Jaarlijks oogsten wij wereldbolbewoners dertien miljard ton planten voor voedsel. Daarvan eten we er vijf miljard op. De overige acht miljard ton is plantaardig restmateriaal. De energieinhoud hiervan komt overeen met de hoeveelheid energie die de wereldbevolking jaarlijks verbruikt. 'Als je het zo bekijkt zijn er geen problemen in het gebruik van biomassa als bron voor energie en materialen,' zegt emeritus hoogleraar Alle Bruggink. Hij houdt zich onder andere via het Platform Groene Grondstoffen bezig met de groene economie. 'Op lokaal niveau zijn er natuurlijk allerlei moeilijkheden zoals de concurrentie tussen voedsel en energie, biodiversiteit, erosie, watergebruik en noem maar op. Maar de technologie is er. Dat betekent dat dit een verstandige richting is,' vindt Bruggink.

Beestjes
Katalyse is het geheim van de smid, aldus Bruggink. De enige manier om uit plantaardig materiaal nuttige stoffen te isoleren is met behulp van een katalysator. Dat kan een heterogene of homogene katalysator zijn, maar ook een enzym. Beide hebben hun eigen specialiteit. Chemokatalysatoren zoals deze klassiekers ook wel worden genoemd zijn de voor de hand liggende keus voor alle processen bij hoge concentraties, temperaturen en drukken. Bert Weckhuysen is hoogleraar katalyse aan de Universiteit Utrecht en wetenschappelijk directeur van CatchBio, een onderzoeksprogramma naar chemische katalysatoren voor groene chemie uit biomassa. Hij zegt: 'De activiteit per kubieke meter van een heterogene katalysator is erg hoog en aangezien deze systemen bij hoge temperatuur en druk kunnen opereren heeft het heel wat voordelen. Niet echt het werkgebied van micro-organismen.'
Aan de andere kant kan de chemokatalyse meestal slecht overweg met water, legt Luuk van der Wielen, hoogleraar Biotechnologie aan de TU Delft uit: 'Een enzymsysteem kan voordelen hebben in selectiviteit van de reactie. Dit speelt een grote rol als er veel functionele groepen in het molecuul zitten en er een cascade van reactiestappen moet plaatsvinden. Met name in waterig milieu is het momenteel makkelijker om dat met een biologisch systeem uit te voeren.'

Voedsel
Een van de eerste commerciële processen die biomassa gebruiken is de productie van bioethanol uit gewassen zoals graan, maïs en vooral rietsuiker. In Brazilië rijdt 30% van de auto's op lokaal geproduceerde bioethanol. Goed voor het klimaat maar minder goed voor de voedselvoorziening. Beter zou zijn om stro, houtafval of bagasse (het afval van suikerriet) als grondstof te gebruiken. Tot voor kort was er echter geen technologie die uit lignocellulose, het hout-achtige materiaal waaruit het restmateriaal voornamelijk bestaat, een volledig bruikbare grondstof vrij te maken.
Met behulp van biokatalyse is dat een paar bedrijven en instellingen inmiddels wel gelukt. De TU Delft werkt samen met het Utrechtse Kluyver center for Genomics en met partners binnen het B-Basic onderzoeksprogramma aan deze tweede generatie-technologie. Als hernieuwbare grondstof dient gehydrolyseerde (hemi)cellulose, een polymeer van suikermoleculen zoals glucose, xylose en arabinose. Vooral de laatste twee zogenaamde C5-suikers zijn moeilijk om te zetten in ethanol. De onderzoekers ontwikkelden gistsoorten die ervoor zorgen dat zowel C5 als C6 suikers met gelijke snelheid en efficiëntie in ethanol worden omgezet. Ook de Nederlandse ethanolproducent Nedalco ontwikkelde een proces om hemicellulose tot ethanol om te zetten. Zij opent eind 2008 een proeffabriek in Sas-van-Gent.
Andere brandstoffen kunnen eveneens uit reststoffen worden gemaakt. Van der Wielen is wetenschappelijk directeur van het B-Basic programma. Dit NWO/ACTS-programma zoekt naar biotechnologische oplossingen om chemicaliën en brandstoffen uit biomassa te produceren. Een voorbeeld is het maken van butanol en derivaten uit biomassa door middel van fermentatie. 'Dat is interessant omdat butanol een hogere energiedichtheid heeft dan ethanol en beter mengt met benzine. De fermentatie is echter een veel moeilijker proces omdat butanol langzamer en in lagere concentraties wordt gemaakt. Bovendien remt butanol het organisme dat het produceert en is lastig weer uit het water te krijgen.'

Bulkchemie
Maar niet alleen voor brandstoffen is biomassa geschikt, hoewel het zo'n 90% van het gebruik van alle biomassa uitmaakt. Er zijn diverse voorbeelden van commerciële productie van chemicaliën uit biomassa. Sommige zijn nieuwe materialen zoals bioplastics. In de VS staan bijvoorbeeld fabrieken voor polylactaat dat gemaakt wordt uit de groene grondstof melkzuur. Polylactaat is biologisch afbreekbaar en kan kunststoffen vervangen in bijvoorbeeld verpakkingsmateriaal. Sinds kort produceert Dupont in de VS het halffabrikaat 1,3-propaandiol langs fermentatieve weg uit maïs met een procedé ontwikkeld door het biotechnologische bedrijf Genencor. Ten slotte maakten DSM en het Franse zetmeelbedrijf Roquette onlangs bekend de commerciële productie van barnsteenzuur, een grondstof voor plastics, door fermentatie van biomassa op te starten.
Juist in de bulk- en fijnchemie is nog heel wat winst te halen, denkt Bert Weckhuysen. Het CatchBio consortium dat deze zomer van start gaat, onderzoekt de mogelijkheden. De groep van Weckhuysen zal bijvoorbeeld zijn onderzoek voortzetten naar glycerol dat bij de productie van biodiesel (uit bijvoorbeeld koolzaad of palmolie) overblijft. Daar kun je koolwaterstofstaarten aan verbinden en het product als surfactant (zeep) of in crèmes gebruiken. Het probleem is dat de glycerol uit biodiesel vervuild is, legt Weckhuysen uit. Het bevat naast veel water ook zouten en as. Dat kan de chemokatalysator vergiftigen. Maar daarnaast kan het water de stabiliteit van de heterogene katalysator ondermijnen 'De uitdaging is om chemokatalysatoren te maken die stabiel zijn in waterig milieu bij relatief hoge temperaturen en drukken.'

Zuurstof
Welke processen ook worden uitgevonden, ze verschillen totaal van de chemie die reuzen als DSM of Shell nu uitvoeren voor het maken van hun bulk- of fijnchemicaliën en brandstoffen. 'Ik denk dat de opkomst van biomassa voor de chemie een vergelijkbare verandering teweeg zal brengen als de transitie van steenkool naar aardolie en -gas,' stelt Alle Bruggink. Chemisch gezien hield de overgang van steenkool naar aardolie namelijk in dat er van pure koolstof (C in steenkool) naar koolwaterstof (CH) werd gegaan. Met biomassa komt daar een zuurstofatoom in het molecuul bij.
Geoxideerde moleculen zijn de basis van vrijwel alle bulk- en fijnchemicaliën. 'Katalytische oxidatie is de allermoeilijkste stap bij het maken van chemicaliën. Die stap krijgen we nu aangereikt,' zegt Bruggink. 'We krijgen dus een veel groter palet van grondstoffen waar we uit kunnen kiezen. Bovendien denk ik dat halogenen straks in de chemie veel minder nodig zullen zijn omdat we al functionaliteit hebben in de vorm van zuurstof.' Op de langere termijn denkt Bruggink dat we ook grondstoffen die stikstof bevatten uit biomassa zullen gaan winnen. 'Uiteindelijk zijn het aminozuren waar biomassa vol mee zit. Op die manier krijgen we nog meer functionaliteit in bouwstenen.'

Dit artikel is gepubliceerd in het Chemisch2Weekblad no. 13, 28 juni 2008.