Bouwstenen voor een biobased toekomst
De wereldeconomie is grotendeels gebaseerd op brandstoffen en materialen die niet duurzaam zijn. Van aardgas, aardolie en steenkool: we moeten steeds meer moeite doen om ze uit de aardkorst te winnen en de productie en het gebruik ervan zijn veelal slecht voor het milieu. De oplossing ligt in een omschakeling naar een economie die draait op hernieuwbare grondstoffen. Dat zijn ‘biogebaseerde’ grondstoffen zoals maisafval, algen, rietsuikerafval of mest en die als basis kunnen dienen voor de productie van warmte, elektriciteit, brandstoffen, chemicaliën en materialen.
“Voor vrijwel alle materialen en chemicaliën die je kunt bedenken, zijn biobased alternatieven te maken”, zegt Harry Bitter, hoogleraar Biobased Chemistry & Technologie aan de Wageningen University & Research. “Maar daar komt wel de nodige chemie en technologie bij kijken. Je kunt niet van maisafval zomaar hoogwaardig plastic maken, dat geschikt is voor allerlei gespecialiseerde toepassingen.”
Als je hoogwaardige eindproducten wilt maken, zul je de ruwe grondstoffen namelijk eerst moeten raffineren en omzetten, net zoals we dat gewend zijn vanuit de olie-industrie. Dat wordt bioraffinage genoemd. Deze bioraffinage levert bouwstenen op die je vervolgens kunt omzetten in grotere eenheden, de biobouwblokken, die als basis kunnen dienen in de chemische industrie. “We werken aan nieuwe processen om die omzettingsstappen te optimaliseren”, zegt Bitter. “We werken op de kleinste schaal, die van moleculen, om uiteindelijk de economie op wereldschaal te kunnen veranderen.”
Moleculen uit biogrondstof
De uitdaging, zo legt Bitter uit, zit hem in het feit dat de biogebaseerde grondstoffen (ook wel biobased feedstock genoemd) chemisch gezien anders zijn opgebouwd dan oilbased feedstocks. Daardoor zijn er vaak meer stappen nodig om de feedstock om te zetten in een bruikbaar product dan bij een oilbased feedstock. Neem bijvoorbeeld een plastic zakje gemaakt van polyethyleen, wat weer uit suiker gemaakt kan worden. Van suiker moet je eerst ethanol maken en vervolgens ethyleen, om dan pas het al bestaande proces te kunnen inzetten om er een zakje van te maken. “Vergeleken met oliegebaseerde processen is dit omslachtiger en dus duurder”, zegt hij. “Willen we dit concurrerend maken met fossiele feedstocks, dan zullen we de processen dus veel verder moeten optimaliseren of nieuwe processen moeten bedenken. Dat is waar wij aan werken.”
Ontwerpen en uittesten
De Wageningers richten zich daarbij vooral op het maken van nieuwe katalysatoren. Dat zijn stoffen die chemische reacties mogelijk maken of versnellen, zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Katalysatoren zorgen er bijvoorbeeld voor dat een reactie bij een veel lagere temperatuur kan plaatsvinden. Een katalysator in een auto-uitlaat zet schadelijke stoffen om in minder schadelijke stoffen. “De huidige katalysatoren zijn helaas voornamelijk geschikt voor het omzetten van fossielgebaseerde grondstoffen en niet voor biogebaseerde grondstoffen”, vertelt Bitter. “Daarom werken wij aan nieuwe katalysatoren. We ontwerpen en maken ze in het laboratorium, waarna we de katalysatoren uittesten en kijken welk effect ze hebben. Dat doen we op allerlei manieren: op basis van berekeningen en bekende eigenschapen van bestaande katalysatoren, maar ook op basis van trial en error. Afhankelijk van de uitkomsten passen we het ontwerp aan. Zo maken we uiteindelijk steeds betere katalysatoren.”
Duurzaam op allerlei niveaus
Voor een echt duurzame economie zijn duurzame grondstoffen alleen niet voldoende. De processen zelf moeten ook duurzaam zijn. Daarin zijn nog stappen te zetten, weet Bitter. “Hoewel katalysatoren ervoor zorgen dat je minder energie nodig hebt om reacties te laten plaatsvinden, moet je nog altijd energie toevoegen”, zegt hij. “In de petrochemische industrie komt die energie van oudsher uit warmte, afkomstig van fossiele brandstoffen. Niet duurzaam dus. Maar je kunt die katalysatoren ook hun werk laten doen met behulp van duurzaam geproduceerde elektriciteit of licht. Dat is een extra dimensie bij de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren.”
Daarnaast willen de onderzoekers dat de katalysatoren zelf zo duurzaam mogelijk zijn, bijvoorbeeld door ze te maken vanuit goed beschikbare elementen. Bitter: “Dus zo min mogelijk vanuit edelmetalen.”
De afgelopen jaren hebben de chemici en chemisch technologen al veel vooruitgang geboekt in het ontwikkelen van hoogwaardige biobased oplossingen voor de industrie. Maar Bitter realiseert zich dat er nog een lange weg te gaan is. Soms bespeurt hij weleens ongeduld: kan het allemaal niet sneller? “Maar je moet je dit realiseren: de olie-industrie heeft 150 jaar gedaan over de optimalisatie van haar verwerkingsprocessen”, zegt hij. “Die industrie ontwikkelt zich bovendien nog steeds. Als maatschappij willen we het liefst binnen 10 jaar een biogebaseerde economie. Dat is niet realistisch. We zoeken een eenvoudige oplossing voor een heel complex probleem.”