Nieuwe methode benut biomassa volledig

In een duurzame samenleving moeten we fossiele grondstoffen vervangen door hernieuwbare varianten. Biomassa die bestaat uit lignocelluose is overvloedig beschikbaar, maar slechts een klein deel is om te zetten in waardevolle moleculen. Nu hebben chemici van de RUG een katalytische methode ontwikkeld dat het lignucellulose volledig kan afbreken en omzetten in bruikbare bouwstenen voor de chemie.

Lignucellulose is de belangrijkste bron van koolstofhoudende moleculen op onze planeet. Denk bijvoorbeeld aan houtsnippers of notendoppen. Het bestaat uit een combinatie van drie verschillende biopolymeren: cellulose, hemicellulose en lignine. Deze polymeren zijn te gebruiken als bouwstenen voor de chemische industrie en de productie van biobrandstof, maar dat kan pas wanneer ze tot kleinere moleculen zijn afgebroken.

Recyclen

Het probleem is dat de gebruikelijke verwerkingstechnieken vooral gericht zijn op het winnen van cellulose, om daar dan bijvoorbeeld biobrandstof van te maken. De lignine blijft achter, maar de structuur ervan is dan inmiddels wel gemodificeerd door de chemische behandelingen. Dit maakt het lastig hier nog iets bruikbaars van te maken, dus gaat het lignine veelal de verbrandingsoven in.

Maar nu heeft een team van RUG-chemici onder leiding van adjunct hoogleraar Katalyse voor Groene en Duurzame Chemie Katalin Barta een manier gevonden om lignocellulose af te breken tot aromatische verbindingen en alifatische alcoholen. Daarnaast hebben zij processen ontwikkeld om de afbraakproducten om te zetten in waardevolle ‘groene’ grondstoffen.

Zij begonnen met een recent ontwikkelde methode om lignine te winnen uit lignocellulose, die bestaat uit een combinatie van verpulpen en katalytische afbraak. Dit vindt gewoonlijk plaats in een organisch oplosmiddel, maar de methode laat een vaste fractie van cellulose achter, met daarin de katalysator. ‘Daardoor is het lastig de cellulose verder te verwerken en om de katalysator te recyclen’, legt Barta uit.

Zij pakte dit probleem aan door de lignocellulose in twee stappen af te breken met behulp van een op koper gebaseerde katalysator. ‘We probeerden ons idee uit, een simpele tweestaps reactie, en dat werkte boven verwachting goed. We kregen een volledige omzetting van de lignocellulose in kleinere moleculen.’ De koper katalysator brak het lignine af tot aromatische verbindingen en maakte een mengsel van alcoholen van het cellulose. Een bonus bij deze reactie is dat de katalysator volledig herbruikbaar was.

Bouwstenen

De resultaten bleken bij nadere analyse nog mooier te zijn: afhankelijk van het type biomassa ontstond er vooral één afbraakmolecuul, of een mengsel van maar een paar verschillende moleculen. Tot dan toe leverde de afbraak complexe mengsels op die lastig verder te verwerken zijn. ‘Onze vondst maakt het mogelijk om één enkele aromatische verbinding uit lignine te maken. Daardoor konden we chemische reacties ontwikkelen die daar een hele reeks interessante producten van maakt, zoals amines.’ Die amines zijn belangrijke bouwstenen voor de chemische industrie en het was niet eerder gelukt ze van lignine te maken.

Het lukte de Groningse chemici vervolgens ook om het mengsel van alcoholen uit de cellulose te verwerken tot alkanen die dienst doen als bio-brandstof. In een artikel dat verscheen in het allereerste nummer van het nieuwe tijdschrift Nature Catalysis, begin januari, beschrijven Barta en haar medewerkers de nieuwe katalytische methode die een volledige omzetting van lignocellulose oplevert, samen met de stappen om van de afbraakproducten waardevolle chemische bouwstenen te maken.

‘De eerste auteur van het artikel is mijn promovendus Zhuohua Sun, die dit werk met veel doorzettingsvermogen verder heeft gebracht ondanks de grote uitdagingen die hij daarbij tegenkwam, vooral bij het ontwikkelen van de verdere verwerking van de afbraakproducten’, vertelt Barta. Sun verdedigt later dit jaar zijn proefschrift. ‘Maar ik was ook erg blij om te zien dat dit onderzoek echt groepswerk was, een intensieve samenwerking tussen onderzoekers met een verschillende achtergrond. Iedereen was vanuit het eigen specialisme gericht op de centrale vraag: hoe krijgen we de meeste hoogwaardige producten uit lignocellulose.’

Reference: Zhuohua Sun, Giovanni Bottari, Anastasiia Afanasenko, Marc C. A. Stuart, Peter J. Deuss, Bálint Fridrich & Katalin Barta: Complete lignocellulose conversion with integrated catalyst recycling yielding valuable aromatics and fuels. Nature Catalysis doi:10.1038/s41929-017-0007-z