Enzymen helpen chemische industrie te vergroenen

Esters (organische verbindingen) vormen in de chemische industrie een belangrijke groep van basischemicaliën. Om ze te produceren zijn vaak een hoge temperatuur en druk (en dus robuuste chemische reactors) nodig. Eveneens vereist de productie vaak oplosmiddelen (solventen) die meestal een hoge milieu-impact bezitten. Tot slot kan deze ‘chemische’ aanmaakwijze bij eindproducten ook eigenschappen zoals kleur en geur beïnvloeden, iets wat zowel in de voedings- als in de cosmetische industrie bij voorkeur wordt vermeden. Als er een alternatief is om esters op een andere, meer duurzame manier te produceren, dan is dat zeer welkom in de chemische industrie.

Enzymatische route

Dit alternatief kan worden gevonden in enzymatische processen. Enzymen zijn de katalysatoren van de natuur. In de vorm van vaak complexe biomoleculen katalyseren zij de chemische reacties onder milde temperatuur- en drukvoorwaarden. Deze reacties verlopen meestal zonder dat hulpchemicaliën en oplosmiddelen nodig zijn, waardoor er routes mogelijk zijn die aanzienlijk minder stappen omvatten en minder afval genereren dan conventionele organische syntheses.

Door de schaarste aan energie of grondstoffen en de zoektocht naar hernieuwbare grondstoffen is er nu grote belangstelling voor de “enzymatische route”, die tot het begin van de jaren 2000 nooit volledig is uitgerold. De ontwikkeling van enzymatische oplossingen voor grootschalige processen heeft zich vervolgens uitgebreid.

VITO is wel al jaren bezig met dit onderzoek, onder meer in het door Catalisti ondersteunde LipaMetics-project, waarin gefocust werd op de solventvrije enzymatische productie van enkele estersoorten voor verwerking in cosmetische producten en in dierenvoeding.

Bij een van die esters, isopropylpalmitaat genaamd, verliep de productie in het labo zo voorspoedig dat werd besloten een industriële demonstratie op te zetten. Het doel? De productie via de enzymatische route van ettelijke honderden liters van deze component om het pad te effenen naar commerciële exploitatie. Deze demo-installatie maakt nu deel uit van een groter en meer internationaal vervolgproject, dat in 2019 van start is gegaan en INCITE werd gedoopt.

De demo-installatie voor de enzymatische productie van isopropylpalmitaat staat op het punt opgeleverd te worden op de site van Oleon langs het Albertkanaal in Oelegem. Oleon, dat als chemisch bedrijf gespecialiseerd is in de verwerking van dierlijke en plantaardige oliën, was en is zowel betrokken bij Lipametics als bij INCITE. ‘Nu de installatie bijna klaar is, zullen we binnenkort overgaan tot de eerste grootschalige tests en de eerste productie van isopropylpalmitaat’, zegt Yann Raoul, expert samenwerkingsprojecten bij Oleon. ‘We zullen dan ook nagaan waar en in welke mate er verschillen zijn met de conventionele route.’

Twee industriële demonstraties

Oleon is coördinator van het INCITE-project, waar behalve VITO nog zes andere bedrijven en kennisorganisaties uit België, Duitsland, Frankrijk en Italië aan meewerken. Het Vlaamse chemiebedrijf is verantwoordelijk voor het oleochemische luik van het project. Dat moet leiden tot een solventvrije, enzymatische synthese van natuurlijke esters voor verwerking in menselijke en dierlijke voeding, in cosmetica (persoonlijke verzorgingsproducten) en in gewasbeschermingsmiddelen. Een ander onderdeel, het agrochemische spoor, behelst de demonstratie van een enzymatische productie van chemische stoffen voor gebruik in de gewasbescherming als precursoren van insecticiden. Daarvoor is het Italiaanse chemische bedrijf Endura (uit Ravenna) verantwoordelijk. De oleochemische demo bij Oleon zal afgerond worden tegen eind 2022, en de agrochemische demo zou operationeel moeten zijn tegen midden 2023, dat is trouwens meteen ook het eindjaar van het INCITE-project.

Het uitbouwen van de enzymatische route van labo- naar industrieschaal is een hele uitdaging. ‘Enzymen zijn actieve, complexe biomoleculen die specifieke chemische reacties toelaten of versnellen’, zegt Yamini Satyawali van VITO. ‘Ze zijn bio-afbreekbaar en hebben vaak heel specifieke eigenschappen, waardoor je goed moet weten in welke processen en onder welke omstandigheden je ze kunt inzetten.’

Behalve de werking van de enzymen onderzoekt VITO binnen INCITE ook hoe water dat wordt geproduceerd tijdens de aanmaak van de esters, kan worden afgevoerd. Dat doen we met een membraantechniek die pervaporatie heet’, zegt Satyawali.

Pervaporatie is een combinatie van permeatie en verdamping. ‘Met deze scheidingstechniek wordt het gevormde water gescheiden van de esters. De continue eliminatie van het water resulteert in een verhoogde procesefficiëntie en maakt deze technologie economisch zeer interessant voor de industrie.’

De vooruitgang die al werd geboekt, eerst in Lipametics (dat startte in 2015) en nu in INCITE, oogt indrukwekkend. Wat begon als een productie van enkele tientallen grammen eindproduct werd al snel ettelijke kilo’s. En straks dus ettelijke tonnen. Er is trouwens al eindproduct (isopropylpalmitaat) beschikbaar voor tests. Bedrijven die ermee aan de slag willen gaan in hun R&D-labo’s kunnen op de INCITE-website een sample aanvragen. ‘We willen vooral dat het nu vooruitgaat’, zegt Raoul. ‘Door corona en door de grondstoffenschaarste hebben we vertraging opgelopen. We staan nu dan ook te trappelen om de meerwaarde van de enzymatische productiewijze te demonstreren aan onze industriële klanten.’

INCITE wordt ondersteund door het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie onder subsidieovereenkomst nr. 870023. Het project maakt ook deel uit van Processes4Planet (A.SPIRE), de Europese agenda om de Europese chemische industrie klimaatneutraal en circulair te maken. De transfer van nieuw vergaarde kennis en expertise is daarin belangrijk, en daarom komt ook dit element aan bod binnen het INCITE-project. Zowel voor studenten chemie als professionals worden er cursussen en trainings aangeboden toegespitst op de enzymatische procestechnologie.

Dit project ontving financiering van het Europese Horizon 2020-programma onderzoek en innovatie onder subsidieovereenkomst nr. 870023.