Voor als de olie op is

Plastic en nylon produceren van plantenresten

Foto: Hollandse HoogteEen Amerikaanse fabriek van de chemische firma DuPont, waar in de Tweede Wereldoorlog het nylon voor parachutes werd geproduceerd.

Door Bart Braun

Twee recente Leidse publicaties laten zien hoe je uit plantaardig afval nuttige stoffen maakt.
Nylon uit hout in plaats van olie, bijvoorbeeld. Maar of dat ook leidt tot een bio-economie?

‘Vroeg of laat zal de chemische industrie toch af moeten van aardolie’, vertelt elektrochemicus Marc Koper. ‘Dat heeft niet alleen te maken met de hoeveelheid olie op de wereld, maar vooral ook met de politieke wil om over te stappen op een duurzamere economie. Maar als de politiek eenmaal zover is, is het wel leuk als de bijbehorende technologie al bestaat. Dat vereist een hoop nieuwe chemie.’
In het vakblad voor duurzame scheikunde ChemSusChem verschenen het afgelopen jaar twee Leidse publicaties die zulke nieuwe chemie laten zien. Deze maand een stuk van Koper, zijn oud-promovendus Youngkook Kwon en twee medewerkers van het Amsterdamse bedrijfje Avantium. Koper: ‘Ze zijn op zoek naar een slimmere manier om fructose te maken, als bouwstof van bioplastics. Biologisch afbreekbare colaflessen, bijvoorbeeld.’
De auteurs beschrijven de omzetting van sorbitol – relatief eenvoudig te maken van glucose, een suikersoort. Glucose is op zijn beurt weer makkelijk te halen uit cellulose, het spul dat om plantencellen heen zit. Met behulp van een platina elektrode verbouwen Kwon en co het om tot fructose en sorbose, twee andere suikers.
‘Platina is weliswaar een edelmetaal, maar het reageert met meer stoffen dan je zou denken’, licht Koper toe. ‘Voor veel chemische omzettingen is het een goede katalysator. Alleen geen bijzonder selectieve: het zet ook sorbitol weer om in glucose.’ Dat lossen de chemici op door behalve de katalysator zelf ook een zogeheten promoter toe te voegen: een extra stofje dat de werking van de katalysator verandert of versterkt.
‘In dit geval zijn dat stoffen als bismut of antimoon. Die zorgen ervoor dat we de reactie één kant op kunnen sturen, in dit geval naar fructose in plaats van glucose. Die controle over de reactie is voor mij als chemicus natuurlijk heel spannend. We weten alleen niet zo goed waarom het werkt.’ Samen met wetenschappers uit Brazilië, een land dat zwaar inzet op het gebruik van biomassa, hoopt hij dat volgend jaar te gaan onderzoeken. ‘Kijken of we de reactie nog beter kunnen sturen, of nog andere kanten op.’
Eerder dit jaar schreef prof.dr. Lies Bouwman, die op dezelfde verdieping van het Gorlaeus werkt als Koper, over een nieuw proces om nylon te maken. ‘De huidige fabrieken maken caprolactam, de bouwsteen voor nylon, uit aardolie. Bij dat proces komt voor elke kilo van die stof vier à vijf kilo ammoniumsulfaat vrij, en ongezonde stikstofverbindingen’, vertelt de hoogleraar anorganische chemie. ‘Bij ons proces alleen een beetje water.’
Niet alleen de chemische aanpak is anders, maar ook het beginpunt. In plaats van met aardolieproducten startten Bouwman en co met gamma-valerolacton (GVL). Dat is betrekkelijk eenvoudig te winnen uit plantenmateriaal, bijvoorbeeld houtafval.
De omzetting van GVL naar caprolactam verloopt in een aantal verschillende stappen, en de laatste paar daarvan verlopen in één vat. Essentieel daarbij is de katalysator, in dit geval een verbinding van het metaal rhodium. Voor de liefhebbers: voluit heet hij rhodium-4,5-bis(2,8-dimethyl-10-phenoxaphosphino)-9,9,-dimethylxantheen.
‘De reactiviteit van het metaalgedeelte beïnvloeden we door een groep erop te binden; zo kunnen we de reactie een bepaalde kant opsturen. We hebben heel veel verschillende katalysatoren getest, en deze was voorlopig de beste.’
Voorlopig, want die brandschone reactie waarbij alleen water vrijkomt, is nu maar 87 procent van alles wat er gebeurt bij de reactie. Bouwman: ‘Dertien procent bijproduct is heel veel: voordat het interessant is voor de industrie moet je zeker op 98 procent efficiëntie komen. We hopen ongewenste bijproducten te vermijden door de reactiecondities te veranderen, en te kijken of een andere katalysator geschikter is.’
Een ander probleem van de huidige katalysator is dat hij te snel slijt. Na gemiddeld honderd reacties begint de groep die om het rhodium heen zit te oxideren of uit elkaar te vallen. ‘Voor een commercieel proces zal de katalysator het ongeveer een miljoen keer moeten doen. Ook daar zijn we mee bezig, maar daar mag ik niet teveel over zeggen, want misschien willen we nog een octrooiaanvraag doen.’
Dan is er nog het eeuwige probleem met universitair onderzoek: als iets in het lab werkt, betekent dat nog niet dat het ook kosteneffectief en veilig in een fabriek te produceren is. Bouwman kent het maar al te goed. Aan de andere kant is het haar eerder gelukt. ‘Bij de productie van epoxyhars wordt gebruik gemaakt van chloorgas. In één van de productiestappen is dankzij ons onderzoek minder chloor nodig. Een oud-postdoc van onze groep werkt nu mee aan een fabriek in de VS die onze verbeterde aanpak gebruikt.’
En gaat dat met nylon ook gebeuren? Dat hangt niet alleen van haar katalysators af, legt Bouwman uit: ‘Nylonproducenten hebben nu al fabrieken om nylon te maken. Een nieuwe fabriek kost miljarden, en de winstmarges op nylon zijn laag. Een bedrijf als BASF gaat niet een fabriek voor plantaardige nylon bouwen als de concurrentie in China het op de vieze manier blijft doen.’
Het probleem met de ‘vieze manier’ is dat het niet eeuwig meegaat. Er is geen oneindige hoeveelheid olie op aarde, en de olie die er is, laat zich steeds moeilijker winnen. Het is bovendien in theorie mogelijk dat de mensheid ooit echt de energie-broekriem aan gaat halen tegen klimaatverandering, en dan is oliewinning voor brandstof uit den boze. Koper en Bouwman kregen hun onderzoeksgeld van Catchbio, een project voor onderzoekers van universiteiten en het bedrijfsleven om kalatysatorchemische alternatieven voor de olie-economie te vinden. De nieuwe bron voor hun producten zou biomassa moeten worden, en de website van Catchbio spreekt opgetogen van ‘de overgang naar een bio-based economy’.
De grote vraag is echter waar al die biomassa vandaan moet komen. Als je er speciaal planten voor gaat verbouwen op landbouwgrond, is er minder eten voor de mensen. Op het kaalkappen van natuurgebieden valt ook het een en ander aan te merken.
‘En als je het hebt over het verwerken van afval, betekent dat dat de schaal waarop je kan produceren vrijwel per definitie klein is’, vertelt Ester van der Voet van het Centrum voor Milieuwetenschappen Leiden. ‘En waar vind je afval? De resten van planten kun je ook aan koeien te eten geven. Als je dat niet meer hebt, moet je het voer ergens anders vandaan halen. Of dat milieuvriendelijker is, moet je per geval bekijken.’
Ook de bosbouw produceert veel biomassa. Als je een echt goeie boom hebt, is veertig procent daarvan geschikt om tot timmerhout te verzagen. Voor de rest van de boom zijn ook wel toepassingen: papier, samengeperste haardblokken, dat boterzachte spul waar Ikea haar meubels van maakt. Ook daarvoor zouden alternatieven moeten komen, waarvan de milieu-effecten onduidelijk zijn.
Van der Voet: ‘Het is jammer dat in Nederlandse programma’s niet wordt gekeken naar dit soort neven-effecten in de economie. Bij Europese programma’s zit het er altijd bij. Als je het niet doet, sturen ze het terug en moet je het er alsnog bijstoppen. Daar is wel aandacht voor een wat bredere blik.’
Toch is bij bosbouw meer mogelijk dan met landbouw, aldus de milieuwetenschapper. ‘Een bio-based economy waarbij we onze energie uit planten halen, kan niet. Om al die planten op te verbouwen, heb je zes aardes nodig. Bij materialen is dat minder aan de orde; het gedeelte van de olie dat voor nylon of plastics wordt gebruikt is stukken kleiner.’
Bouwman: ‘Misschien is het beter om gebruiksvoorwerpen van olie te maken en het oliegebruik in de vervoersindustrie aan te pakken. Het is echter sowieso goed om alle opties te bekijken. In elk geval doen we zo kennis op. Zelfs als uiteindelijk blijkt dat we die hier niet kunnen toepassen, kan dat ergens anders wel. Fundamentele kennis is altijd winst.’

Deel dit bericht:

Voorpagina

Achtergrond

Wetenschap

Voor als de olie op is

Twee recente Leidse publicaties laten zien hoe je uit plantaardig afval nuttige stoffen …

Studentenleven

Rubrieken

English page