‘Als u mij vijf jaar geleden had gevraagd welke tak van katalyse het meest belangrijk zou worden, had ik biokatalyse gezegd,’ zegt professor Sébastien Paul, leider van het onderzoeksprogramma Realcat in Noord-Frankrijk. ‘Maar bij de huidige ontwikkelingen zie ik de hybride katalyse, de integratie van chemische katalyse en biokatalyse, als het vak met het meeste perspectief. Katalytische concepten waarbij in één reactievat een deel van de reactie wordt verzorgd door bijvoorbeeld chemische katalyse, en waarbij de reactieproducten daarna nog verder reageren onder invloed van biokatalyse.’
Katalyse ‘met de snelheid van het licht’
Ik heb nooit eerder in mijn leven zo’n overdaad aan slimme instrumenten gezien, samengeperst in zo’n kleine ruimte als in het laboratorium van Realcat aan de Université Lille Nord de France. Een platform dat katalyse ‘tot de snelheid van het licht’ zal brengen, zoals zij ons beloven. Katalysatoren, de stoffen die chemische reacties bevorderen zonder zelf te veranderen, zijn de herauten van een nieuwe chemische industrie. Een industrie met een veel kleiner gebruik van energie en grondstoffen, die bij lage temperatuur en druk werkt, geen giftige oplosmiddelen gebruikt en veel minder afval produceert. De wetenschap van de katalyse ontwikkelt zich sneller dan ooit tevoren. Dank zij laboratoria als Realcat, gehuisvest in de Unité de Catalyse et de Chimie du Solide (UCCS) van de universiteit in Villeneuve d’Ascq, samengeperst op 123 m2. ‘We konden kiezen tussen het bouwen van een nieuw gebouw of het bij elkaar zetten van alle apparatuur in deze ruimtes,’ zegt professor Paul. ‘Deze oplossing was veel sneller. En hij voldoet heel goed.’
De wereldmarkt voor katalyse groeit snel. In 2011 was de omzet $ 15 miljard, in 2016 verwacht men een groei tot $ 20 miljard. Katalyse is van wezensbelang voor alle belangrijke wereldmarkten: energie, milieu, voeding, gezondheid en vele andere. De activiteit op dit gebied is hectisch, aangejaagd door grote veranderingen. De overschakeling van fossiele op groene grondstoffen en de ontwikkeling van bioraffinaderijen dwingen onderzoekers om alle industriële katalysatoren opnieuw te bezien. Groene grondstoffen zijn chemisch heel anders dan fossiele grondstoffen. In de nieuwe ‘groene’ chemie verlopen de meeste reacties in water of andere milde oplosmiddelen, en de ‘gefunctionaliseerde’ moleculen hebben een geheel andere behandeling nodig dan de ‘kale’ koolwaterstoffen uit fossiele grondstoffen. De ontwikkeling van nieuwe katalysatoren gaat nog steeds proefondervindelijk, met vallen en opstaan – onderzoekers kunnen nog geen ‘a priori’ voorspellingen doen over de vraag of een stof katalytisch actief zal zijn. Daarom moet een modern katalytisch lab vele gelijktijdige en zeer snelle proeven mogelijk maken. ‘Tegenwoordig doet een onderzoeker even veel tests in een week tijd als ik tijdens mijn hele promotieonderzoek,’ zegt professor Paul.
Anderen kunnen ook gebruik maken van het laboratorium
Het Realcat laboratorium laat dit overtuigend zien. Er worden elke week tienduizenden tests gedaan, in aparte kamers voor chemische katalyse en biokatalyse. Maar hoewel onderzoekers de meeste tijd besteden aan trial-and-error tests, werken ze ook aan de theorie: ontwikkeling van nieuwe katalytische concepten, en interpretatie van de resultaten waarbij zij proberen de prestaties van katalysatoren te koppelen aan hun fysische en chemische eigenschappen. En als goede katalysatoren eenmaal gevonden zijn, moet veel werk worden gestoken in opschaling en commercialisering. Want hoewel industriële katalysatoren moeten werken op de schaal van vele kubieke meters, worden alle tests in Realcat gedaan op de schaal van milliliters. Alle tests worden ontworpen op de computer (reagentia, pH, temperatuur, katalysator etc.) en dan uitgevoerd door robots. Bij ons bezoek aan het lab konden we kleine machines heen en weer zien bewegen, hun vooraf geplande taken uitvoerend. Veel chemische reacties worden online gemonitord, onderzoekers kunnen heel precies reactiesnelheden nagaan. De meeste apparatuur is high-throughput, waardoor het werk efficiënt kan worden afgehandeld. Waaronder apparaten voor synthese van katalysatoren, voor karakterisering, voor katalytisch testen en voor offline analyse.
Realcat is een gemeenschappelijk project van UCCS, ProBioGEM (een onderzoeksteam op het gebied van biokatalyse van het regionale instituut Viollette) en CRIStAL (het informatie- en automatiseringscentrum van de universiteit van Lille). Het werd gefinancierd in het kader van PIA (Plan d’Investissements d’Avenir) en andere Franse overheidsprogramma’s. De begininvestering bedroeg € 6,5 miljoen en het budget bedraagt € 8,5 miljoen over 10 jaar. Anderen (bedrijven en onderzoeksinstellingen) kunnen ook gebruik maken van de apparatuur. Bij volle capaciteit gaat het platform 20 projecten per jaar draaien: 50% met de industrie, 20% met onderzoeksinstellingen en 30% zuiver in het kader van dienstverlening. Veel bedrijven en universiteiten hebben al samenwerking gezocht met Realcat. Katalyse is de sleutel tot de toekomst.