‘Het nieuwe systeem, dat geneesmiddelen en andere chemicaliën kan synthetiseren in economisch aantrekkelijke volumes, is inzetbaar in geïsoleerde omgevingen en hierdoor kan de productie van fijnchemicaliën gedecentraliseerd worden’, aldus Noël. Hij legt uit dat de minifabriek gebaseerd is op het concept van de fotochemie, waarbij zonlicht wordt gebruikt om de chemische synthese rechtstreeks aan te drijven. ‘We maken gebruik van een fotokatalysator die de synthese aandrijft wanneer hij wordt verlicht. Normaal gesproken worden daarvoor meestal krachtige leds of andere lichtapparaten gebruikt. Wij kiezen ervoor om direct zonlicht te gebruiken. Dat maakt de synthese om te beginnen volledig duurzaam. Maar het maakt ook stand-alone werking op afgelegen locaties mogelijk. Onze droom is dat ons systeem in de toekomst gebruikt gaat worden op een ruimtebasis op de maan of op Mars, waar zelfvoorzienende systemen nodig zijn voor energie, voedsel en geneesmiddelen. Onze minifabriek zou dat laatste op een volledig autonome, onafhankelijke manier kunnen produceren.’

Van concentrator naar reactor

De ontwikkeling van de minifabriek begon zo'n vijf jaar geleden toen de groep van Noël - destijds gevestigd aan de Technische Universiteit Eindhoven - een ‘zonneconcentrator’ ontwikkelde. Dit is feitelijk een vel van doorzichtig plastic met kleine kanaaltjes van een 100-tal micrometer waarin de chemische synthese plaatsvindt. Door toevoeging van speciale kleurstoffen ontwikkelden de onderzoekers het plastic tot een zonnegeleider en luminescente omvormer. Het vangt het zonlicht op en leidt het naar de kanalen, terwijl een aanzienlijk deel van het licht wordt omgezet in rode fotonen die de chemische omzetting aandrijven.

De volgende stap was om van de zonneconcentrator een volledig operationele flowreactor, een zonlichtreactor, te maken. ‘Dit betekent dat we een reactiemengsel van uitgangsmaterialen en fotokatalysator door de zonverlichte kanalen pompen’, vertelt Noël. ‘De gewenste chemische omzetting vindt plaats in deze kanalen. Op die manier zijn ze ons alternatief voor de traditionele laboratoriumkolven of -vaten voor chemische synthese. En ondanks dat de kanalen behoorlijk klein zijn, kan zo'n stroomreactor een behoorlijke hoeveelheid relevante moleculen produceren, omdat hij van zonsopgang tot zonsondergang op een continue manier werkt. Bovendien maakt het gebruik van kanalen een veel effectievere koppeling tussen licht en chemie mogelijk dan bij het gebruik van traditionele kolfreactoren.’

Maximale efficiëntie

De groep van Noël heeft het concept van de zonlichtreactor al kunnen demonstreren door de synthese van een reeks moleculen die relevant zijn voor de productie van farmaceutica, zij het op laboratoriumschaal in een gecontroleerde omgeving. In het artikel in ChemSusChem beschrijven zij nu de ontwikkeling van een levensvatbaar, optimaal effectief autonoom fotosynthesesysteem en het testen hiervan in de praktijk. Daarnaast blikken ze vooruit op onder meer het toepassingspotentieel en de te verwachten economische prestaties.

Het prototype van de zonlichtreactor beslaat nu een oppervlakte van ongeveer 0,5 x 0,5 vierkante meter. Om het volledig autonoom te maken, hebben de onderzoekers de reactor uitgerust met een zonnecel die de stroom levert voor hulpapparatuur zoals pompen en besturingssysteem. Deze zonnecel is achter de stroomreactor geplaatst in een gestapelde configuratie die zorgt voor een maximale efficiëntie per vierkante centimeter. Noël: ‘De meer energetische golflengtes worden in de reactor gebruikt om de fotokatalysator aan te drijven. De resterende fotonen met golflengtes van 600-1100 nm worden omgezet in elektriciteit om de hulpapparatuur aan te drijven.’

Wereldwijde toepassingsmogelijkheden

Het prototype maakt ook gebruik van een responsief besturingssysteem dat de chemische omzetting bij verschillende lichtintensiteiten kan optimaliseren. ‘Met name wanneer een wolk de zon bedekt, daalt de chemische conversie zeer snel’, licht Noël toe. ‘Ons systeem is in staat om onmiddellijkde noodzakelijke aanpassingen te doen. Veldproeven bevestigden dat het in staat is om chemicaliën in een constant tempo te produceren, zelfs op zonnige dagen met voorbijtrekkende wolken.’ De tests zijn in Nederland uitgevoerd. Om een indruk te krijgen van de wereldwijde toepassingsmogelijkheden hebben de onderzoekers vergelijkingen gemaakt met zonnedata op locaties in Noorwegen (Noordkaap), Spanje (Almeria) en Australië (Townsville). Noël: ‘Zelfs op de Noordkaap, waar relatief weinig zonkracht is, schatten we toereikende productiecijfers in.’

De onderzoekers hebben de prestaties van het prototype vergeleken met de productiecijfers van de bekende fotochemische synthese van rose oxide. Dit product voor de parfumindustrie wordt industrieel geproduceerd met fotochemische middelen, omdat het schoner en efficiënter is dan de traditionele chemische synthese. De onderzoekers berekenden dat hun systeem een verrassend klein oppervlak zou vereisen om aan de huidige jaarlijkse vraag te voldoen: slechts 150 m² zou volstaan. Noël: ‘Dat komt neer op slechts één fabrieksdak vol met onze zonlichtreactoren.’ Hij schat in dat de productie commercieel haalbaar is: ‘De systeemkosten zouden vergelijkbaar zijn met de huidige commerciële fotosynthesesystemen. Maar we hebben uitsluitend zonne-energie nodig, dus er zijn geen energie-uitgaven. Dit zou dus echt een duurzame strategie kunnen zijn voor de toekomstige productie van chemische stoffen zoals rose oxide of farmaceutica.’

Laat de muren chemicaliën maken

Voor Noël weerlegt het nu gepubliceerde onderzoek elke scepsis over het potentieel van chemische technologie op basis van zonne-energie. ‘We laten zien dat er zeker mogelijkheden zijn voor chemische productie op zonne-energie, zelfs hier in Nederland. Je hoeft er niet voor naar Qatar. Bovendien leent het systeem zich voor toepassing op onverwachte locaties. Je zou zelfs de gevel van een gebouw kunnen bedekken met de zonlichtreactoren. Natuurlijk zou de opbrengst hierbij kleiner zijn dan wanneer je die onder een optimale hoek ten opzichte van de zon zou plaatsen, maar het is zeker mogelijk. En hoe geweldig zou het zijn om de muren chemicaliën te laten maken!’

Publicatiegegevens

Tom Masson, Stefan Zondag, Koen Kuijpers, Dario Cambié, Michael Debije en Timothy Noël: ‘Development of an off-grid solar-powered autonomous chemical mini-plant for producing fine chemicals’, in: ChemSusChem, 14 oktober 2021. http://dx.doi.org/10.1002/cssc.202102011