De eerste stappen naar groen

Samenwerking tussen bedrijfsleven en universiteiten is heel belangrijk geweest bij de vergroening van de chemie. Chemici wisten al tientallen jaren dat chemische reacties efficiënter en schoner moesten. Eerst om de groeiende vraag beter te kunnen bedienen. Later ook om milieuproblemen te voorkomen. In ons land was en is katalyse de meest onderzochte richting voor oplossingen. Na de hoogstandjes van de chemische katalyse in de petrochemie kwam er in de jaren ’80 een nieuw wapen bij. Men ontdekte dat enzymen ook buiten hun normale omgeving van plant of micro-organisme uitstekend hun werk kunnen doen. Tot dan toe dachten we dat enzymen buiten hun natuurlijke omgeving veel te kwetsbaar waren. Twee

Amerikaanse chemici waren de eersten die met overtuigende resultaten kwamen. De omstandigheden van de petrochemie met temperaturen van honderden graden, hoge drukken en soms extreme zuurgraden, zijn desastreus voor enzymen; maar deze blijken dezelfde reacties uitstekend te kunnen versnellen onder veel mildere omstandigheden. Vergelijkbaar met de condities in een plant of bacterie.

Bovendien zijn enzymen ook nog stukken efficiënter en selectiever dan chemische katalysatoren.

Biokatalyse. En zo werd de nieuwe wetenschap van de biokatalyse geboren. Vrijwel alle Nederlandse universiteiten en bijna de voltallige chemische industrie zijn vanaf de jaren ’80 met dit nieuwe gereedschap aan de slag gegaan. De praktijk blijkt dan, zoals altijd, toch tamelijk weerbarstig. De eerste resultaten kwamen tevoorschijn in de uithoeken van de chemie. In dit geval vooral bij de productie van medicijnen, waar de volumes klein zijn en de prijzen relatief hoog.

De resultaten van de klassieke chemische katalyse op dit gebied waren niet erg indrukwekkend; zo weinig zelfs dat bij grote en belangrijke medicijnen, zoals penicillines, soms meer dan vijftig kilo afval werd geproduceerd per kilo antibioticum! Penicillines redden levens en de productie is niet van grote omvang, maar dat een industrie zó verkwistend omgaat met zijn grondstoffen is

onhoudbaar. De biokatalyse kwam als geroepen. Met als pioniers in Nederland en wereldwijd: Gist Brocades, Andeno en DSM, nu samen één onderneming. In een

groot project kregen deze bedrijven het eind vorige eeuw voor elkaar om een hele familie van penicillines veel efficiënter en goedkoper te produceren dan vroeger – door biokatalyse. Ook vier universiteiten deden volop mee aan deze spectaculaire verbeteringen: Groningen, Nijmegen, Wageningen en Delft. Het meest tot de verbeelding sprekend is wel de vermindering van de hoeveelheid afval: van 50 kg chemisch afval naar slechts enkele kilo’s; en dan ook nog in de vorm van

ammoniumsulfaat dat als kunstmest kan worden gebruikt. Het ‘spindiagram’ laat de grote verbeteringen zien. De buitenste lijn is het aftelpunt en geeft de situatie aan zonder biokatalyse. De binnenlijn geldt bij volledige biokatalyse. Op de diagonalen staat hoeveel nog over is van het oorspronkelijke effect. Het oppervlak van het binnenste figuurtje is nog maar ruim 15% van dat van de grote figuur – een spectaculair resultaat. Wat voor de commercie heel belangrijk was, al hadden de onderzoekers dat mooie resultaat niet voorzien: de kwaliteit en de houdbaarheid van de medicijnen werd veel beter. Oude penicillines smaakten bitter, en deze smaak was volkomen verdwenen. Oude penicillines gingen vrij snel in kwaliteit achteruit, de nieuwe bijna niet.

Resultaten van penicillineproject

Er is nog een reden waarom biokatalyse vaak beter is dan chemische katalyse. Zeker bij medicijnen is dat het geval. Dat heeft te maken met de asymmetrie van bijna alle biologisch actieve stoffen. Die asymmetrie brengt met zich mee dat de

spiegelbeelden van de moleculen niet met elkaar tot dekking zijn te brengen, net zoals onze twee handen. Het zijn simpelweg verschillende producten en dus ook met verschillende werking, zeker als het gaat om medicijnen. Daarom proberen chemici altijd alléén het bedoelde werkzame molecuul te maken en ervoor te zorgen dat het spiegelbeeld molecuul niet ontstaat. Met enzymen lukt dat uitstekend. In de petrochemie zijn de moleculen meestal zo eenvoudig dat de genoemde asymmetrie niet voorkomt. De chemische katalyse is vooral vanuit de petrochemie ontwikkeld en houdt daardoor geen rekening met het verschijnsel van mogelijke asymmetrie. Indien de petrochemische omzetting toch leidt tot een asymmetrisch product ontstaan 50/50 mengsels van de beide spiegelbeelden. Splitsing hiervan is een specialisme in de chemie op zich. Het leidt vaak tot onzuivere producten en lage opbrengsten. Het meest schrijnende voorbeeld is de Softenon-affaire van vijftig jaar geleden. In de chemische route naar dit medicijn tegen miskramen werd geen rekening gehouden met de asymmetrie in het eindproduct. Het product kwam als 50/50 mengsel op de markt. Het ene spiegelbeeld geeft inderdaad de bedoelde werking. Het andere geeft echter ernstige misvormingen aan het ongeboren kind.

5.6. En verder

Waar hebben deze ontwikkelingen ons gebracht? DSM heeft met zijn fraaie succes in de antibiotica zijn positie als wereldmarktleider nu al meer dan tien jaar weten vast te houden. Wel zijn de fabrieken geleidelijk uit Nederland en Europa

verdwenen. De grootste producties vinden nu plaats in India, China en Latijns Amerika, heel vaak in samenwerking met lokale ondernemers. De kennis komt uit ons land. Het zijn overigens niet in de eerste plaats de lagere lonen die deze verschuiving hebben veroorzaakt. Het aantal patiënten in landen als India en China dat deze geneesmiddelen krijgt en kan betalen is simpelweg 3 tot 5 maal zo groot als in Europa of Amerika. Penicillines en de daaraan verwante cefalosporines kunnen nu ook zó veel goedkoper worden geproduceerd, dat ze in principe voor iedereen bereikbaar zijn geworden.

Biokatalyse, het gebruik van enzymen in de chemie, heeft dit succes mogelijk gemaakt. Dat smaakte naar meer. Daarom is een landelijk

samenwerkingsprogramma in het leven geroepen om deze kunde zo breed mogelijk toe te passen. En met succes. Vooral in het grote nationale

onderzoeksprogramma Catchbio. En in het nog aanzienlijk grotere internationale programma BE-Basic, dat ook gericht is op de ontwikkeling van biobrandstoffen en daarom mede wordt betaald door de topsector Energie. Twintig bedrijven en vrijwel alle Nederlandse universiteiten hebben in de periode tussen 2000 en 2012

laten zien dat biokatalyse overal toepasbaar is in de chemie en bij de productie van materialen. Dus ook in de bulk. Net als bij fijnchemie loopt ook hier Nederland voorop. En de biokatalyse wordt steeds beter. Op dit moment zijn chemische katalyse en biokatalyse volkomen gelijkwaardig; bij elk proces moeten bedrijven tegenwoordig afwegen welke van de twee zij zullen toepassen. Wij hebben de eerste brug tussen chemie en biologie geslagen. In hoofdstuk 12 zullen we de spectaculaire consequenties van deze toenadering laten zien. Hiermee kunnen we nog vele stappen zetten op weg naar een groene industrie, een groene economie en uiteindelijk een groene maatschappij.

6.1 Energie, ‘alleen’ nog maar een duurzaamheidprobleem