De Kroon op het werk van de procestechnologie

In verschillende eerdere blogs heb ik laten zien dat de chemische industrie een behoorlijk intensieve energieslurper is. De industrie in Rotterdam alleen al gebruikt 320 PJ (spreek uit Pèta djoel) op jaarbasis (Ik ben toch zeker Sinterklaas niet). Een onvoorstelbare hoeveelheid van 320 met 15 nullen, 320 biljard, 320 miljoen miljard. Nog even in perspectief: op 320 PJ diesel zou je 154.000 jaar non-stop, 3,5 miljoen keer de aarde rond kunnen rijden en 640.000 auto’s verslijten. Nou ja, heel veel dus. Verbetering van de chemische reactiestappen en energiehuishouding in deze processen kan een behoorlijke positieve impact hebben op het totale energieverbruik van Nederland. Ik pleit er dan ook steeds maar weer voor om met zijn allen hard te werken aan het minimaliseren van het huidige energie- en grondstoffengebruik en bestaande processen te optimaliseren. Het is namelijk nog steeds circa 8 keer zo goedkoop om 1 kilowattuur aan energie te besparen dan er één te produceren. Door minder energie te gebruiken kopen we:…tijd. Tijd voor ontwikkelingen van revolutionaire nieuwe, efficiënte technologieën. Het intensiever benutten van de grondstoffen en energie: procesintensivering in de procesindustrie. Toch zie ik nog maar weinig (lees zeer weinig, lees geen…) toepassingen van deze technologieën op grote schaal in Nederland. Waarom niet? Geen idee. Het is namelijk bekend dat in China, de VS en Duitsland op commerciële schaal van dit soort processen draaien. Maar in Nederland: niet bekend… Gelukkig hebben we in Nederland wel een aantal heel slimme mensen rondlopen die snappen wat de potentie van dit soort moderne technologieën is. Prof. Dr. Ir. Maaike Kroon is er een van. Naast het feit dat ze net moeder van een dochter is geworden (nog gefeliciteerd!), beschouw ik haar ook als de moeder van het baanbrekende onderzoek aan chemische reacties in ionische vloeistoffen. In wat..?

Gesmolten zout

12209532_s
Een zout , zoals huis, tuin en keukenzout bestaat uit positieve en negatief geladen deeltjes die elkaar stevig aantrekken. Het zijn eigenlijk atomen, maar, anders dan in gewone moleculen, hebben zouten de neiging om de elektronen oneerlijk te verdelen. Het ene deeltje wil graag elektronen afstaan en het andere deeltje elektronen opnemen. Keukenzout, Natrium-Chloride, bestaat uit een positief geladen deeltje Natrium en een negatief geladen deeltje Chloride. In plaats van atomen worden ze in zouten ionen genoemd. Ionische vloeistoffen zijn zouten die vloeibaar zijn bij kamertemperatuur. Ze bestaan uit grote, asymmetrische, positief en negatief geladen ionen, die vloeibaar blijven omdat ze niet gemakkelijk een kristalrooster vormen. Dat geeft ze tevens een groot voordeel ten opzichte van organische oplosmiddelen: ionische vloeistoffen kunnen niet verdampen. Als een negatief geladen ion ontsnapt, blijft er een positief geladen vloeistof achter die hem weer terugtrekt. Daardoor gaat er geen oplosmiddel verloren, en raakt de lucht niet vervuild.

De bokken van de schapen scheiden

Zouten lossen in het algemeen goed op in water, denk maar aan zeewater. Andersom, is het vrij lastig en kost het veel energie om het water weer van zouten te ontdoen. In de blog H2O Oh, oh… heb je kunnen lezen dat in de toekomst een tekort aan drinkwater zal ontstaan als we niets doen. Het kost nogal wat inspanning om uit zeewater schoon drinkwater te produceren. Het is eigenlijk onlogisch dat als we schoon water willen halen uit zeewater, we het grootste deel (water) verdampen en weer condenseren om het kleine beetje (zout) dat erin zit opgelost te verwijderen. Andersom is logischer: je zou een hulpstof moeten hebben die wel zout aantrekt maar geen water. Ionische vloeistoffen kunnen zout goed oplossen, maar zijn niet altijd mengbaar met water. Zo wordt het mogelijk om met een ionische vloeistof zout uit zeewater te trekken (te extraheren in procestechnologisch jargon), waarbij het water in zuivere vorm overblijft. Daarmee kan 94% energie (!) op het ontziltingsproces worden bespaard ten opzichte van het huidige proces dat gebruik maakt van verdampen en condenseren.

Koolzuur en ionische vloeistof: een sterk paar

Van alle procesindustrie doet de farmaceutische industrie het het slechtst met betrekking tot energiegebruik en afvalproductie. Voor iedere kilo nuttig product wordt gemiddeld 25 tot 100 kilo afval geproduceerd en is zo’n 50 tot 200 megajoule energie nodig – genoeg om 150 tot 600 liter water aan de kook te brengen. De medicijnindustrie genereert zelfs duizend maal meer afval dan de olieraffinage en verbruikt twintig keer zoveel energie. Dat bracht Maaike Kroon op het idee om voor haar promotieonderzoek te onderzoeken hoe ze Levodopa, een medicijn tegen de ziekte van Parkinson, met behulp van ionische vloeistoffen kon produceren. Ze ontdekte dat door een bepaalde magische combinatie van ionische vloeistof en koolzuur (CO2, kooldioxide), die normaal gesproken niet mengen, bij hoge druk één homogene fase ontstaat. In deze ene fase lossen de stoffen beter op en kunnen ze makkelijker met elkaar reageren dan in twee aparte fasen. Je kan je voorstellen dat in twee aparte fasen de stoffen eerst van de ene naar de ander laag moeten stromen om elkaar daar pas te vinden en een chemische reactie aangaan.Als de reactie is voltooid wordt de druk verlaagd en ontstaan twee fasen: de ionische vloeistof met de katalysator (als je niet weet wat een katalysator is kan je dat in mijn gratis e-book terugvinden) en het koolzuur met het eindproduct. Door de druk nog verder te verlagen verdampt het koolzuur en blijft alleen het pure product achter. Het koolzuur kan opnieuw worden samengeperst voor hergebruik; de ionische vloeistof en de katalysator kunnen eveneens opnieuw worden gebruikt.

Ionische vloeistof stap 1Ionische vloeistof stap 2Ionische-vloeistof-stap-3

Wat levert dat op?

Momenteel zijn voor de productie van Levodopa tien processtappen nodig, die allemaal energie kosten en afval produceren. In één van die stappen moet een reactie plaatsvinden tussen een vaste stof en waterstof, waarbij methanol (brandspiritus) als oplosmiddel wordt gebruikt. Als in plaats van methanol een ionische vloeistof gebruikt  zou worden, zou dezelfde processstap minder dan 30% van de energie gebruiken en geen afval produceren. Jaarlijks zou dat wereldwijd 20 duizend gigajoule aan energie, (genoeg om 60 miljoen liter water aan de kook te brengen), 4800 ton methanol en 480 kilo katalysator van het zeldzame (en zeer kostbare) metaal Rhodium besparen. Naast een aanzienlijke verlaging van de belasting op het milieu bespaart dit ook behoorlijk op de operationele kosten: ruim 11 miljoen euro per jaar. Als we van de goede wil van de farmaceutische industrie uitgaan, vloeit deze besparing terug naar de verlaging van de kosten van het medicijn en verdwijnt het niet in de zakken van de aandeelhouders. Het blijft voor mij nog steeds een raadsel waarom dit soort vooruitstrevende technologieën nog niet op grote schaal worden ingezet. Ik blijf het in ieder geval van mijn kant promoten, wie weet, ooit… 11022616_s

0 antwoorden

Plaats een Reactie

Meepraten?
Draag gerust bij!

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *