Voor de biobased economy, waarin de groene chemie een zeer belangrijke rol zal spelen, moet nog veel onderzoek plaatsvinden. Vrijwel alle technologie uit de petrochemie moet worden aangepast of zelfs opnieuw worden uitgevonden. Dat geldt voor onderzoek in scheidings- en procestechnologie, katalyse en analysetechnieken. Daarnaast zullen alle deelspecialismen van de biotechnologie tot volle wasdom moeten komen.
Scheidingstechnologie
Meer chemie uit groene grondstoffen betekent grotere afhankelijkheid van de scheidingstechnologie die het gewenste product uit het biochemische reactiemengsel moet zien te isoleren. Europa heeft een grote naam op het gebied van proces- en scheidingstechnologie, maar die is vooral gebaseerd op de relatief eenvoudige mengsels van de petrochemie. Voor een groene chemie op deze gebieden moeten we nog veel nieuw fundamenteel en analytisch onderzoek verrichten.
Het verschilt namelijk nogal of je te maken hebt met vloeistoffen of met vaste stoffen voor verdere verwerking, met waterige systemen of organische oplosmiddelen, met thermisch weinig gevoelige moleculen of met kwetsbare enzymen en eiwitten. Scheidingstechnologie wordt een wezenlijk onderdeel van de groene chemische technologie. Net zoals de laatste halve cent op een ton productiekosten in de petrochemie kan uitmaken of je winnaar of verliezer op een bepaalde markt bent, zo zal de meest efficiënte scheiding van het gewenste product uit een chemische ‘soep’ uit gaan maken wie de winnaar op een bepaalde markt wordt. De scheidingstechnologie in de petrochemie staat in Europa op een hoog kennispeil, maar zal zich verder moeten ontwikkelen, in de richting van het isoleren van geringe hoeveelheden product uit sterk verdunde waterige oplossingen met veel vergelijkbare stoffen. De onderzoekers zijn daar hard mee bezig, getuige het voorbeeld van een klein technologiebedrijf dat er in slaagt om algen die in een concentratie van 0,1% in water voorkomen te verdichten tot een concentratie van 30%, waar 25% de ondergrens is voor verdere industriële verwerking. De scheidingstechnologie is straks een van de sleuteltechnologieën van de groene chemische productie.
Opschaling
De groene chemie bevindt zich voor vele producten en processen nog in de laboratoriumfase. Voor commerciële productie is het noodzakelijk dat de procestechnologie zich eerst gaat toeleggen op het opschalen van de laboratoriumfase. We moeten toe naar het verwerken van biomassa op pilotschaal in proeffabrieken waarin de juistheid van de technologie kan worden aangetoond. Vervolgens moeten demonstratie-installaties worden gebouwd, waaruit de economische haalbaarheid van de processen moet blijken. Pas dan kunnen we de wereld laten zien dat we deze processen op commerciële schaal beheersen. En pas dan kan de groene chemie de rol van de petrochemie overnemen.
Deze technologische ontwikkelingen beginnen nu op gang te komen. In Nederland heeft DSM samen met TUDelft, een multipurpose proeffabriek in Delft ingebracht waarvan ook andere bedrijven gebruik kunnen maken. In Gent wordt een vergelijkbare fabriek gebouwd. Dat is een doorbraak. Niet alleen in technologie, maar ook in samenwerking en vertrouwen tussen bedrijven die tot nu toe al hun procesgegevens angstvallig bewaakten.
Een stap verder is de bouw van een demonstratiefabriek (investering ca. 200 miljoen Euro). Hét probleem voor een dergelijke installatie lijkt zonder twijfel de financiering. Grote oliemaatschappijen en petrochemische bedrijven zetten zo’n installatie niet zonder meer neer. Dus zal de overheid hier het initiatief moeten nemen en het risicokapitaal over de streep trekken. Eventueel samen met bedrijven (in public-private partnerships) uit de groene chemie of de voedingsmiddelenindustrie die hier het voortouw kunnen nemen. Maar dit is alles nog niet voldoende en ook nog geen voorbeeld van nieuwe opschalingsprincipes of nieuwe reactorkunde. Vooral voor producten met hogere toegevoegde waarde moeten we op zoek naar nieuwe procestechnologie.
Katalyse
De nieuwe groene chemie betekent ook versterkte aandacht voor katalyse. Katalysatoren zijn hulpstoffen die een chemische reactie initiëren of versnellen, maar zelf tijdens de reactie niet worden verbruikt. De nieuwe katalysatoren moeten worden aangepast aan hydrofiele moleculen in een waterige omgeving. De petrochemie was gericht op hydrofobe moleculen in een milieu van organische oplosmiddelen. De katalyse zal dus grote veranderingen ondergaan. De aandacht voor, en toepassing van enzymatische katalyse zal aanzienlijk groeien. Ook bij de voorbewerking van groene grondstoffen vragen de heterogene (voor reacties in vaste stof) en de homogene (voor reacties in vloeibaar, in dit geval waterig, milieu) katalyse om volledig nieuwe reacties en toepassingen. Onderzoekers in alle drie de onderzoeksgebieden van de katalyse moeten veel nauwer gaan samenwerken dan tot nu toe het geval was. Europa heeft een grote naam op het gebied van katalysatoren voor reacties in de petrochemie. Met betrekking tot Nederland wordt bijvoorbeeld gesproken van de Dutch School of Catalysis, geen instituut maar een richting met wereldnaam. Voor de ingewikkelde groene chemische processen die rechtstreeks in de plant ontstaan, of uit plantafval worden geïsoleerd, zal de wetenschap enzymen moeten ontwikkelen die de groene producten in aangepaste gisten, schimmels of bacteriën formuleren. Sommige van die enzymen zijn er al, andere bevinden zich in de ontwikkelingsfase.
Van de katalytici zal bijzonder veel worden gevergd. Samenwerking van alle soorten katalytici is hierbij absoluut noodzakelijk. De katalytische selectiviteit moet die van de natuur minstens evenaren, terwijl de productiviteit ervan vele malen beter moet worden. Complexiteit en multifunctionaliteit van biomassa vereisen ook het gelijktijdige gebruik van velerlei katalysatoren om voldoende productiviteit en productiesnelheid te bereiken (cascadekatalyse, multikatalyse enz.). Analoog aan de natuur moeten vele reacties gelijktijdig kunnen verlopen zonder dat ze elkaar verstoren, nog beter: waarbij ze elkaar versterken door slimme terugkoppelingen.
Analytische chemie en certificatie
Tenslotte ligt er een taak voor de analytische chemie die zich moet gaan instellen op het ontrafelen van complexe systemen in plaats van het detecteren van enkele stoffen of producten. De waterige soep met daarin diverse, kleine hoeveelheden op elkaar lijkende stoffen, waaruit het eindproduct van een biochemische reactie bestaat, maakt het lastig om de concentratie van het juiste product vast te stellen en te constateren of de reactie is voltooid. Bovendien willen we straks weten hoe een dynamisch systeem, zoals een levende cel, zich gedraagt en willen we in één oogopslag alle lopende processen zien om ze vervolgens gericht te beïnvloeden. En zolang de petrochemie en de groene chemie nog naast elkaar voorkomen, zal de analytische chemie zich ook moeten richten op certificatie opdat de afnemer weet welk gedeelte van fossiele oorsprong en welk gedeelte van het product groen is. Met behulp van C14 onderzoek is dat onderscheid goed vast te stellen.
Kortom, in alle takken van de chemie is een grenzeloze activiteit nodig om de biobased society tot werkelijkheid te laten worden.
Met dank aan de WTC, Wetenschappelijke en Technologische Commissie voor de biobased economy