Ontwerpregels voor de groene industrie, no.3: behoud structuur

De petrochemische industrie ontleedt zijn grondstof in zijn meest eenvoudige onderdelen, en begint daarna met het opbouwen van de zo gewonnen ‘bouwstenen’ tot de gewenste producten. De groene industrie zal nooit concurrerend kunnen zijn als zij dezelfde logica volgt. Deze industrie zou precies het tegenovergestelde moeten doen: zo goed mogelijk structuur behouden tijdens het gehele bewerkingsproces.

Thermowood
Thermowood (hout verduurzaamd door het te verwarmen) is een eerste benadering van het principe dat de eigenschappen van hout verbeterd kunnen worden met behoud van zijn structuur.

De enthalpische barrière
Biomassa wordt gemaakt in levende organismen, en heeft daardoor altijd een subtiele en ingewikkelde structuur. Vele industriële eindproducten hebben ook een ingewikkelde structuur, die wordt bepaald door de doeleinden waarvoor deze zijn ontworpen. Groene industrieën zouden de oorspronkelijke structuren goed kunnen gebruiken als zij deze tijdens het productieproces behouden, met minder moeite en energiegebruik dan bij de gebruikelijke reacties. We kunnen ons bijvoorbeeld een heel sterk bouwmateriaal voorstellen met dezelfde structuur als hout, dat echter niet vergaat doordat sommige atomen vervangen zijn door andere. De ontwikkeling van zo’n bouwmateriaal zou beton overbodig kunnen maken, met zijn energie-intensieve productie uit kalksteen, en zijn groeven die een belediging vormen voor het landschap. Het zou in principe met biotechnologische processen kunnen worden gemaakt uit hout – en sommigen hebben inderdaad geprobeerd, zo’n materiaal te ontwikkelen.

Johan Sanders, die vorige maand met pensioen ging als hoogleraar in de verwaarding van biomassa, drukt dit beginsel uit als: moleculaire structuur is beter dan calorische waarde. Hij licht dit toe met de ‘enthalpische barrière’ die moet worden overwonnen als wij de éne stof maken uit een andere. Deze enthalpische barrière, grafisch voorgesteld als een energieheuvel waar we overheen moeten, houdt in dat we energie moeten toevoeren om de reactie op gang te brengen, energie die we later grotendeels weer moeten zien kwijt te raken. Deze barrière is vooral hoog bij reacties waarbij zuurstof of stikstof wordt ingebracht in koolwaterstoffen; en juist deze reacties zijn nodig voor de fabricage van vrijwel alle stoffen uit aardolie, steenkool of aardgas. Maar in de levende natuur zijn zuurstof en/of stikstof aanwezig in bijna alle verbindingen. Daarom vergt het maken van chemicaliën uit groene grondstoffen haast per definitie minder energie. Het behoud van structuur (de aanwezigheid van zuurstof en/of stikstof) betekent ook energiebesparing; zoals bewezen door bedrijven die al volgens dit principe werken: Solvay met epichloorhydrine uit glycerol, Dupont met propaandiol uit zetmeel.

Eiwitstructuur
De functie van eiwitten in de natuur hangt sterk af van hun ingewikkelde ruimtelijke structuur.

Behoud functionaliteit
De richtlijn ‘behoud structuur’ houdt in dat alcoholen, carbonzuren en hydroxycarbonzuren (bouwstenen van polyesters etc.) het best kunnen worden gemaakt uit suikers, die van nature veel zuurstofatomen bevatten. Amines en aminozuren (bouwstenen van nylons) kunnen het beste worden gemaakt uit eiwitten. Biotechnologische routes (d.w.z. met enzymen of gemodificeerde micro-organismen) zijn zeer geschikt; maar op basis van het hier besproken principe zijn er ook veel traditionele chemische reacties die veel minder energie vragen. Zo kan de furaan ringstructuur, gemakkelijk te maken uit sommige suikers, een prima uitgangspunt zijn voor een geheel nieuwe reeks chemicaliën, zoals onderzocht door Avantium.

Wij zouden het idee van behoud van structuur kunnen uitbreiden van individuele functionele groepen (groepen met zuurstof of stikstof) naar de ingewikkelde ruimtelijke structuren van organische moleculen in de natuur. We noemden al het idee van het behoud van de structuur van hout. De ultieme uitdaging op dit terrein is momenteel het winnen van eiwitten met hun volle functionaliteit, d.w.z. met behoud van hun ruimtelijke structuur en daardoor van hun werking in de natuur. Bij de meeste bewerkingen van biomassa worden deze functionaliteiten al vanaf het begin onklaar gemaakt, vooral door verwarming, waardoor eiwitten worden ‘gedenaturaliseerd’ (bijvoorbeeld bij het koken van een ei). Eiwitten met een vol aanwezige functionaliteit zouden veel meer waard kunnen zijn dan de som van hun onderdelen, precies omdat zij nog ‘functies’ vervullen.

Naar een holistische chemie
En zelfs hier zijn sommigen al doorgedrongen. Het mooiste voorbeeld is de winning van aardappeleiwitten uit aardappelvruchtwater door Solanic, een dochter van de Nederlandse aardappelcoöperatie AVEBE. Solanic scheidt de eiwitten in aardappelvruchtwater in twee fracties: een zure en een neutrale. Dit zijn de enige premium eiwitten van plantaardige oorsprong. Ze worden beide verwerkt in menselijke voedingsmiddelen, bijvoorbeeld de eerste in frisdranken en de tweede in room.

Hier ligt nog een enorm terrein om te onderzoeken. Volgens Alle Bruggink, een andere inspirerende denker over de biobased economy, is het produceren van de éne complexe structuur uit de andere terwijl de complexiteit tijdens het gehele proces wordt behouden, het eindstadium van de groene industrie. Hij spreekt van de ‘holistische chemie’ als de wetenschap van dit onderwerp. Het veld is uitdagend, misschien winstgevend, en duurzaam – precies zoals wij graag de toekomst van onze planeet zien.

Deze serie ‘Ontwerpregels voor de groene industrie’ bestaat uit de volgende artikelen:
No.1: verlaag kapitaalkosten en schep banen
No.2: wees zuinig met materialen
No.3: behoud structuur
No.4: het draait om elegantie

(Visited 5 times, 1 visits today)

Plaats een reactie