建立一个测试设施，将在那里将氢气储存在 LOHC 中并测试将其运送给客户。
Hydrogenious LOHC 和优美科同意目前最好的 LOHC 候选者是苄基甲苯，因为它结合了高热容量和存储密度以及低粘度和表面张力。长期以来，该分子一直是一种重要的传热流体。7 月，Hydrogenious LOHC 签署了从位于德国马尔的伊士曼化学公司购买苄基甲苯的协议。
但优美科和英美资源集团表示，需要对使 LOHC 脱氢的催化剂进行更多工作。在 4 月 26 日向股票分析师解释这项研究工作的在线演示中，优美科当时的首席技术官 An Steegen 表示，使用当前催化剂系统进行脱氢需要的压力和温度太高，不适合车辆使用。
优美科在合作伙伴关系中的作用是开发一种新的多相催化剂——特别是一种固定在无机载体材料上的贵金属——允许在较低的压力和温度下脱氢。该公司警告说，该项目仍处于开发的早期阶段，高效的 LOHC 商业化还需要 5 到 10 年的时间。
在 4 月 26 日的演讲中，一些分析师质疑是否需要替代用于 H2燃料系统的压缩氢气。巴克莱投资银行 (Barclays Investment Bank) 的亚历克斯·斯图尔特 (Alex Stewart) 指出，“其余市场的 99% 都在投资于某种古老的技术，该技术正在为氢燃料电池提供纯氢。”
虽然氢燃料汽车市场刚刚起步，但它确实存在于加利福尼亚等地，那里有 47 个加氢站。无碳氢初创公司 C-Zero 的首席技术官埃里克·麦克法兰 (Eric McFarland) 表示，他曾经对向车辆填充压缩 H2持怀疑态度。但麦克法兰一直在加利福尼亚州驾驶氢动力丰田 Mirai，并表示他已经对加油过程感到满意，这与传统的汽油加注没有太大区别。
在回应 Stewart 时，Steegen 承认压缩氢是现有的燃料电池汽车燃料。但她指出，使氢动力汽车安全所需的保障措施——传感器、警报、泄漏时的特殊密封以及高科技加压罐——大大增加了车辆的成本。
此外，撇开加利福尼亚的实验不谈，将世界上现有的化石燃料运输和储存基础设施转换为氢还没有发生，而且将是一项代价高昂的任务。Steegen 说，过渡到装载氢气的 LOHC 将使现有的基础设施大部分保持原状。
“也就是说，”她补充说，“LOHC 仍处于发展的早期阶段。我们仍然需要研究脱氢催化剂，使其与机载脱氢兼容。此外，效率需要提高。尽管如此，它有可能成为未来非常有效的氢载体。”
案例研究#2
消化碳氟化合物而不是破坏它们
碳氟化合物是坚韧的、不活泼的物质。这种化学稳定性是它们制造如此出色的制冷剂、发泡剂、润滑剂、密封剂和不粘涂层的重要原因。一旦安装完毕，它们就不会损坏或与任何东西发生反应。
但是它们所使用的空调和其他产品确实会发生故障，因此通常需要销毁碳氟化合物。《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》和美国环境保护署已经批准了几种制冷剂的销毁方法，主要是高温焚烧的形式。
一家名为 Midwest Refrigerants 的公司拥有唯一获得批准的转化方法——一种消耗碳氟化合物并产生有价值的化学产品的方法。
Midwest 不是一家成熟的化工专业，但也不是一家传统的初创企业。大约十年前，Lew Steinberg 和 Doug Romine 在从进出口和制冷剂回收行业退休后创立了 Midwest。在看到销毁碳氟化合物的选择成本高昂，而且排放的温室气体和臭氧消耗气体通常比预期的要多之后，他们与退休的工业氟化物化学家 Gregorio Tarancon III 合作开发了一种更好的方法并申请了专利。
在他们开发的过程中，氢气和二氧化碳在 600 至 900 °C 下在混合过渡金属催化剂上与碳氟化合物反应。它生产氟化氢、氯化氢和一氧化碳作为单独的输出流。放热反应一旦开始就会自我维持。
例如，氢氟烃-23 (HFC-23) 是一种没有商业价值的强效温室气体，它是制造氯二氟甲烷(通常称为 R-22)时不可避免的副产品，它是一种重要的聚合物原料和氟化剂。传统的解决方案是焚烧 HFC-23，每公斤成本约为 6.50 美元。Steinberg 说，从商业 R-22 工厂运行 HFC-23 到中西部的过程将节省 60% 的成本，并且每年将生产价值数百万美元的氟化氢和一氧化碳。
他说，包括收取废弃碳氟化合物的费用和出售其最终产品的收入，中西部每收集一公斤碳氟化合物可以赚取大约 5.50 美元。
Midwest 技术的一个吸引人的特点是它没有碳氟化合物混合物的问题。如果制冷剂是单一成分，可能被水或空气污染，回收商可以对其进行净化和转售。但分离混合碳氟化合物通常不经济，因此它们被无限期地储存或销毁。大多数新的低全球变暖潜能值制冷剂是混合物，因此对在产品使用寿命结束时处理它们的方法的需求只会增加。
该技术似乎也适用于另一类难以破坏的含氟化合物：全氟和多氟烷基物质 (PFAS)。Steinberg 说，中西部已经证明它可以转化全氟辛酸，全氟辛酸是 PFAS 家族的一种环境持久且广泛的成员，与许多健康问题有关，并且它正在西弗吉尼亚州的试点工厂测试其他 PFAS。
布法罗大学环境工程助理教授 Nirupam Aich 表示，寻找和隔离 PFAS 污染的技术进展顺利。“最重要的是找到我们如何摧毁全氟和多氟烷基物质，而不仅仅是分离和去除它。”Aich 正在开发可以降解某些 PFAS 的纳米粒子，并欢迎其他方法。“它无法通过一种技术解决。多个学科必须结合在一起，多种治疗技术必须结合起来。”
Steinberg 和 Romine 希望在需要 HF 的客户(例如半导体制造商)的工厂现场安装他们的工厂。Steinberg 说，中西部可以在价格上与传统的 HF 供应商竞争，并且无需运输高反应性的 HF。
相比之下，运输碳氟化合物相对简单，但正如 Steinberg 所描述的那样“非常详细”。制冷剂回收供应链中最常见的挑战是制冷剂的污染或意外混合，这对中西部来说不是问题。“我们接受他们的错误并将其转化为金钱，”斯坦伯格说。
“从第一天起，Midwest 的商业模式就是采用报废的、不需要的制冷剂，”Steinberg 说。随着政府收紧对制冷剂和其他碳氟化合物的监管，需要处理的此类材料的数量将会增加。在等式中引入新的循环和盈利能力可以使大量碳氟化合物远离环境。“这将是我们的遗产，”斯坦伯格说。
案例研究#3
通往乙烯的绿色之路
化工公司希望尽可能减少温室气体排放，他们的首要目标之一是最臭名昭著的二氧化碳来源：蒸汽裂解装置。
蒸汽裂解炉燃烧大量天然气和其他碳氢化合物，以达到大约 900 °C 的温度，以打破乙烷、石脑油和其他原料中的碳氢键和碳碳键，从而制造乙烯和丙烯。根据Catalysts最近的一篇论文，蒸汽裂解装置每生产 1 吨乙烯会排放约 1.2 公吨 (t) 的 CO2。
许多大型石化公司正在使乙烯生产绿色化。例如，陶氏正在阿尔伯塔省建造一座裂解装置，该裂解装置将捕获其 CO2用于地下封存。从长远来看，该公司与壳牌化学公司正在测试使用可再生能源的电炉。
许多化工公司正在开发全新的乙烯路线。其中包括科莱恩和林德，它们与慕尼黑工业大学合作开发了用于氧化乙烷脱氢工艺的催化剂，林德称之为 Edhox。两家公司表示，他们的工艺有可能消除乙烯生产过程中 100% 的 CO2排放。
在 Edhox 工艺中，乙烷与氧气反应生成乙烯、水和另一种商品化学品醋酸。
科莱恩催化剂全球研发主管 Marvin Estenfelder 表示，合作伙伴已经在该技术上工作了大约 10 年。他指出，该工艺的开发时间现在已经进入演示阶段，对于“世界新工艺和新世界催化剂”来说并不是特别长。
在过去的十年中，这些公司不得不克服重大的技术障碍。一种是在反应器中结合氧气和烷烃，而不会产生太多不需要的氧化产物，例如 CO2。合作伙伴已成功将催化剂对乙烯和乙酸的选择性提高到 93%，从而最大限度地减少了 CO2 的产生。
另一个挑战是实现足够的催化剂活性，这对于商业上可行的工艺至关重要。“在催化方面，你有一定的权衡，”埃斯滕费尔德说。“如果你推动催化剂变得更有效率——通过一定体积的催化剂提高产量——你往往会更快地使催化剂失活。”
本月早些时候，科莱恩为该系统推出了一种基于钼和钒的催化剂。埃斯滕费尔德指出，科莱恩从一开始就一直在 Edhox 工艺中测试这些元素，它们在氧化化学方面有着悠久的历史。例如，钼用于丙烯腈和丙烯酸的生产。钒基催化剂用于马来酸酐生产。
对于 Edhox 工艺，合作伙伴必须保持催化剂稳定，防止相变使其失活。大部分开发工作都涉及催化剂的晶体结构。科莱恩催化剂使用专有促进剂。由于各方一直合作，他们的生产力提高了近 70%。
Edhox 技术的环境优势始于氧化反应本身。与吸热乙烷裂解不同，乙烷的氧化脱水是放热的，并且在低于 400 °C 的温度下发生，远低于乙烷裂解。Estenfelder 说，反应中产生的适量 CO2从分离部分的工艺气体中捕获，并以高浓度用于下游加工或封存。
自 2017 年以来，林德一直在德国 Pullach 的一个示范装置中运行该工艺。该装置使用已在丙烯酸和马来酸酐工厂中发现的那种商业尺寸的反应器管。它还具有熔盐冷却系统，以调节放热反应的温度并为工厂的分离部分产生蒸汽。
林德表示，它认为该技术适合可能需要乙烯和乙酸的客户。其中包括醋酸乙烯酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的生产商。自去年 10 月以来，林德还与壳牌合作，后者在氧化脱氢方面有自己的研究。
林德表示，它正在“与世界各地的潜在客户进行讨论”，并且由于该行业“倾向于投资可持续石化项目”，预计未来几年会获得许可。
案例研究#4
膜开辟了新的氦源
回到过去，当你钻一口井并冒出天然气时，你会与之匹配。如果羽流着火，您就开始了天然气回收。如果没有，您将其密封并继续前进。但是，即使气藏没有足够的碳氢化合物供钻探者进行有利可图的能源开采，有时也会有氦气在山上。一升一升，氦气的价值至少是天然气的 40 倍。
当今市场上的大多数氦气来自主要为天然气(尤其是甲烷)而钻探的井。在美国地质调查局最近估计，美国有8.7十亿中号3氦的是可盈利的恢复为天然气开采的副产物。
尽管这个数字很乐观，但现实情况是，自 2006 年以来，全球氦气市场已经解决了三大短缺问题，而且许多规模较小的短缺问题的时间更长。即使是现在，美国国家氦储备的技术问题也迫使天然气公司让一些客户进行氦配给。
看到机会，越来越多的纯氦气初创企业正在寻找那些太小或甲烷含量太低而无法进行常规能源勘探的井。新的膜技术使得只为氦气而打开它们是有利可图的。赢创工业的 Sepuran Noble 膜是同类产品中的佼佼者。
赢创在本世纪的第一个十年开发了 Sepuran 膜。它们与大多数商用膜一样采用圆柱形金属滤芯，但 Sepuran 使用紧密堆积的中空纤维，而不是更常见的轧制片材。
赢创在美洲 Sepuran Noble 的业务开发经理 Alex Evans 解释说，中空纤维由专有的聚酰亚胺制成。赢创的第一个 Sepuran 膜从垃圾填埋场和废水产生的沼气中提取甲烷。赢创的研究人员通过调整聚合物优化了稀有气体氦的提取曲线，于是 Sepuran Noble 诞生了。
气体进入中空纤维内部的圆柱体，并根据它们的化学特性以不同的速率穿过它们之间的空间。水蒸气最先通过，紧接着是氦气、氢气和二氧化碳。在色谱柱下方，氧气、一氧化碳、氮气和甲烷穿过膜。
根据源流中的气体混合情况以及客户想要收集的气体，出口位于色谱柱的不同位置。埃文斯说，这种膜可以去除气流中的绝大多数非氦成分。尽管氦气和二氧化碳通常存在于源气体中并一起从色谱柱中流出，但基于冷或压力的分离方法可以轻松地使氦气达到 99.999% 的纯度——行业术语中的“五个九”——埃文斯说。他补充说，这种膜可以有效地将稀氦流的体积减少到 50 分之一或更小。
大型新氦气项目可能会抑制人们对从小井中提取氦气的兴趣。Gazprom 刚刚在俄罗斯阿穆尔开设了一个大型的新常规氦工厂。当复杂的是全面运作的2025年，将新增6000万米3每氦年至全球市场。新供应也来自卡塔尔和澳大利亚。
但氦气顾问 Phil Kornbluth 表示，这家俄罗斯工厂已经在与运输瓶颈和其他分销问题作斗争。这些麻烦与数十年来困扰氦气行业并使氦气用户感到压力的供应波动相呼应。
“所有这些供应链问题都说明了在北美大陆拥有氦气的价值，”Kornbluth 说。“阿穆尔最终肯定会放松市场，但它必须克服这些物流瓶颈，才能产生真正的大影响。”
Kornbluth 对专注于氦气的提取公司将取得成功持谨慎乐观的态度。“就人们建造这些小型氦气厂而言，应该对赢创的膜有需求。”
目前唯一使用 Sepuran Noble 的商业氦气工厂是位于萨斯喀彻温省的林德工厂。然而，埃文斯说，多个新项目正处于规划或建设阶段。他指出，这些膜用于在光纤、泄漏检测和光谱学中回收氦气。
Evans 说，赢创模块化系统的成本随流速线性增长，而且该系统实际上没有最小尺寸。在阿穆尔大小的设施中，低温分离是获取氦气的最便宜的方式。埃文斯说，但对于规模较小的一大部分，Sepuran Noble 提供较低的资本和运营成本。“我不一定要取代这些较大的低温设施中的一些。我正在努力扩大可以生产氦气的井的范围。”
