De omzetting van de plantaardige stof lignine in de brandstof kerosine is een stuk efficiënter geworden. Dat hebben Nederlandse, Chinese en Zwitserse chemici bereikt met een nieuwe katalysator, hier een stof die de chemische reacties vergemakkelijkt. Met hun methode, die ze onlangs beschreven in Nature Chemical Engineering, komt de commerciële omzetting van lignine in duurzame brandstoffen, met name kerosine voor de luchtvaart, in de ogen van de wetenschappers een stuk dichterbij.
Om de opwarming van de aarde te stoppen zullen fossiele brandstoffen (kolen, olie, gas) vervangen moeten worden door duurzame alternatieven. De productie van biobrandstoffen uit plantaardig materiaal is zo’n alternatief. Een concurrerend alternatief is elektrisch vervoer, met accu’s. „Voor auto’s en trucks wordt vooral veel verwacht van elektricificatie”, zegt Emiel Hensen, hoogleraar anorganische materialen en katalyse aan de TU Eindhoven, en coördinerend onderzoeker van de nu gepubliceerde studie. „Maar voor zwaarder vervoer, met schepen en vliegtuigen, wordt meer gekeken naar brandstoffen op basis van onder meer biomassa.”
Veel biomassa, zoals hout en stro, bestaat hoofdzakelijk uit lignocellulose, een mengsel van cellulose, hemicellulose en lignine. Het zijn de meest voorkomende organische materialen op aarde. Cellulose kan relatief eenvoudig worden omgezet in bio-ethanol, een brandstof die nu door benzine wordt gemengd.
Lastiger om te zetten
Maar lignine is veel lastiger om te zetten. „Het wordt nu meestal verbrand, maar dat is een laagwaardige toepassing”, zegt Hensen. Volgens hem zou de omzetting van biomassa commercieel een stuk interessanter worden als lignine ook in hoogwaardigere producten, zoals kerosine, kan worden omgezet.
Dat lignine zo lastig is om te zetten heeft met z’n opbouw te maken, legt Hensen uit. Cellulose bestaat uit zich herhalende eenheden van glucose, die allemaal via eenzelfde binding aan elkaar gekoppeld zijn. Je hoeft alleen die ene verbinding te verbreken om losse eenheden glucose te krijgen, die je vervolgens kunt omzetten in ethanol.
Maar lignine is een driedimensionaal netwerk opgebouwd uit ringvormige moleculen die via verschillende bindingen gekoppeld zijn. „De ringvormige moleculen wil je behouden, want die zijn geschikt als brandstoffen zoals kerosine”, zegt Hensen. De bindingen bestaan uit koolstof-en zuurstofatomen (C-O-C), of uit koolstofatomen (C-C). De eerste is relatief makkelijk te verbreken, de tweede is veel hardnekkiger.
De katalysator die de chemici nu hebben gebruikt, richt zich juist op die C-C-binding, en bestaat uit een combinatie van platina en een zeoliet. Een zeoliet is een driedimensionaal mineraal met veel holtes, waarin reacties kunnen plaatsvinden. De omzetting met de katalysator is een tweetrapsreactie. Platina verzwakt de C-C-binding, en het zeoliet kraakt ’m vervolgens. De chemici ontdekten dat de opbrengst van ringvormige moleculen omhoog gaat als platina en zeoliet zich dichter bij elkaar bevinden. De reactie vond plaats bij een temperatuur van om en nabij de 260°C. „Wat relatief mild is”, zegt Hensen.
De chemici probeerden hun nieuwe aanpak uit op hardhout en zachthout (berk). De opbrengst aan afzonderlijke ringvormige moleculen lag twee tot elf keer hoger dan in eerder beproefde methodes. De ringvormige moleculen bestaan, inclusief nog wat variërende koolstofzijgroepen, uit 6 tot 12 koolstofatomen. Moleculen met meer dan 9 koolstofatomen zijn geschikt als kerosine.
Minder broeikasgassen
Volgens de chemici is hun methode concurrerend met alternatieve technieken om duurzame kerosine te maken, zoals de productie van synthetische kerosine via het Fischer-Tropsch–procedé. Daarbij wordt kerosine opgebouwd uit een mengsel van koolstofmonoxide en waterstof. Ook berekenden de chemici dat er bij hun methode de helft tot driekwart minder broeikasgassen vrijkomen vergeleken met die alternatieve technieken.
„De nieuwe katalysator werkt niet enkel bij lage temperaturen, maar geeft ook heel mooie opbrengsten, zelfs bij moeilijk om te zetten ligninestromen”, zegt Bert Weckhuysen, hoogleraar anorganische chemie en katalyse aan de Universiteit Utrecht. Hij was niet bij de studie betrokken.
Volgens hem is de studie inderdaad een belangrijke stap voorwaarts. De moeilijk te breken chemische bindingen in lignine worden selectief aangepakt. Dat maakt het mogelijk om ook technische ligninestromen, bijvoorbeeld afkomstig van de papier- en pulpindustrie, op een efficiënte manier om te zetten naar brandstoffen. „Wanneer de katalysator ook bestand blijkt tegen vervuilingen in de technische ligninestromen, zoals zwavel, dan heeft hij een grote stabiliteit. Dan heeft de omzetting heel wat potentie.”
Toekomstig onderzoek zou er zich volgens Weckhuysen op kunnen richten om de toegankelijkheid van het zeolietmateriaal te verbeteren, wat de reactiviteit verder verhoogt.