工業用化学品の分離から熱を取り除く |マサチューセッツ工科大学ニュース

現代世界は、製造に膨大なエネルギーを必要とする化学物質と燃料で運営されています。工業用化学物質の分離は、 10～15パーセント 世界の総エネルギー消費量のうち。それは、今日のほとんどの分離では、不要な物質を沸騰させて化合物を分離するために熱に依存しているためです。

MIT からスピンアウトした Osmoses は、必要な熱をすべて削減することで、工業用化学物質の分離をより効率的にしています。同社は元MIT博士研究員フランチェスコ・マリア・ベネデッティによって設立されました。キャサリン・ミズラヒ・ロドリゲス ’17、博士号’22;ザカリー・スミス教授。 Holden Lai は、前例のない選択性でガスを濾過できるポリマー技術を開発しました。

ガスは、世界で最も小さな分子のいくつかで構成されており、歴史的には分離が最も困難でした。オズモセス社は、同社の膜により、産業顧客は従来の熱ベースの分離プロセスを使用するよりも生産量を増やし、エネルギー使用量を削減し、より小さな設置面積で稼働できると述べています。

オズモセス社はすでにパートナーと協力して、二酸化炭素の分離を含むバイオガスのアップグレード能力など、その技術の性能を実証し始めている。₂ そしてメタン。同社はまた、大規模な化学施設から水素を回収するプロジェクトや、米国エネルギー省と提携して地下の水素井戸からヘリウムを汲み上げるプロジェクトも進行中である。

「化学的分離は非常に重要であり、イノベーションが困難であるにもかかわらず存続が必要である業界において、化学的分離はイノベーションと進歩のボトルネックとなっています」とベネデッティ氏は言います。 「私たちは、お客様が収益目標や脱炭素化目標を達成しやすくし、市場を拡大して業界を前進させたいと考えています。」

より良い分離

ベネデッティ氏は2017年にMIT化学工学部のスミス氏の研究室に加わった。翌年ミズラヒ・ロドリゲス氏も加わり、二人はその後数年間、MIT内外の化学者らと協力してガス分離用の膜材料の基礎研究を行った。その中にはスタンフォード大学でヤン・シア教授とともに博士号を取得したライ氏も含まれる。

「私はこれらのプロジェクトに魅了されました [Smith] 「それはハイリスク、ハイリターンでしたが、それが私が大好きなことです。」とベネデッティは言います。私は才能ある化学者たちと仕事をする機会がありましたが、彼らは素晴らしいポリマーを合成していました。私たちマサチューセッツ工科大学の化学技術者がこれらのポリマーを研究し、化学者が次のステップに進むのをサポートし、分離の世界での応用を見つけるという考えでした。」

研究者らは膜の開発をゆっくりと繰り返し、徐々に性能の向上を達成し、2020年にライ、ベネデッティ、シア、スミスを含むグループが、性能を最適化するために構造骨格を調整できる三次元ポリマーのクラスでガス分離選択性の記録を破った。彼らはその後 2 年間にわたってスタンフォード大学と MIT に特許を申請しました。 結果を公開する 日記で 科学 2022年に。

「私たちはこの驚くべきイノベーションをどうするかという決断に直面していました」とベネデッティ氏は振り返ります。 「その時までに、私たちは熱ガス分離による莫大なエネルギーフットプリントとそれを解決する膜の可能性について序文として説明した多くの論文を出版していました。私たちは、誰かがその論文を手に取ってそれを使って何かをするのを待つのではなく、この技術を商業化する取り組みを主導したいと考えました。」

ベネデッティ氏は、ミズラヒ・ロドリゲス氏、ライ氏、産業顧問のシンジン・ジャオ博士’92氏と協力して、研究者に産業界の潜在顧客と話すよう求める国立科学財団のI-Corpsプログラムを実施した。研究者らは 100 人以上の人々にインタビューし、彼らのテクノロジーが大きな影響を与える可能性があることを確認しました。

ベネデッティは MIT デシュパンデ技術革新センターから助成金を受け取り、MIT エネルギー イニシアチブのフェローでした。オズモセスはまた、会社を設立したのと同じ年、2021年にMITの10万ドル起業家精神コンペティションで優勝しました。

「私は企業の利害関係者との対話に多くの時間を費やしましたが、それは業界が直面している課題への窓口となりました」とベネデッティ氏は言います。 「これは彼らが直面している問題であると判断するのに役立ち、問題が巨大であることを示してくれました。問題を解決できれば世界を変えることができると私たちは気づきました。」

現在、ベネデッティ氏は90パーセント以上のことを次のように述べています。 化学産業におけるエネルギーは、ガスを熱的に分離するために使用されます。 1つ 勉強 で 自然 熱蒸留を置き換えることにより、米国の年間エネルギーコストが 40 億ドル削減され、二酸化炭素排出量が 1 億トン削減される可能性があることを発見しました。

炭化水素ラダーポリマーと呼ばれる調整可能な構造を持つ分子のクラスで構成されている Osmoses の膜は、大規模かつ高レベルの選択性でガス分子を濾過することができます。この技術により分離システムのサイズが縮小され、既存のスペースへの追加が容易になり、顧客の初期費用が削減されます。

「このテクノロジーは、今日の業界でほとんどの分離がどのように起こっているかという点でパラダイムシフトです」とベネデッティ氏は言います。 「熱プロセスを必要としないため、化学産業や石油化学産業ではエネルギー消費が非常に多くなります。従来のシステムが使用されているため、今日の分離方法には大きな非効率があります。」

研究室から世界へ

研究室では、創設者らは実験用に膜ポリマーを 1 グラムずつ製造していました。それ以来、彼らは生産を劇的に拡大し、将来的には数百キログラムの生産を目指して材料コストを削減しました。

同社は現在、カナダの大手電力会社が運営する埋め立て地でバイオガスをアップグレードする初のパイロットプロジェクトに取り組んでいる。カナダの酪農場での試験運用も計画している。ミズラヒ・ロドリゲス氏は、埋め立て地や農業からの廃ガスはバイオガス改良市場全体の80パーセント以上を占めており、顧客にとって再生可能メタンの有望な代替供給源であると述べた。

「今後 1 ～ 2 年で、私たちの目標はこの技術を大規模に検証することです」とベネデッティ氏は述べ、Osmoses がパイロット プロジェクトの規模を拡大することを目指していると指摘しました。 「すべての分野で資金提供を受けたパイロットを確保できたことは大きな成果であり、これは次の商業段階への出発点となるでしょう。」

オズモセス社の他の 2 つのパイロット プロジェクトは、エネルギー省と協力してヘリウムを含む貴重なガスの回収に焦点を当てています。

「ヘリウムは、MRI などのさまざまな用途に必要な希少資源であり、当社の膜の高性能を利用して、地下井戸から少量のヘリウムを抽出できます」とミズラヒ ロドリゲス氏は説明します。 「ヘリウムは、半導体産業においてAI革命を推進するチップやグラフィック処理装置を製造するために非常に重要です。ヘリウムは戦略的資源であり、米国は国内で生産することに関心が高まっています。」

ベネデッティ氏は、オスモセスの技術は、さらに将来的には炭素回収や、天然ガスから酸性ガスを除去するガスの「甘味化」、酸素と窒素の分離、冷媒の再利用などに利用できる可能性があると述べた。

「化学、石油化学、エネルギー産業の根幹を再定義するという私たちの使命を果たすために、私たちの能力と市場は徐々に拡大していくでしょう」とベネデッティ氏は言います。 「分離はもはやイノベーションと進歩のボトルネックであってはなりません。」