Fra sukker til blødgørere

fredag 02 dec 11
|

Kontakt

John Woodley
Professor
DTU Kemiteknik
45 25 28 85

Kontakt

Anders Riisager
Professor
DTU Kemi
45 25 22 33

Kort om katalyse

Katalyse er det fænomen, at en katalysator øger hastigheden af en kemisk reaktion. En katalysator er et stof, der igangsætter eller accelererer en kemisk proces. 

Enzymer og mange kemiske materialer kan fungere som katalysatorer.

Utraditionelt forskningssamarbejde mellem Novozymes og DTU har frembragt en effektiv teknologi, der åbner op for en grønnere produktion af fremtidens plastik.

Muligheden for at erstatte olie med biomasse som råstoffet i kemikalieproduktionen – uden at omkostningerne ryger i vejret – er rykket et stort skridt nærmere efter et vellykket forskningsprojekt mellem Novozymes og DTU. I projektet er en ny og utraditionel proces udviklet, som kan omdanne sukkerstoffer fra biomasse til et kemikalie, der kan erstatte ftalsyre. Ftalsyre fremstilles i dag ud fra olie, og det anvendes i polyester til tøj, plast i sodavandsflasker og udgør basiskemikaliet i plastblødgørere, ftalaterne. Med det nye alternativ til ftalsyre kan man tale om, at vejen er åbnet for en grønnere produktion af fremtidens plastik og for et grønnere alternativ til ftalaterne. ”Alle har en vision om, at vi i fremtiden kan bruge biomasse til alting, og det er egentlig det, vi har testet i dette projekt. Kan vi rent faktisk bruge det som et alternativ til olie, eller skal vi kigge en anden vej og finde andre emner, som er bedre egnede?” spørger professor John Woodley fra DTU Kemiteknik. Han har sammen med sine kolleger brugt det seneste år på at justere og udvikle teknologien bag processen, så produktionen af de ’grønne’ kemikalier bliver så stabil og så billig som muligt. Den er nu så fin-tunet, at det ser rigtig lovende ud, siger både forretningsudvikler Thomas Grotkjær og projektleder Sven Pedersen, begge fra Novozymes. ”Potentialet ude i fremtiden er blandt andet, at vi kan begynde at erstatte nogle af de mere end 50 mio. ton ftalater, der hvert år bliver produceret af fossile råstoffer, med kemikalier, som er fremstillet af fornybare ressourcer,” siger Thomas Grotkjær. 

Grønne alternativer 

For at kunne omdanne biomasse til det grønne alternativ til ftalsyre skal biomassen igennem tre katalytiske trin. Katalyse er en proces, der forøger hastigheden på en kemisk reaktion. Det sker ved hjælp af en katalysator, som kan være et kemisk materiale eller et enzym. På første trin har man glukose, som er udvundet af biomasse. Glukosen skal omdannes til fruktose. Denne omdannelse sker ved hjælp af enzymatisk katalyse. Det er Novozymes specialister i, og det er deres enzymteknologi, der ligger til grund for, at denne omdannelse lader sig gøre. På andet trin i processen skal fruktosen omdannes til kemikaliet hydroxymethylfurfural (HMF). Denne omdannelse sker ved hjælp af kemisk katalyse. Når man har kemikaliet HMF, er det muligt at fremstille et nyt kemikalie, nemlig furandicarboxylsyre (FDCA). Det er FDCA, som kan erstatte den føromtalte, oliebaserede ftalsyre (se faktaboks). 

To uforenelige verdener 

Det nye er ikke at erstatte olie i kemikalieproduktionen med sukker udvundet af biomasse. Det nye er, at det kan lade sig gøre ved at kombinere enzymatisk og kemisk katalyse, fortæller Anders Riisager, lektor ved DTU Kemi. ”Vi fik faktisk forenet enzymatisk og kemisk katalyse i produktionssammenhæng. Det er der ingen, der har demonstreret før inden for grøn kemi,” siger Anders Riisager. Normalt er det to uforenelige verdener: Den enzymatiske katalyse og den kemiske katalyse. Den ene verden består af vand og små, lune 37 grader. Det er her, enzymerne trives. Den anden verden er den kemiske og befinder sig ofte i gasfase og over 300 grader. Og folkene, der arbejder i de to verdener, har forskellig baggrund og forskellige tankesæt og er vant til at arbejde hver for sig. Derfor var det en utraditionel, men visionær beslutning at sætte sig sammen for ambitiøst at koble de to verdener sammen, da Novozymes og DTU gik i gang med forskningsprojektet. ”Det er usædvanligt at sidde sammen med så forskellige eksperter. Vi fik samlet al viden på ét sted, og der opstod unikke synergier, som førte til nytænkning.” Det krævede en del detektivarbejde at finde de to kemiske katalytiske processer og kombinere dem med den enzymatiske katalyse, fortæller Anders Riisager. ”Det var et større udvælgelsesarbejde at finde de rette katalysatorer, og et stort antal blev testet. Men endelig lykkedes det os at udvikle nogle særlige kemiske katalysatorer, som virkede, og vi fik fundet en effektiv vej til at gå fra sukker til FDCA,” forklarer Anders Riisager. Det lykkedes også Anders Riisager og forskerkollegerne at bruge FDCA’en til at fremstille plastblødgørere, og i et køleskab på DTU Kemi står beviset i form af et stort glas med skruelåg fyldt med et gulligt pulver. Det er blødgørerne. Ud over gevinsten, der er ved at erstatte olie med biomasse i produktionen af blødgørere, kan gevinsten også vise sig at være, at disse nye, ’grønne’ plastblødgørere har en mindre eller måske slet ingen hormonforstyrrende effekt, som nogle af de traditionelle ftalater mistænkes for.

Opskalering lykkedes 

Selvom det lykkedes forskerne fra Novozymes og DTU at finde den effektive katalytiske vej til at fremstille FDCA af glukose, var det kun starten af projektet. For en ting er, hvad man kan gøre i et laboratorium – noget andet er, hvad der kan lade sig gøre i et produktionsanlæg, fortæller professor John Woodley fra DTU Kemiteknik. ”Den store udfordring er opskaleringen. Man kan få mange geniale idéer i laboratoriet, men hvis det ikke kan opskaleres, så er det værdiløst,” forklarer John Woodley. Opskaleringen er sket i et mini-pilotanlæg, der ikke er større, end at det kan være inde i et stinkskab. Kemikalieproduktionen viste sig at give kemiteknikforskerne en del hovedbrud, og de har måttet opfinde og udvikle en del løsninger for at opskaleringen kunne lykkes. ”En af de store udfordringer har været at integrere den enzymatiske proces med den kemiske, fordi de sker under meget forskellige betingelser,” siger John Woodley, der fortæller, at forskerne måtte ændre på både temperatur, pH-værdi, tryk og typen af væsker, som anvendes. Samtidig har de lavet beregninger for hele tiden at holde øje med, om produktionen bliver så billig som muligt.For ellers vil det ikke blive et alternativ, som producenterne vil benytte. 

25 år gammel drøm 

Der er stadig et stykke vej, før man kan tale om en egentlig produktion af ftalater baseret på biomassekemikalier, fortæller man hos Novozymes. Inden nytår vil virksomheden have besluttet, om teknologien skal skaleres op i et større pilotanlæg. ”Der er stadig nogle kritiske spørgsmål, som skal besvares, og med pilotanlægget vil vi kunne indhente flere data om produktion og markedsmuligheder,” forklarer Thomas Grotkjær, som uddyber, at de kritiske spørgsmål lyder: Er processen stabil og kontinuerlig i en større produktion? Kan man genindvinde rest- og spildprodukter og undgå for meget affald? Kan de nye kemikalier såsom FDCA erstatte de eksisterende kemikalier, og vil nuværende producenter gøre det? Og hvilke egenskaber har de – også i forhold til menneskers sundhed? Novozymes har indgået en samarbejdsaftale med en udenlandsk virksomhed, hvis navn endnu ikke kan afsløres, men med partnerskabet kan det blive muligt at investere yderligere i teknologien. Virksomheden har interesse i at producere FDCA, mens Novozymes vil levere teknologien. ”Vi skal bruge to-tre år på at teste teknologien og produktionen i et større pilotanlæg for at indhente flere data. Først derefter vil vi have afdækket, om teknologien kan bruges til en kemikalieproduktion i stor skala. Hvis alt går vel, så kan der eksistere en proces til produktion af HMF og FDCA i storskala om fem til ti år,” lyder vurderingen fra Thomas Grotkjær. Det kan virke som længe, før biomasse udgør et alternativ til en del af kemikalieproduktionen, men ting tager tid. ”Vi er kommet i mål med en 25 år gammel drøm om at lave HMF af glukose. Det har været et ambitiøst mål, og der har været mange udfordringer, men vi har bestemt fået indfriet vores forventninger,” slutter projektleder Sven Pedersen, Novozymes. 

Platformskemikalier

I den traditionelle kemikalieproduktion, som i dag er baseret på fossile råstoffer, fremstiller man syv kemiske byggesten – platformskemikalier – hvorfra stort set alle andre kemikalier bliver frembragt. 

På lignende vis har man inden for den grønne kemiproduktion, hvor råstoffet er biomasse, udset sig 12 platformskemikalier – hvor hydroxymethylfurfural (HM F) er en af dem. 

Med HM F er det blandt andet muligt at fremstille kemikaliet furandicarboxylsyre (FDCA), der kan erstatte ftalsyre, som indgår i polyester til tøj, plast i sodavandsflasker og som basiskemikalie i plastblødgørere, ftalaterne.

Relaterede Videoer  

Vis flere