Levulinezuur gooit de laatste tijd hoge ogen in de hernieuwbare chemie-industrie als een van dé biogebaseerde sleutelmoleculen. Het vormt de basis voor geur- en smaakstoffen, polymeerprecursors, weekmakers, groene oplosmiddelen, en doet dienst als conserveermiddel. Levulinezuur maak je uit suikerige biomassa zoals xylan of cellulose. Het huidige productieproces gebruikt homogene minerale zuurkatalysatoren en vormt teer en ‒ afhankelijk van de suikerbron ‒ mierenzuur als bijproduct. Dat maakt de isolatie van het eindproduct er niet makkelijker op. De groep van Bert Maes aan de Universiteit Antwerpen heeft, met steun van Next Generation EU via het Bioeconomie Impuls Programma, een wel heel simpel alternatief ontdekt: muconzuur in heet water.

‘Een van onze onderzoekslijnen kijkt naar hogetemperatuurswater’, vertelt Maes, gewoon hoogleraar organische chemie. ‘Dat is water dat veel warmer is dan honderd graden Celsius. Zulk water krijgt een lagere polariteit die meer lijkt op die van organische verbindingen, wat het oplossend vermogen verbetert. Daarnaast is het zuurder en kan het daarom functioneren als een katalysator. Je kunt je geen groener oplosmiddel, reagens of katalysator bedenken.’

‘Wat als’-vragen

De Antwerpse methode is nieuw, maar verrassend eenvoudig. Het team gebruikt muconzuur, dat recentelijk steevast in lijstjes van top biobased products is verschenen, en verhit dat in water bij 180°C onder autogene (proceseigen) druk. Meer is er niet nodig. Maes: ‘Op een gegeven moment vroeg ik me af wat we met muconzuur zouden kunnen doen. Daarop volgden “wat als”-vragen en creatieve, maar theoretisch onderbouwde ideeën die uiteindelijk in de praktijk bleken te werken. Het verraste mij dat niemand het ooit heeft ontdekt. Dat maakt het geheel wel extra boeiend.’ Bij het proces komt verder alleen maar gasvormig CO₂ vrij als bijproduct, wat makkelijk is af te vangen voor verdere omzetting en het isoleren van levulinezuur ten goede komt.

‘Het verraste mij dat niemand dit proces ooit heeft ontdekt’

Het geheel klinkt zeer rooskleurig, maar er zijn zeker nog heel wat hobbels te overwinnen, aldus Maes. ‘Muconzuur wordt nog niet commercieel gemaakt, dus dat is de grootste stap voor het echte opschalen kan beginnen’, legt hij uit. Er zijn op dit moment twee veelbelovende syntheseroutes uit biogebaseerde grondstoffen: cellulose en van lignine-afgeleide moleculen zoals catechol. Cellulose moet je fermenteren om muconzuur te krijgen, catechol kun je ook fermenteren maar tevens chemisch gaan oxideren. ‘Er wordt veel onderzoek gedaan naar muconzuur en er zijn verschillende universiteiten en bedrijven die actief zoeken naar een manier om de muconzuurproductie te verbeteren om het op industriële schaal op te zetten, dus het is geen ver-van-mijn-bed-show.’

Zaagsel

Bij wijze van test heeft de groep van Maes de volledige keten getest vertrekkend vanuit zaagsel van dennenhout. Dat zetten ze om in lignineolie en bewerkten ze verder tot een variant van levulinezuur, namelijk 3-propyllevulinezuur. Maes: ‘Het proces bleek ook te werken met gesubstitueerde versies van muconzuren en muconolactonen, waardoor je dus met dezelfde krachtige synthesemethode toegang hebt tot veel verschillende levulinezuurderivaten. Dat kan helemaal niet met de huidige methodes, dus er is nu ook een hele waaier aan nieuwe mogelijkheden.’

Om de praktische kant van levulinezuurderivaten te laten zien, keken ze naar weekmakers voor kunststoffen. De ftalaat-weekmakers die steeds meer aan banden worden gelegd hebben al een potentiële vervanger gevonden in de diëster van 1,4-butaandiol en levulinezuur. De onderzoekers vergeleken dat met hun zelfgemaakte diëster van 3-propyllevulinezuur en 1,4-butaandiol. De weekmakende eigenschappen van die laatste versie bleken nog beter dan de ongesubstitueerde en gaf zelfs de commerciële weekmaker di-2-ethylhexylftalaat (DEHP) het nakijken.

Levulinezuuresters

Ondertussen is het team alweer druk bezig met vervolgonderzoek. ‘We hebben een preliminaire technisch-economische analyse gedaan met de groep van Steven Van Passel van onze universiteit en zien dat het naar een competitieve prijs toe kan. Dus ik ben er wel van overtuigd dat het kan gerealiseerd worden.’ Het is nu vooral zorgen dat er een efficiënte muconzuursynthese komt. Daarnaast is het zaak om het huidige batchproces voor levulinezuur te vervangen door een continu proces. Voor het muconzuuronderzoek werken ze samen met andere Vlaamse partners. ‘Ook zijn we bezig met het maken van esters, want levulinezuuresters hebben een nog veel hogere toegevoegde waarde. Als we rechtstreeks esters kunnen bekomen, is dat nog veel interessanter. Dit levulinezuur-project hebben we daarom ook ondergebracht in een patentaanvraag.’

Wat Maes het meest bijzonder vindt aan dit project? ‘De eenvoud’, zegt hij na even nadenken. ‘Als academici kunnen we prachtige ingenieuze processen ontwikkelen, maar die zijn vaak complex. Dat is heel mooi en knap, maar in the end is eenvoud hetgeen wat nodig is als het gaat om de opschaling van de synthese van chemicaliën. Complexe processen maken het geheel kosten inefficiënt en daardoor praktisch niet toepasbaar. “Eenvoud” biedt juist veel toepassingsmogelijkheden en is een motor voor valorisatie. En ons proces is daar echt een goed voorbeeld van.’

Ver Elst, C. et al. (2023) Angew. Chem. Int. Ed. e202309597, DOI: 10.1002/anie.202309597