Chemici maken met elektriciteit bouwsteen voor medicijnen en plastics uit biomassa
- prof.dr. JH (Harry) Bitter
- Hoogleraar/Leerstoelhouder
Wageningse en Utrechtse chemici hebben een nieuwe manier ontwikkeld om uit biomassa een veelbelovende chemische bouwsteen te maken. Die bouwsteen dient als basis voor nuttige stoffen zoals plastics, medicijnen en geur- en smaakstoffen. Normaal gesproken vereist de productie van die stof gevaarlijke chemicaliën. Het Nederlandse onderzoeksteam laat nu zien dat het ook kan met elektriciteit, in een eenvoudige opstelling en zonder toevoeging van risicovolle stoffen. Ze publiceerden de resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift ChemSusChem.
Het onderzoek draait om de bouwstof 2(5H)-furanon. Die stof heeft potentie in de industrie en kan dienen als grondstof voor diverse bruikbare materialen. De Wageningse promovendus Dmitri Pirgach slaagde erin deze stof te maken uit furfural, een vloeistof die wordt gewonnen uit suikers van plantaardige resten zoals landbouwafval. Eerder slaagden wetenschappers er ook al in om die biobased furfural om te zetten in de veelzijdige stof furanon, maar die reactie vereist vloeibaar broom, een giftige stof. Dat brengt strenge veiligheidsmaatregelen met zich mee.
Geen voorraad giftig broom
Voor zijn nieuwe methode, hoeft Pirgach die giftige stof niet toe te voegen. De reactie vindt plaats in een elektrochemische reactor, een opstelling waarin elektrische stroom chemische reacties aandrijft. In plaats van vloeibaar broom, gebruiken de onderzoekers bromidezouten, zoals natriumbromide. Dat zijn relatief onschuldige zouten waarin broom in gebonden vorm voorkomt. Zodra er stroom door de reactor loopt, oxideert het bromidezout aan de elektrode tot broom. Dat reageert met water waarna het furfural oxideert en een reeks chemische stappen in gang zet. Uiteindelijk ontstaat het gewenste product: 2(5H)-furanon.
Indirect speelt broom dus nog steeds een rol, maar het ontstaat alleen op het moment dat de reactie plaatsvindt en reageert direct verder. “Het broom vormt zich alleen op het moment dat je het nodig hebt”, zegt Harry Bitter, hoogleraar Biobased Chemistry and Technology en laatste auteur van de publicatie. Daardoor hoeven chemische fabrieken geen voorraden van de giftige roodbruine vloeistof op te slaan of te vervoeren. Dat maakt het proces een stuk veiliger.
Eenvoudigere reactor
Het idee om furanon elektrochemisch te maken is niet nieuw. Chemici probeerden dat al eerder en gebruikten daarbij een zogenoemde gescheiden cel: een elektrochemische reactor met twee compartimenten, gescheiden door een membraan. Die scheiding voorkomt dat reactiestappen elkaar verstoren, vertelt Pirgach. Die aanpak heeft echter ook nadelen: membranen zijn duur, slijten relatief snel en verhogen het energieverbruik. Bitter legt uit hoe dat zit: “Zo’n membraan kun je zien als een fijnmazige zeef waar ionen daardoorheen geperst moeten worden en dat kost extra stroom.”
De promovendus koos daarom voor een eenvoudiger opstelling: een ongescheiden cel, een elektrochemische reactor zónder scheidingswand. Dat maakt de reactor goedkoper en energiezuiniger, maar brengt ook een nieuw probleem met zich mee. Omdat alle stoffen in zich in dezelfde ruimte bevinden, kunnen ze allemaal met elkaar – en beide elektrodes – reageren, waardoor er ongewenste bijproducten ontstaan.
De reactie sturen
Om dat probleem te beperken, voegde Pirgach een kleine hoeveelheid zwavelzuur toe aan het reactiemengsel. Zuur verandert de omstandigheden in de reactor en stuurt zo het verloop van de reactie. Daardoor ontstaan minder ongewenste stoffen en verloopt de vorming van furanon betrouwbaarder. Met die aanpassing werkte de elektrochemische route ook in de eenvoudige reactor zonder membraan. Volgens Pirgach bleef het energieverbruik daarnaast beperkt. “De reactie in het lab kostte minder dan 0,5% stroom die een waterkoker nodig heeft voor een kookbeurt.”
Nu hebben we het wel over productie op kleine schaal. In hun experimenten maakten de onderzoekers slechts 0,3 milliliter furanon. Toch geeft dat volgens de chemici al voldoende materiaal om de reactie goed te analyseren en te optimaliseren. “Dit is typisch fundamenteel onderzoek”, zegt Bitter. “Je begint klein en probeert eerst te begrijpen hoe de chemie precies werkt. Daarna kun je gaan nadenken over toepassingen op grotere schaal.”
Kleine stappen naar de praktijk
Die fase komt nu langzaam in zicht en daarmee kan het onderzoek interessant worden voor de chemische industrie. Furanon geldt als een veelzijdig molecuul dat kan dienen als basis voor kunststoffen, geurstoffen en farmaceutische verbindingen. Omdat het startpunt furfural uit plantaardige reststromen komt, sluit de route bovendien aan bij de groeiende belangstelling voor biobased chemie. De elektriciteit die nodig is voor de reactie zou in principe uit hernieuwbare bronnen kunnen komen.
Voordat het zover is, moeten chemici het proces wel verder optimaliseren en opschalen. Reacties die op gramschaal goed werken, gedragen zich in grotere reactoren vaak anders. Toch denken de onderzoekers dat elektrochemische routes zoals deze een rol kunnen gaan spelen in duurzamere chemische productie. “Dit is een mooie combinatie van het gebruik van hernieuwbare elektriciteit met hernieuwbare grondstoffen om bouwstenen te maken voor circulaire producten”, zegt de Wageningse Daan van Es, co-auteur en expert op het gebied van toegepaste, duurzame en circulaire chemie. “Er is nog een weg te gaan voordat we dit industrieel kunnen toepassen, maar het heeft veel potentie. De milde reactiecondities en de mogelijkheid om dit lokaal in Nederland te produceren zijn belangrijk voor de ontwikkelingen in de Europese chemische industrie.”
Publicatie: Indirect Baeyer–Villiger Oxidation of Furfural by In Situ Formed HOBr in an Undivided Electrochemical Cell
Heeft u een vraag?
Heeft u een vraag rondom dit onderwerp of ziet u kansen om met ons samen te werken? Neem dan contact op met onze expert.
