naar top
Menu
Logo Print
01/02/2016 - ERIK TE ROLLER

BIORAFFINAGE IN DE STARTBLOKKEN

Dutch Biobased Industries Event (DBIE) toont weg naar groenere chemische industrie

Eind 2015 stelde de chemische industrie in Nederland als doel voorop om tegen 2030 vijftien procent van haar fossiele grondstoffen te vervangen door 'groene' alternatieven. Samen met de agro-industrie staat de chemische sector voor de uitdaging om procesroutes te ontwikkelen waarmee biomassa rendabel om te zetten is in grondstoffen voor de chemie. In diezelfde periode kwamen tijdens het Dutch Biobased Industries Event in Dordrecht enkele van die procesroutes ter sprake. Het meest in het oog springend waren die van Avantium, het Isobutanol Platform Rotterdam en BioBTX.

 

De chemische industrie zal na het opheffen van de Europese suikerquota in 2017 ongetwijfeld meer bietsuiker als grondstof inzetten. Er valt echter ook te denken aan het winnen van suikers en aromaten uit niet-eetbare delen van planten en uit hout. De kunst is om daaruit nuttige stoffen te extraheren, op winstgevende wijze. Een hele opgave in een tijd van lage olieprijzen.

 

AVANTIUM: PEF

Gert-Jan Gruter, chief technology officer van Avantium
Gert-Jan Gruter, chief technology officer van Avantium

Het Nederlandse technologiebedrijf Avantium heeft op de BASF-site in Antwerpen de bouw gepland van een eerste fabriek voor de commerciële productie van PEF (polyethyleenfuranoaat), met een jaarlijkse capaciteit tot 50.000 ton per jaar.

PEF is een kunststof vergelijkbaar met pet (polyethyleentereftalaat), maar 100% 'groen'. PEF heeft betere barrière-eigenschappen. Het houdt CO2 beter vast en laat minder O2 door. Coca-Cola, zuivelconcern Danone, verpakkingsfabrikant ALPLA en het Japanse Mitsui & Co zijn de eerste afnemers. Zij zien graag dat op de lange termijn de PEF-flessenproductie de voedselvoorziening op geen enkele manier in de weg zit. Daarom wil Avantium als basis glucose afkomstig van niet-eetbare biomassa.

"Aanvankelijk zochten we processen om glucose efficiënt uit lignocellulose te extraheren", vertelt Gert-Jan Gruter, CTO bij Avantium. "Geen enkele bestaande technologie bleek echter voldoende zuivere glucose op te leveren voor ons chemisch proces, noch voor de meeste andere. In de meeste gevallen wordt lignocellulose door stoomexplosie ontsloten in een mengsel van hemicellulose, cellulose en lignine, gevolgd door hydrolyse van cellulose en hemicellulose, wat respectievelijk glucose en C5-suikers oplevert, zoals fructose en xylose. Die suikers kunnen met gistcellen opnieuw worden omgezet in ethanol. Wij moeten echter zuivere glucose hebben, anders blokkeren de C5-suikers het enzym dat glucose in fructose moet omzetten. Bietsuiker is een alternatief, maar omdat dat bestaat uit sacharose (combinatie van glucose en fructose) is een voorbehandeling nodig om de fructose van de glucose te scheiden."

Bergius

Avantium hield vier oude processen tegen het licht: ontsluiting van lignocellulose met respectievelijk geconcentreerd zwavelzuur (H2SO4), ionische vloeistoffen, zinkchloride-hydraat (ZnCl2(H2O)n) en zoutzuur (HCl). De keuze viel uiteindelijk op zoutzuur omdat dit als vluchtig reagens makkelijk van de suikeroplossing te scheiden is. Bij zwavelzuur moeten de suikers worden neergeslagen, wat tot onzuiverheden en opbrengstverliezen leidt.

"We kwamen uit bij het Bergius-proces, waarmee men in de jaren dertig van de vorige eeuw tijdelijk op commerciële schaal glucose produceerde. Het terugwinnen van de HCl kostte echter zoveel energie dat het commercieel niet rendabel bleek. In de afgelopen twee jaar hebben we de zwaktes uit dit proces weten te halen en een nieuwe variant ontwikkeld.

Bij de eerste stap passen we 36% zoutzuur toe en lost alleen de hemicellulose op. In de tweede stap voegen we 42% zoutzuur toe, waarbij de cellulose uiteenvalt in glucose, terwijl de lignine buiten de oplossing blijft. Dat voeren we uit in een kolom gepakt met biomassa, waarin het zoutzuur van boven naar beneden stroomt. De componenten spoelen er dan één voor één uit. Ten slotte scheiden we de suikers en het zoutzuur zodanig dat we de HCl voor 99% terugwinnen. Bij Bergius was daar veel water voor nodig, 15 liter per kilogram suiker. Door indampen en kristallisatie won men de suiker uit de verdunde oplossing, wat de hoge energiekosten verklaart. Wij voegen geen extra water toe, maar scheiden de HCl en suiker af met een nieuwe methode, waarop we octrooi hebben aangevraagd. Ook hebben we een methode om de lignine en zoutzuur van elkaar te scheiden. De lignine kunnen we verstoken voor de energiewinning. Het heeft een hogere verbrandingswaarde dan hout en bevat geen water, HCl of katalysator, waardoor we het eventueel ook kunnen verkopen als grondstof aan een ander bedrijf", legt Gruter uit.

Zambezi

Avantium vernoemt zijn processen altijd naar grote rivieren, in dit geval naar de Zambezi. Volgens Gruter is het Zambezi-proces economisch, ook als de lignine alleen als brandstof wordt gebruikt. Bovendien kan het proces concurreren met de klassieke suikerproductie uit bieten of maïs.

"Alles wat we er meer uithalen is meegenomen. We bekijken met twee of drie partners wat we nog meer kunnen doen met de hemicellulose, glucose en tall oil als producten van dit proces. De glucoseproductie is kosteneffectief en kan ook los van de FDCA-productie draaien, zodat de zuivere glucose eventueel ook kan dienen als grondstof voor barnsteenzuur, sorbitol en xylitol." 

ISOBUTANOL PLATFORM ROTTERDAM

Hennie Zirkzee, directeur van Zirk©Technology
Hennie Zirkzee, directeur van Zirk©Technology: “Hoe verder je in de raffinageketen gaat, hoe kleiner de volumes zijn en des te lastiger het is om daar nog marge op te maken."

Een tweede interessante ontwikkeling is die van het Isobutanolplatform Rotterdam. Dit platform wil binnen vijf jaar een groene waardeketen rond isobutanol ontwikkelen. Het gaat hierbij om een consortium van AVR, Corbion, industrievereniging Deltalinqs, Grontmij, GTBE, Plant One, Zirk©Technology, Procede en de kennisinstellingen ECN, TU Delft, Universiteit Utrecht en Wageningen Universiteit. Hennie Zirkzee, directeur van Zirk©Technology (aanbieder van nieuwe routes om biomassa in chemicaliën om te zetten), vertelt dat bij de eerste haalbaarheidsstudie in 2013 vooral gekeken is naar de productie van isobutanol uit suikerbieten. Isobutanol is een uitgangsstof voor onder andere vliegtuigbrandstof, GTBE en paraxyleen. Dat project bleek te duur. "Hoe verder je in de raffinageketen gaat, hoe kleiner de volumes zijn en des te lastiger het is om daar nog marge op te maken. Verder levert de raffinage van suikerbieten twee fracties op: één met suiker en één met pectine. Voor kennis over het verwaarden van pectine moet je echter bij Suikerunie en Cosun zijn", aldus Zirkzee.

Nu kijkt het consortium breder naar houtachtige materialen als grondstof. Met steun van Nederlandse overheidsinstanties en de Europese Unie zijn de partijen op zoek naar geschikte procesroutes ondersteund door experimenteel werk. Het platform heeft al een proces, het ECN Organosolv proces, om houtsnippers met een mengsel van water en een organisch oplosmiddel, bijvoorbeeld ethanol, bij hoge temperaturen te splitsen in cellulose, hemicellulose en lignine.

De cellulose en hemicellulose leveren suikers op, die met een fermentatieproces van de Wageningen Universiteit in isobutanol kunnen worden omgezet. ECN kijkt naar het omzetten van de ligninefractie in producten, zoals chemicaliën voor geur- en smaakstoffen, harsen voor houtlijm en additieven voor laminaat.

Het Amerikaanse bedrijf Gevo is wat later tot het consortium toegetreden. Dit bedrijf beschikt al over een commercieel proces om van suiker isobutanol te maken en is vooral geïnteresseerd in routes om isobutanol vervolgens om te zetten in vliegtuigbrandstof of diesel. Gevo is in staat om jet fuel te maken, zij het tegen relatief hoge kosten. Verder voldoet de diesel nog niet aan de specificaties van de markt.

Zirkzee is daarom naar het Duitse onderzoeksinstituut Fraunhofer Umsicht gestapt. Samen hebben ze een route ontwikkeld om isobutanol via alcoholcondensatie (het aan elkaar koppelen van alcoholen) en hydrogenering (om het zuurstofgehalte te verlagen) om te zetten in jet fuel en diesel die wel aan de vereiste marktspecificaties voldoen en ook qua prijs concurrerend zijn. Isobutanol kan eventueel worden omgezet in groene oplosmiddelen, zoals isobutylacetaat, dat door de lagere energiekosten van het proces goedkoper is dan fossiele isobutylacetaat.

Daarnaast heeft het Enschedese bedrijf Procede een route gevonden om GTBE (glycerol tertiaire butyl ether) te maken uit glycerol en isobutanol via isobuteen. GTBE is een roetonderdrukker in diesel: het voorkomt het ontstaan van fijne roetdeeltjes die een filter niet kan wegvangen. "Alle processtromen zijn getest en gevalideerd. We hebben nu een geschikte business case en kunnen met de productie van isobutanol aan de slag gaan. Met diverse partijen spreken we over een nieuw consortium voor de bouw van een geïntegreerde pilotinstallatie. We hopen ook private investeerders over de streep te trekken. Wellicht kunnen we deze zomer starten en in 2020 een commerciële bioraffinaderij gaan bouwen", aldus Zirkzee.

 

André Heeres, chief strategy officer van BioBTX
André Heeres, chief strategy officer van BioBTX: “We hebben verschillende biomassastromen getest, zoals hout, lignine, cellulose, miscantus, vetzuren en glycerol en diverse zaken verbeterd. Uit veel van die stromen, ook natte stromen, kunnen we vrij zuivere BTX produceren.”

BIOBTX

Een derde interessante ontwikkeling is die van de Groningse start-up BioBTX: de omzetting van onder meer lignine met katalytische pyrolyse in benzeen, tolueen en ortho-, meta- en paraxyleen (BTX). "We hebben verschillende biomassastromen getest, zoals hout, lignine, cellulose, miscantus, vetzuren en glycerol en diverse zaken verbeterd", vertelt André Heeres, chief strategy officer van BioBTX. "Uit veel van die stromen, ook natte stromen, kunnen we vrij zuivere BTX produceren. De benzeen, tolueen en xylenen zijn van dezelfde kwaliteit als die uit de petrochemie en kunnen zo verder omgezet worden in bestaande chemische processen. Uit life cycle analysis blijkt dat ons proces voor BTX 85% minder CO2 uitstoot dan de petrochemische variant. Het gaat om unieke technologie, waarvoor we octrooi hebben aangevraagd."

Op het ogenblik slaagt BioBTX erin 20-30% van de lignine in BTX om te zetten, wat ruim boven de oorspronkelijke doelstelling van 7,5 procent is. De reststroom bestaat uit water en char, een koolstofachtig product dat als brandstof voor het pyrolyseproces kan dienen. Ook komt er wat synthesegas vrij, evenals CO2, etheen, propeen, methaan en ethaan.

Van biomassa naar hoogwaardige materialenDaar blijft het niet bij. Door de methylgroepen van paraxyleen te oxideren ontstaat tereftaalzuur dat samen met ethyleenglycol de twee monomeren van pet-polyester vormt. Aangezien ethyleenglycol ook van hernieuwbare grondstoffen kan worden gemaakt, levert dat in bestaande pet-fabrieken 100% groen pet op. "Hiervan hebben we de eerste tientallen grammen gemaakt uit houtsnippers in samenwerking met Cumapol in Emmen. De eerste honderden grammen zullen snel volgen. Samen met Syncom, Cumapol en de Rijksuniversiteit Groningen hebben we inmiddels een consortium opgericht, dat dit hernieuwbare pet op pilot schaal wil gaan produceren. We zijn nog op zoek naar strategische partners en financiers die willen toetreden en de verder ontwikkeling willen investeren", aldus Heeres.

 

ANDERE BIORAFFINAGEPROJECTEN

AkzoNobel fungeert als trekker bij twee raffinageprojecten.

Bij het eerste werkt het bedrijf samen met onder andere SuikerUnie, ZeaChem, NOM (Ontwikkelingsmaatschappij voor Noord-Nederland) en Groningen Seaports aan plannen voor het raffineren van vooral suikerbieten in Delfzijl. AkzoNobel is vooral geïnteresseerd in het omzetten van de suiker in bio-azijnzuur, waarvan het bedrijf chloorazijnzuur en zoutzuur kan maken. Het project wordt pas interessant als ook andere bedrijven aanhaken, zodat het bioraffinageproject flink wat massa krijgt. Avantium zou bijvoorbeeld fructose kunnen omzetten in het monomeer FDCA voor de productie van het bioplastic PEF. Over al dat soort opties voeren de partijen overleg.

Bij het tweede project spreekt AkzoNobel samen met het Canadese bedrijf Enerkem (gespecialiseerd in het maken van chemicaliën uit afval) met de afvalbranche en productiebedrijven over de mogelijkheden om met grondstoffen uit het afval synthesegas te produceren, waarvan AkzoNobel bijvoorbeeld methanol, azijnzuur en harsen zou kunnen maken.

Ook kijken enkele afvalverwerkingsbedrijven, te weten AEB, Orgaworld en Attero, samen met TNO en Biorizon naar de mogelijkheden om de groene fractie van afval om te zetten in chemicaliën, waaronder aromaten. In de zomer van 2017 moet het ontwerp voor een proeffabriek klaar zijn.

Verder werken het Chemelot Institute for Science & Technology (InSciTe) en Brightland Chemical Campus in Sittard-Geleen aan processen voor het maken van chemische bouwstenen uit biomassa en testen die in een nieuwe proeffabriek. InSciTe werkt bij dit project nauw samen met de Green Chemistry Campus in Bergen op Zoom en met Biorizon, een samenwerkingsverband van TNO, de Belgische VITO en de Green Chemistry Campus, gericht op aromaten uit biomassa.