Drie ontwikkelingsfasen van de groene chemie

De ontwikkeling van groene chemie vindt plaats in drie elkaar overlappende ontwikkelingsfasen die tot het jaar 2050 in beslag zullen nemen. De eerste is al geruime tijd aan de gang, de tweede is kort geleden begonnen, en de derde is in het researchstadium.

De eerste stap: biobrandstoffen in de petrochemische infrastructuur (2010-2025)
Die eerste fase betreft de invoeging van biochemicaliën (meestal afgeleid van biobrandstoffen) in de bestaande petrochemische infrastructuur. Deze fase vereist naar verhouding nog maar weinig onderzoek. Bio-etheen, met twee koolstofatomen, gevormd door ontwatering van bio-ethanol is het meest bekende product van deze fase. Het kan in een speciale fabriek worden gemaakt, en vervolgens via de bestaande distributiekanalen (pijpleidingen etc.) worden gedistribueerd en verkocht; de koper betaalt met een opslag een groencertificaat, net als bij groene stroom. Ook andere producten met weinig koolstofatomen als biomethaan, biosynthesegas en biomethanol (alle drie building blocks uit één koolstofatoom) maken we al uit planten. Bij de bouwstenen met drie koolstofatomen is glycerol een bekend voorbeeld, verkregen uit suikers of plantaardige oliën. Het wordt ingezet voor het maken van biopropeen, biomethanol of biogas. Een andere bouwsteen met drie koolstofatomen is 1,3 propaandiol. Er zijn ook vergelijkbare building blocks met vier koolstofatomen (butanol) en met zes koolstofatomen (aromaten) die naast etheen belangrijke uitgangsproducten in de petrochemie vormen. Veel biochemici zien echter het strippen van zuurstof uit ethanol (tot etheen) bijvoorbeeld, of uit glycerol (tot propeen) als het downgraden van waardevolle uitgangsstoffen die beter voor opbouw van andere moleculen kunnen worden ingezet.

Als we groene grondstoffen op deze manier inpassen in de chemische sector, halen we snel grote volumes in de bestaande chemische industrie. We kunnen groene bulkproducten gemakkelijk invoeren in petrochemische netwerken voor verdere verwerking. Maar daarmee realiseren we de potentie van de groene chemie nog niet.

Energietoepassingen van groene grondstoffen kunnen qua prijs meestal nog niet concurreren met hun fossiele tegenhangers. Hetzelfde geldt voor de daarvan afgeleide bestaande platformchemicaliën. Tot in lengte van jaren zouden zware beleidsmaatregelen (subsidies, verplichtingen) de groene doelstellingen moeten begeleiden om de concurrentie met de petrochemie gestalte te geven. Nee dus, de potentie van groene grondstoffen ligt niet in energie, maar in materialen en bijzondere chemische producten op basis van een kenniseconomie.

Basisbouwstenen voor de chemie

De tweede stap: volledig benutten van de potentie van katalyse, enzymen en fermentatie. Overgang naar de agrosector (2015-2040)
Europa is wereldleider op het gebied van katalyse, zowel van de homogene als de heterogene katalyse, en van de industriële biokatalyse. De eerste twee zijn van grote betekenis in de petrochemie, maar gaan ook een belangrijke rol spelen in de groene chemie. Biokatalyse betreft het gebruik van enzymen in de omzetting van eenvoudige startmoleculen, al of niet van groene herkomst, naar meer ingewikkelde eindproducten. Na een succesvolle start in de fijnchemie, met de enzymatische processen voor allerlei penicillines van DSM als het grote voorbeeld, zijn enzymatische conversies nu bijna gemeengoed in alle deelsectoren van de chemie.

Deze katalytische kennis zal straks ook van groot nut blijken in de ombouw van grotere moleculen uit groene grondstoffen. In de overgangsfase kunnen we in eerste instantie denken aan moleculen die uit de huidige grote grondstofstromen via fermentatie kunnen worden gemaakt. Stoffen als: melkzuur, furaandicarbonzuur, dialcoholen en andere moleculen die stikstof of zuurstof bevatten. In een later stadium valt te denken aan producten via bioraffinage als: 1,3 propaandiol of epichloorhydrine uit glycerol, butaandiamide uit arginine, acrylonitryl uit glutamaat, acrylamide uit aspartaat en nog vele andere moleculen. Voor al deze stoffen moeten we nog nieuwe scheidingstechnologie ontwikkelen om ze uit de reactiemengsels te kunnen isoleren. Ook zijn er stoffen waarvan de realisatie nog in de onderzoeksfase verkeert, maar die bijzonder interessant kunnen worden omdat ze met een fors productievolume – tussen de 1 miljoen en 5 miljoen ton wereldwijd – de groene chemie een enorme push vooruit kunnen geven. Dat zijn stoffen die niet via bio-etheen, maar wel biobased gemaakt kunnen worden. Stoffen als: acrylzuur, 1,2 propaandiol, 1,4 butaandiol, sorbitol, tereftaalzuur en adipinezuur. Dat geldt eveneens voor stoffen met kleinere productievolumes tot 1 miljoen ton, als: propionzuur en oxaalzuur (allebei via melkzuur), THF en furfural (allebei uit C5 suikers) en maleïnezuuranhydride.

Zoals hierboven al betoogd, kunnen fermentaties, veelal op basis van suiker, nog een grote vlucht nemen. In feite is fermentatie ook biokatalyse, waarbij we meerdere of alle enzymen in een micro-organisme inzetten voor de omzetting van eenvoudige voedingsstoffen in complexe eindproducten. Voor beide vormen van biokatalyse geldt dat moderne technologie, zoals genomics en synthetische biologie, het spectrum aan toegankelijke producten nog aanzienlijk kan vergroten.

Strategisch gezien is het uitvoerige gebruik van biokatalyse de opmaat voor het losmaken van de chemie van de energiesector en het begin van een aansluiting bij de agrosector.

De derde stap: bioraffinage, het benutten van de al aanwezige complexiteit (2020-2050)
De werkelijke waarde van de groene chemie komt in deze fase aan de orde: het isoleren van waardevolle producten uit planten waarbij we de reststromen, het groene afval, gebruiken voor tweede generatie biobrandstoffen, diervoeding of soms zelfs voedsel. Nu is er pas echt sprake van bioraffinage, waarbij we – volgens de waardepiramide – eerst de hoogste toegevoegde waarde van de biomassa benutten. Denk bijvoorbeeld aan het isoleren van aminozuren, peptiden en eiwitten uit gras of algen. Dat zijn producten die de waarde van de biochemische producten uit de eerste fase (en zeker van die uit de petrochemie) verre overstijgen omdat stikstof, zuurstof, zwavel en fosfor, zoals gezegd, al in de plant aanwezig zijn. Cyanobacteriën, algen en zeewieren hebben in het verleden te weinig aandacht gekregen als producenten van dit type chemicaliën en veevoer.

Op langere termijn, in deze derde fase, wordt de chemie een bedrijfstak die geheel onafhankelijk zal zijn van fossiele grondstoffen. De chemie is dan niet meer een afgeleide van de energiesector, maar berust op de (wereld)productie van biomassa en in het bijzonder op productie van speciaal geteelde en aangepaste planten en micro-organismen. Deze voorzien de chemie rechtstreeks van gewenste stoffen. Dat kan door genetische aanpassing van die planten en eencelligen, langs de versnelde weg van genetische modificatie, of door de al lang bestaande weg van kruising, die tegenwoordig dank zij automatisering ook veel sneller dan voorheen mogelijk is. We noemen dat ‘directed evolution’. Denk daarbij op de eerste plaats aan bepaalde werkzame stoffen in medicijnen, maar er zal nog veel meer mogelijk worden. Dit wordt de ware groene revolutie die de chemie niet alleen naar een hoger, en wetenschappelijk en technisch veel eleganter niveau tilt, maar haar helemaal loskoppelt van de pijpen en fornuizen van de chemie zoals wij die al honderd jaar kennen.

In de tweede en derde fase zal het ruimtelijk patroon van de chemische industrie sterk veranderen. Losgekoppeld van de vertrouwde grote installaties hoeft de industrie niet meer geconcentreerd te zijn op grote industrieterreinen. De chemie kan zich dichter bij de bron vestigen: op de productielocaties van biomassa, het platteland.

2050
Het jaar 2050 lijkt een goed peiljaar voor het afronden van de overgang naar een groene chemie. In een Utrechts rapport (de Brew-study van zes Europese instituten onder aanvoering van de Universiteit Utrecht) is uitgerekend dat dit jaartal een goede richttijd is en dat suikers, als uitgangsproduct voor verdere verwerking tot 14 verschillende bio-bulkchemicaliën, prima zullen voldoen. Ook wat betreft de milieuaspecten. Maar economische voordelen lijken de doorslag te gaan geven: bij een olieprijs van 85 dollar per vat en een suikerprijs van 70 tot 200 euro per ton, verdergaande technologische innovatie en 3% groei per jaar, kunnen we in Europa tegen het jaar 2050 tweederde aan fossiele brandstoffen besparen en meer dan een kwart miljard ton aan kooldioxide minder uitstoten als we gebruik maken van suikers als groene chemische grondstoffen. Economisch zou dat een besparing van 75 miljard euro betekenen. Het landgebruik voor biobased chemische producten lijkt in de verschillende bestudeerde scenario’s relatief laag uit te komen. Dat betekent op zijn minst dat, afgezien van veel discussie en verfijning van verdere rekentechnieken over landgebruik, verdringing van regenwoud en uitstoot van kooldioxide, de economische argumenten sterk in de richting van groene grondstoffen werken. De Brew-studie gaat over bulkchemicaliën en hun economische opbrengst. De economische waarde van de productie van chemische specialiteiten en producten voor bijzondere toepassingen, die een veel hogere toegevoegde waarde gaan opleveren, is nog niet eens ingecalculeerd. De groene chemie wint tegen die tijd op alle terreinen.

Met dank aan de WTC, Wetenschappelijke en Technologische Commissie voor de biobased economy