Groene chemicaliën hebben het moeilijk door de lage energieprijzen. Groene drop-ins kunnen maar moeilijk concurreren met petrochemicaliën. Dat versterkt de positie van specifieke groene platformchemicaliën. Bedrijven die zich toeleggen op nieuwe groene chemicaliën als FDCA (furaandicarbonzuur) bewijzen dat; en ook de wetenschap levert daar argumenten voor. Op de Biobased Materials conferentie, onlangs gehouden in Keulen, hield Thomas Farmer van York University een krachtig pleidooi voor nieuwe groene platformchemicaliën.
Niet zonder meer de petrochemische logica volgen
Op deze website hebben we een aantal malen een pleidooi gevoerd voor nieuwe groene platformchemicaliën, steeds wat anders geformuleerd. Probeer zo veel mogelijk de complexiteit van biomassa te handhaven, schreef Alle Bruggink twee jaar geleden, en probeer niet eerst de grondstof te reduceren tot eenvoudige fossiele basischemicaliën. Verval niet in de fout om eerst veel zuurstof te verwijderen, om deze naderhand weer toe te moeten voegen, schreef Willem Sederel, zoals in de voornamelijk petrochemische route glucose (C6H12O6) – ethanol (C2H6O) – etheen (C2H4) – etheenoxide (C2H4O) – etheenglycol (C2H6O2). En houd in gedachten dat je flink wat groene grondstof kunt verliezen, vooral in de vorm van CO2, als je deze gaat verwerken langs de lijnen van de petrochemische logica; zo schreven we bij de bespreking van een rapport over het rendement van biomassagebruik van nova-Institut. Maar de voordracht van Dr. Farmer in Keulen bracht hetzelfde op een veel elegantere manier.
Aan de basis van de redenering van Farmer ligt een figuur waarin organische verbindingen worden weergegeven aan de hand van hun gehaltes aan waterstof en zuurstof. Waterstof vormt de X-as, en daarom staan alle koolwaterstoffen op die as. Zuurstof vormt de Y-as, en daarom staan koolmonoxide en kooldioxide op die as. De figuur laat direct zien dat zowel groene grondstoffen als de meeste eindproducten veel zuurstof bevatten, anders dan fossiele grondstoffen. Fouten zoals besproken door Willem Sederel zullen in de figuur verschijnen als grote verplaatsingen, en deze verplaatsingen veroorzaken vanzelf veel chemisch afval.
Nieuwe groene platformchemicaliën
Figuur 1 toont de fossiele basischemicaliën (bijna allemaal koolwaterstoffen, met uitzondering van methanol) en de groene platformchemicaliën (bijna allemaal zuurstofhoudend, met uitzondering van limoneen). Figuur 2 toont dat fossiele basischemicaliën moeten worden geoxideerd om verhandelbare producten te verkrijgen en dat groene grondstoffen eerder gereduceerd moeten worden. Alleen dat al is in het voordeel van groene chemicaliën, want zoals iedere chemicus weet is oxidatie veel moeilijker in de hand te houden dan reductie, zelfs met goede en specifieke katalysatoren.
Farmer licht zijn betoog toe met voorbeelden van nieuwe groene platformchemicaliën die in de plaats kunnen komen van de gebruikelijke fossiele basischemicaliën. Daarbij spelen zaken als: zullen de nieuwe materialen, gemaakt uit groene platformchemicaliën, kunnen concurreren op prijs en kwaliteit? En op duurzaamheid (chemisch afval, energiegebruik e.d.)? Het eerste voorbeeld betreft itaconzuur (groen) versus maleïnezuur (uit aardolie). Maleïnezuur (cis-HOOC-CH=CH-COOH) wordt veel gebruikt bij de productie van onverzadigde polyesterharsen. Het wordt gemaakt uit butaan (zie figuur 3). Zou dit gemakkelijk kunnen worden vervangen door itaconzuur (HOOC-C(=CH2)-CH2-COOH), eenvoudig te maken door fermentatie van glucose? Itaconzuur heeft een dubbele binding, net als maleïnezuur, nodig voor dwarsverbindingen tussen de polyesterketens in de hars. Farmer en anderen hebben aangetoond dat de ongewenste effecten die vaak optreden bij deze vervanging kunnen worden overwonnen, zodat itaconzuur harsen van dezelfde kwaliteit kan opleveren als maleïnezuur. En dan zal op den duur het enorme verschil in reactiepad de doorslag kunnen geven ten gunste van de groene verbinding.
Bestaande regels vaak nog in het voordeel van drop-ins
Een ander voorbeeld van Farmer is de productie van de bekende polyester PET, en zijn mogelijke vervanging door groen PEF. Het belangrijkste bestanddeel van PET is tereftaalzuur, gemaakt uit p-xyleen. Het maken van tereftaalzuur uit petrochemisch p-xyleen lijkt veel op dat van maleïnezuur uit butaan. De drop-in oplossing zou nu zijn, tereftaalzuur te maken uit glucose (met kopiëring van een deel van het petrochemische productiepad), maar één blik op figuur 4 vertelt ons dat dit misschien niet zo’n goed idee is. Het groene alternatief is het al genoemde FDCA, waaruit wij PEF kunnen maken, een zelfs betere plastic dan PET. Het maken van FDCA en PEF uit glucose is niet heel ingrijpend (figuur 5). Het verschil tussen deze routes blijkt ook uit berekening van het rendement van biomassagebruik voor beide: glucose-naar-PEF heeft een veel hoger rendement (max. 87%) dan glucose-naar-PET (max. 62%).
Farmer geeft meer voorbeelden van nieuwe eigenschappen, mogelijk gemaakt door groene platformchemicaliën. Maar hij signaleert ook dat de wereld nog niet helemaal klaar is voor de komst van nieuwe groene platformchemicaliën. Bestaande wetgeving als REACh in Europa bevoordeelt drop-ins (die geen langdurige tests hoeven te ondergaan) boven nieuwe chemicaliën. Ook producenten, markten en consumenten staan meer open voor drop-ins. Maar deze hebben belangrijke nadelen. Als zij worden gemaakt uit groene grondstoffen verdwijnt daarmee veel functionaliteit, die juist goed gebruikt zou kunnen worden bij echte groene platformchemicaliën. En de chemie van deze nieuwe stoffen is soms heel anders dan die van fossiele basischemicaliën. Maar dat heeft ook het voordeel dat het kan leiden tot nieuwe patenten. En universiteiten, zegt Dr. Farmer, zouden kunnen helpen om deze nieuwe chemie onder de knie te krijgen.