Technisch moet het niet zo moeilijk zijn om een bioraffinaderij te bouwen die houtafval tegen acceptabele kosten omzet in hoogwaardige benzine. Mits je fors durft in te zetten op een gloednieuwe katalysator die vooralsnog alleen nog op labschaal is getest, suggereren Josh Schaidle en collega’s van het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, in Nature Catalysis.

Ze prijzen hun resultaten tevens aan als argument voor de stelling dat je kunt berékenen welke onderzoekslijnen binnen de fundamentele katalyse de meeste kans hebben om uit te groeien tot een industrieel succes.

Uitgangspunt is een ‛bètazeoliet’ (BEA) een poreuze kristalstructuur van silicium- en aluminiumoxide waarvan al eerder duidelijk werd dat ze de stapsgewijze verlenging (homologering) van koolstofketens katalyseert. In principe kun je zo methanol- of dimethylethermoleculen (DME) aan elkaar rijgen tot een productmix die vooral bestaat uit vertakte alkanen met 4 tot 7 koolstofatomen. Er is slechts 175 tot 225 °C en 1 tot 10 bar voor nodig, veel minder dan bij eerder bedachte DME-omzettingsprocessen.

Voor de goede orde: de grootschalige omzetting van biomassa in methanol is al jaren routinewerk, en dat geldt ook voor de omzetting van methanol in DME.

Maar in de praktijk levert BEA een scheve productmix op. Het percentage isobutaan is veel te hoog; je kunt het er gemakkelijk genoeg uitdestilleren maar dan hou je niet genoeg benzine over om financieel quitte te kunnen spelen. Bovendien krijg je als bijproduct gealkyleerde aromaten zoals hexamethylbenzeen, die door hun omvang klem komen te zitten en na korte tijd de poriën van de zeoliet verstoppen.

Vier jaar geleden presenteerde Schaidle in ACS Catalysis een variant genaamd Cu/BEA, die dat laatste nadeel verhelpt. Er zitten Cu⁺-ionen in verwerkt die kunnen ‛spelen’ met waterstof: voeg je H₂ toe aan je DME-voeding, dan worden de ontstane aromaten gehydrogeneerd tot verzadigde koolwaterstoffen voordat ze kwaad kunnen.

Proeven in het lab suggereerden bovendien dat die koperionen ook omgekeerd kunnen werken en waterstof kunnen onttrekken aan isobutaan. Het resulterende isobuteen moet in principe kunnen doorreageren tot langere ketens waar je wel wat aan hebt. Tijdens de experimenten was het effect te gering om er veel aan te hebben. Maar. zo redeneerde Schaidle, wellicht brengt het meer op als je het isobutaan achteraf terugwint en terugstuurt naar de inlaat van de reactor.

Gemotiveerd door een technisch-economische analyse (TEA), die aangaf dat de benzine-opbrengst een overheersende invloed heeft op het kostenplaatje van het hele proces, heeft Schaidle dit nu in het lab uitgeprobeerd. In plaats dat hij het gevormde isobutaan terugwon, voedde hij daarbij de reactor met vers isobutaan waarin de koolstofatomen deels waren vervangen door koolstof-13. Dat hij die isotoop vervolgens terugvond in grotere moleculen, bewijst dat Cu/BEA inderdaad isobutaan kan laten doorreageren.

Volgens Schaidle’s berekeningen moet het 38% meer benzine opleveren die 35% goedkoper is, vergeleken met de oorspronkelijke BEA-katalysator zonder koper. En mocht die benzine tijdelijk te weinig opleveren, dan heb je ook nog de optie om het zorgvuldig afgescheiden isobutaan niet meteen te recyclen maar er met een heel andere katalysator eerst veel langere koolwaterstofketens van te breien – dan krijg je geen autobenzine maar vliegtuigbrandstof. Market-responsive, noemt Schaidle dat.

De uitdaging is nu dus om een proeffabriek te bouwen met een reactor vol Cu/BEA en een isobutaanafscheider, die achter een bestaande methanol- of DME-fabriek te plaatsen, en te kijken of het echt zo mooi werkt. Wie durft?

bron: Nature Catalysis