Nikkel-gekatalyseerde demethoxylatie van lignine-afgeleide componenten

Afval van papierindustrie in de strijd tegen de Afrikaanse slaapziekte

Biomassa als duurzaam alternatief voor fossiele brandstoffen

Gezien de eindige reserves aan aardolie en andere fossiele brandstoffen, groeit de laatste jaren het besef dat de mens op zoek dient te gaan naar duurzame bronnen voor brandstoffen en chemicaliën. Energie uit vloeibare brandstoffen kan eventueel vervangen worden door wind- water- of zonne-energie tot zelfs geothermale energie. Fossiele brandstoffen dienen echter niet enkel tot de productie van energie en brandstoffen, maar ook tot de productie van bulk- en fijnchemicaliën. Ook voor deze chemicaliën zal een duurzaam alternatief nodig zijn.

Biomassa is een geschikte kandidaat voor de duurzame productie van deze chemicaliën. Het is hernieuwbaar, goedkoop en voldoende beschikbaar. Het probleem stelt zich echter wanneer de aangewende biomassa eveneens geschikt is als voedsel voor de mens. In dat geval is de concurrentie met de voedingsmarkt immens. Zo is bijvoorbeeld de productie van biodiesel uit koolzaad niet rendabel, want koolzaad is immers geschikt voor menselijke consumptie. Toch zijn er vele vormen en componenten van biomassa die onverteerbaar zijn voor mensen en op die manier zeer geschikt voor de omzetting naar verschillende chemische verbindingen. Lignine is zo een component.

Lignine, de ‘deus ex machina’ tegen de verspreiding van de Afrikaanse slaapziekte

Lignine is aanwezig in alle planten. Het is een aromatisch biopolymeer dat noodzakelijk is voor de rigide structuur in de cellen en zorgt voor stevigheid en de houtachtige structuur. De samenstelling varieert sterk naargelang de verschillende plantensoorten. Het is onverteerbaar voor mens en dier en voldoet zo aan de belangrijkste voorwaarde, geen concurrentie met de voedingssector, om in aanmerking te komen als bron voor de duurzame productie van chemicaliën.

De structuur van lignine komt sterk overeen met de structuur van hedendaagse bulkchemicaliën als fenol, benzeen en tolueen. Lignine is dus een zeer geschikte grondstof voor de productie van deze chemicaliën. Naast platformchemicaliën zijn er ook fijnchemicaliën met een gelijkaardige structuur. Een bekend voorbeeld is de smaakstof vanilline, welke op commerciële schaal uit lignine gevormd wordt. Nog voorbeelden van waardevolle fijnchemicaliën zijn 3-ethylfenol en 3-n-propylfenol. Deze chemicaliën zijn lokmiddelen voor de tseetseevlieg. De tseetseevlieg is de voornaamste overbrenger van de Afrikaanse slaapziekte. Jaarlijks worden zo honderdduizenden mensen besmet, velen van hen sterven door het gebrek aan een juiste behandeling. Door het gebruik van deze lokmiddelen kan de populatie van de tseetseevlieg gecontroleerd worden om verdere besmettingen in te dijken. Zulke lokmiddelen zijn echter zeer duur, de bestaande syntheseroutes zijn zeer afvalintensief, met vorming van veel schadelijke en vervuilende nevenproducten.

‘Size does matter’ de chemische technologie achter de omzetting

Deze thesis aan het Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse (KU Leuven) toont aan dat het mogelijk is om lignine op een goedkope en efficiënte manier om te zetten in 3-ethylfenol en 3-n-propylfenol. Daarvoor wordt er gebruik gemaakt van een vaste katalysator, een stof die de reactie versnelt en de vorming van ongewenste producten tegengaat. Het voordeel van het gebruik van een vaste katalysator is dat deze via filtratie eenvoudig kan afgescheiden worden van het reactiemengsel. De katalysator bestaat uit een oxide dragermateriaal waarop nikkeldeeltjes aanwezig zijn. De kristalstructuur van het dragermateriaal en de grootte van de nikkeldeeltjes zijn zeer bepalend voor het welslagen van de omzetting. Kleine nikkeldeeltjes zijn essentieel voor een selectieve omzetting. Als de metaaldeeltjes echter te groot worden, is de katalysator wel heel actief, maar worden er niet meer de juiste producten gevormd. Gelukkig heeft het onderzoek uitgewezen dat, door de juiste keuze van dragermateriaal en hoeveelheid nikkel, de grootte van de nikkeldeeltjes gecontroleerd kan worden. Hierdoor is een selectieve productie van de lokmiddelen mogelijk en worden de ongewenste bijproducten vermeden, wat de industriële toepasbaarheid van het hele proces ten goede komt. Daarbij biedt de lage kostprijs van het dragermateriaal en het nikkelmetaal grote voordelen ten opzichte van katalysatoren met dure metalen zoals platina of palladium, of dure alternatieve syntheseroutes.

Afval als de grote leverancier

Gaan we dan massaal bomen kappen voor de productie van onze chemicaliën? Het antwoord is hier resoluut: ‘neen’. De ontbossing neemt hand over hand toe, het bijkomende vellen van bomen, louter voor het produceren van chemische moleculen is geen duurzame oplossing. Toch hoeven er geen bijkomende bomen te sneuvelen voor het bekomen van bruikbare ligninestromen, deze zijn afkomstig uit de papierindustrie. Jaarlijks wordt een grote hoeveelheid bomen gekapt om papier te produceren. Deze biomassa bevat 40 tot 50 % cellulose, het is deze cellulose die gebruikt wordt voor de productie van papier. Via een ‘pulping’ proces wordt de lignine uit de biomassa verwijderd, waarna de cellulose als pulp achterblijft. Zo worden jaarlijks vele tonnen goedkope lignine bekomen uit de papierindustrie. De toepassingen van geïsoleerde lignine op zulke grote schaal zijn voorlopig echter beperkt. Het overgrote deel wordt verbrand voor energierecuperatie, waardoor de prijs gedrukt blijft. Vanwege de grote schaal waarop de papierindustrie opereert zijn er enorme hoeveelheden aan goedkope lignine beschikbaar. Er is geen uitgesproken competitie met de voedingssector of andere industriële sectoren die deze ligninestromen gebruiken als grondstof in hun productieproces. De grote productievolumes en lage prijs, maken lignine ook op economisch vlak een interessante bron voor de productie van chemicaliën.

Vanwege de lage kostprijs van zowel de katalysator als de grondstoffen, is het mogelijk om 3-ethylfenol en 3-n-propylfenol, de lokmiddelen voor de tseetseevlieg, op een goedkope manier te produceren. Zo kan men afstappen van dure, vervuilende en inefficiënte syntheseroutes. De ontwikkeling van de nieuwe katalysator maakt het dus mogelijk om op een duurzame, efficiënte en rendabele manier de strijd aan te gaan tegen de verspreiding van de Afrikaanse slaapziekte. Hierdoor staat de deur naar aanpak van dit maatschappelijk probleem wagenwijd open.