naar top
Menu
Logo Print
20/11/2018 - ERIK TE ROLLER

DAGERAAD VOOR BIORAFFINAGE BREEKT AAN

Zambesi is dood - leve Dawn!

hout naar glucoseVoor de bioraffinage is de dageraad aangebroken, zo ziet Avantium dat althans. In de gerenoveerde hal van de oude brandweerkazerne van Nouryon (AkzoNobel Specialty Chemicals) in Delfzijl is een proeffabriek opgestart die houtsnippers en ander restmateriaal uit de Nederlandse bossen omzet in zuivere glucose, een mengsel van andere suikers en lignine. De hieraan ten grondslag liggende technologie heeft de naam Dawn (Engels voor 'dageraad') gekregen. De investering hierin bedraagt circa tien miljoen euro, waarvan de provincie Groningen 1,8 miljoen euro voor haar rekening neemt. Over enkele jaren zal het bedrijf op basis van deze glucose volledig 'groene' PEF (polyethyleenfuranoaat) kunnen produceren als alternatief voor het op aardolie gebaseerde PET.

 

Gert-Jan Gruter, CTO van Avantium
Gert-Jan Gruter, CTO van Avantium

Gert-Jan Gruter, CTO van Avantium en bijzonder hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam, vertelt over het Dawn-proces, dat eerder met de werknaam 'Zambezi' werd aangeduid.

 

De biorefinery pilot plant van Avantium in Delfzijl (op de foto nog in opbouw) draait sinds medio juli 2018
De biorefinery pilot plant van Avantium in Delfzijl (op de foto nog in opbouw) draait sinds medio juli 2018
De proeffabriek van Avantium voor de productie van glucose uit houtsnippers bestaat onder andere  uit zes kolomvormige reactoren, uitgevoerd in pvc, dat goed bestand is tegen zoutzuur
De proeffabriek van Avantium voor de productie van glucose uit houtsnippers bestaat onder andere
uit zes kolomvormige reactoren, uitgevoerd in pvc, dat goed bestand is tegen zoutzuur

"Onze technologie maakt het mogelijk om optimaal gebruik te maken van de beschikbare reststromen van de land- en bosbouw"

SEMICONTINU

De proeffabriek kent een semicontinuproces, ook wel moving bed process genoemd, met zes verticale kolomvormige reactoren (geproduceerd door de firma Zeton), die in negen skids (een soort open zeecontainers) zijn ondergebracht. De kolommen zijn ongeveer zes meter hoog en hebben een diameter van zo'n dertig à veertig centimeter.

“De kolommen vullen we met houtsnippers. Daarna voegen we eerst zoutzuur (HCl) 35% toe, wat de hemicellulose in het hout doet uiteenvallen in suikers zoals galactose, mannose en xylose. Die suikers worden door het passerende HCl meegevoerd", licht Gruter toe. 

“In een tweede stap voegen we HCl 42% toe, dat de cellulose in het hout ontbindt in nagenoeg zuivere glucose. Wat achterblijft, is een skelet van lignine, het skelet dat stammen en stengels hun stevigheid geeft.

Al met al levert lignocellulose voor ca. 30 massa-% gemengde suikers op, 40% glucose en 30% lignine. Lignine vertegenwoordigt de helft van de energie-inhoud van hout. In pure vorm is de energie-inhoud 40% groter dan die van hout. Vandaar dat het energiebedrijf RWE interesse heeft om de lignine in te zetten als groene brandstof voor de elektriciteitsproductie." Terwijl de eerste kolom met hout wordt gevuld, wordt aan de tweede en derde kolom HCl 35% toegevoegd en aan de vierde en vijfde kolom HCl 42%. In de zesde kolom wordt de lignine opgewerkt en na het leeglopen van de kolom uit de reactor gelost. Na elke cyclus schuiven al die stappen één kolom op.

De proeffabriek zal jaarlijks naar verwachting 40 ton houtsnippers met een vochtgehalte van 50% verwerken. Vooraf worden de houtsnippers gedroogd tot ze een vochtgehalte hebben van zo'n 8%. “We doen er onderzoek mee, zodat we het proces verder kunnen ontwikkelen en optimaliseren. De geproduceerde glucose gaat naar potentiële klanten die ze op kwaliteit kunnen beoordelen."

 

De proeffabriek in Delfzijl zet straks 20 ton droge houtsnippers per jaar om in glucose, gemende suikers en lignine
De proeffabriek in Delfzijl zet straks 20 ton droge houtsnippers per jaar om in glucose, gemende suikers en lignine

STARTPUNT VAN DE BIOBASED CHEMIE

Glucose vormt volgens Gruter het startpunt van de biobased chemie. “Daarmee zijn tal van stoffen te maken: melkzuur, barnsteenzuur, mono-ethyleenglycol en furaandicarbonzuur ... In principe zijn alle petroleumgebaseerde materialen te vervangen. De gemengde suikers kun je inzetten als voeding voor fermentatieprocessen, waarmee je onder andere ethanol, vitaminen en azijnzuur kunt maken. Onze technologie maakt het dus mogelijk om optimaal gebruik te maken van de reststromen van de landbouw en bosbouw, die al beschikbaar zijn." Mono-ethyleenglycol en furaandicarbonzuur zijn overigens de monomeren van het door Avantium ontwikkelde PEF.

 

ZUIVERE GLUCOSE

Bijzonder aan het Dawn-proces is dat dit een aparte fractie van zuivere glucose oplevert. Andere bedrijven, zoals Abengoa, DSM en Ineos Bio, hebben ook processen om lignocellulose te ontsluiten, maar die leveren alleen mengsels van suikers op. Het blijkt lastig, ook met kristallisatie of chromatografie, om die suikers van elkaar te scheiden. Zodoende zijn er extra kosten mee gemoeid. Daarom zetten ze de gemengde suikers meestal via fermentatie om in ethanol, dat echter maar beperkt geschikt is als uitgangsstof voor de biobased chemie. Ook passen deze bedrijven een voorbehandeling toe: een stoomexplosie om de hemicellulose en cellulose beter toegankelijk te maken met het oog op de enzymatische hydrolyse tot de verschillende suikers waaruit deze polysacchariden zijn samengesteld. Het Dawn-proces behoeft geen voorbehandeling. HCl kan de polysacchariden in de houtsnippers hydrolyseren, waarbij de hemicellulosesuikers en de glucose de reactoren in twee stappen verlaten en de lignine achterblijft.

 

BERGIUS-PROCES

Hout ontsluiten met zuur is niet nieuw. In de jaren dertig van de vorige eeuw was er al het Bergius-proces, waarmee glucose tijdelijk op commerciële schaal werd geproduceerd. Maar die productie was niet of nauwelijks rendabel, omdat er veel water en energie aan te pas kwamen. Avantium heeft het proces op twee manieren weten te verbeteren, waardoor het waterverbruik nu 70% lager is (4,5 versus 15 l water per kg suiker) en het energiegebruik eveneens beduidend lager is.

“Oorspronkelijk werd HCl grotendeels uit de suikerfractie verwijderd door indampen. Dat leidde tot een stroperige suikermassa, waaruit de laatste resten HCl met behulp van stoominjectie werden verwijderd. Ook werd er veel water gebruikt om het HCl van de lignine af te spoelen. Dat alles leverde een grote hoeveelheid verdund HCl op, dat met behulp van een grote destillatie-installatie weer op sterkte gebracht moest worden. Bij het Dawn-proces kunnen wij het HCl van de suikers scheiden zonder water toe te voegen. En de lignine ontdoen we op een heel andere manier van HCl dan met water", aldus Gruter, die niet meer kwijt wil over dit geheim van de smid. Hij wijst erop dat de lignine niet al te veel HCl-resten mag bevatten, omdat dit anders leidt tot corrosieproblemen bij de verbranding van de lignine in bijvoorbeeld een energiecentrale. De nagedroogde lignine lijkt op een soort houtskool. Op den duur kan die wellicht ook dienen als grondstof voor de productie van aromatische verbindingen, carbon black of asfalt.

Een ander groot voordeel van het Dawn-proces is dat het werkt bij kamertemperatuur en atmosferische druk. Daardoor blijft de glucose intact en kunnen de reactoren nu van het HCl-bestendige pvc worden gemaakt. Dergelijke kunststoffen waren tachtig jaar geleden in de Bergius-fabrieken nog niet voorhanden.

 

TERUGWAARTSE INTEGRATIE

De ontwikkeling van het Dawn-proces lijkt een ietwat vreemde move van het bedrijf, dat zijn oorsprong heeft in de ontwikkeling van katalysatoren in opdracht van producenten uit de petrochemie en in eigen katalytische chemische processen voor de groene chemie. In het Dawn-proces fungeert HCl overigens ook als katalysator. De afgelopen twintig jaar is het bedrijf vooral bezig geweest met de ontwikkeling van het polymeer PEF (polyethyleenfuranoaat) voor onder meer frisdrankflessen. In dat licht komt de verwerking van hout tot glucose, suikers en lignine neer op terugwaartse integratie.

“Hoewel er nog voldoende glucose uit bronnen zoals maiszetmeel beschikbaar is, zagen wij ook wel in dat bij een groeiende wereldbevolking en toenemende welvaart de noodzaak groeit om glucose vooral uit non-foodbronnen te halen"

Gruter: “Hoewel er nog voldoende glucose uit bronnen zoals maiszetmeel beschikbaar is, zagen wij ook wel in dat bij een groeiende wereldbevolking en toenemende welvaart de noodzaak groeit om glucose vooral uit non-foodbronnen te halen. Ook onze potentiële afnemers Coca-Cola en Danone informeerden daarnaar. We hebben toen rondgekeken, maar er waren geen partijen te vinden die glucose uit non-foodbronnen van voldoende kwaliteit konden leveren. Geen van de gebruikte technologieën bleek geschikt om zuivere glucose te maken. We wisten dat het Bergius-proces van de vorige eeuw zuivere kristallijne glucose opleverde en hebben dat proces vervolgens verbeterd. Met dit proces kunnen we in principe de reststromen uit de landbouw en bosbouw ontsluiten als bron voor de grootschalige productie van glucose voor onder meer de bouwstenen FDCA en MEG (mono-ethyleenglycol) voor PEF."

Het Mekong-project van Avantium sluit ook bij de terugwaartse integratie aan. Dit is gericht op een efficiënte productie van MEG uit glucose. Momenteel zet India Glycols die glucose in vier stappen - waaronder fermentatie - om in ethyleenglycol en CO2. In het beste geval is de opbrengst 67%. Avantium doet die conversie in één stap, waarbij in het ideale geval elk molecuul glucose met waterstof in water als oplosmiddel katalytisch wordt omgezet in drie ethyleenglycolmoleculen. In werkelijkheid wordt er ook een kleine hoeveelheid propyleenglycol gevormd. De katalysator komt uiteraard uit het eigen laboratorium. “Ons proces zet de glucose in één stap voor meer dan 70% om in MEG, dat van de andere producenten doet dat in werkelijkheid in vier stappen voor hooguit 60%. Ons proces kan zich daardoor qua kostenefficiëntie niet alleen meten met het alternatieve biobased proces voor de aanmaak van MEG, maar ook met de productie van MEG uit nafta." Momenteel is er een pilot plant voor MEG in aanbouw, die Avantium in het derde kwartaal van 2019 in bedrijf zal nemen in Delfzijl of in Geleen, waar ook de proeffabriek voor FDCA staat.

 

FLAGSHIP PLANT

Als de proefproductie en de tests in Delfzijl goed verlopen, gaat Avantium waarschijnlijk in consortiumverband met Nouryon (HCl-leverancier en potentiële afnemer van glucose), RWE (afnemer van lignine), Staatsbosbeheer (leverancier van houtsnippers) en Chemport Europe (de Noordelijke incubator voor groene chemie) een demonstratiefabriek bouwen voor het verwerken van 130.000 ton houtsnippers per jaar op basis van droge stof. Na het ontwerp in 2019 begint de bouw van de fabriek, die in 2022 of 2023 operationeel zal zijn. Avantium noemt deze fabriek al tactisch een flagship plant om voor te sorteren voor Europese subsidies. Als hiermee genoeg ervaring is opgedaan, dan volgt de 'flexiplant' met een capaciteit van 350.000 tot 500.000 ton houtsnippers (op drogestofbasis) per jaar. “Dat zou de optimale schaal moeten zijn. Als de fabriek nog groter is, dan loop je tegen logistieke problemen aan. Overigens zal de flagship plant modulair van opbouw zijn, zodat we deze in principe kunnen uitbouwen tot volle schaal door extra reactoren te plaatsen. Hiervoor is er voldoende ruimte op de locatie. Er hoeven dus geen grotere reactoren te komen en bij de toekomstige fabriek kunnen we van de kolommen van de flagship plant gebruik blijven maken, want die zijn al van optimale schaal."

"De flagship plant is modulair en is dus uit te bouwen tot volle schaal door bijkomende kleine reactoren te plaatsen, zodat er dus geen grotere reactoren hoeven te komen"

Avantium zal de glucose niet alleen voor de eigen PEF-productie produceren. Er zijn veel meer toepassingen van glucose, waardoor het Dawn-project onafhankelijk is van de toekomst van PEF. “Chemie kwam altijd van onder de grond, maar moet voortaan van boven de grond komen", zei CEO Tom van Aken van Avantium begin juli bij de officiële start van de proeffabriek. In feite gaat het hier om een bioraffinaderij, waarvan er veel meer in de wereld gebouwd kunnen worden. Avantium rekent momenteel dan ook aan tien business cases: vier in Noord-Amerika, drie in Europa en drie in Azië. “De flagship plant in Delfzijl is de eerste die we gaan bouwen." Ook is het bedrijf van plan om de Dawn-technologie te licentiëren. Bedrijven elders in de wereld zijn geïnteresseerd en onderzoeken de mogelijkheden om hiermee lokaal biomassa te verwerken.

 

De proeffabriek in Geleen waar Synvina (een joint venture van BASF en Avantium) op kleine schaal furaandicarbonzuur (FDCA) produceert. Dit polymeriseren Synvina en partners tot polyethyleenfuranoaat (PEF)
De proeffabriek in Geleen waar Synvina (een joint venture van BASF en Avantium) op kleine schaal furaandicarbonzuur (FDCA) produceert. Dit polymeriseren Synvina en partners tot polyethyleenfuranoaat (PEF)

FDCA-FABRIEK GELIJKTIJDIG OPERATIONEEL

Enkele jaren geleden hebben Avantium en het Duitse chemieconcern BASF de joint venture Synvina opgericht voor de commerciële productie van FDCA (2,5-furaandicarbonzuur) in Antwerpen vanaf 2020, maar de bouw van de fabriek is drie jaar uitgesteld. Gruter: “Synvina wil in de pilot plant in Geleen eerst bewijzen dat alle stappen van de YXY-technologie goed werken. Eerder hadden we het aantonen van een deel van de stappen, die voor de zuivering, uitbesteed. Synvina heeft besloten om ook die stappen in de pilot plant te testen onder de omstandigheden van het continuproces. Dat kost meer tijd, maar reduceert het risico dat er later iets foutloopt. Qua timing loopt dit project nu gelijk met het Dawn-project. De FDCA-flagship plant zal in 2022 of 2023 operationeel zijn."

De omzetting van glucose in FDCA verloopt bij het YXY-proces (spreek uit: iksie-proces) in drie stappen. De eerste is de isomerisatie van glucose naar fructose. De tweede is de dehydratatie van de fructose tot de vloeistof MMF (5-methoxymethyl furfural), de derde is de katalytische oxidatie van MMF in de vaste witte stof FDCA (2,5-furaandicarbonzuur). De polymerisatie van FDCA met MEG tot PEF zal Synvina in bestaande PET-units doen.

Plastic op basis van ruwe olie en het alternatief op basis van koolhydraten
Plastic op basis van ruwe olie en het alternatief op basis van koolhydraten

Het FDCA bevat, net als glucose, zes koolstofatomen. Het is dus niet nodig om het suikermolecuul eerst af te breken en daarna met de brokstukken een nieuw molecuul op te bouwen. Daardoor kost de omzetting van suiker in FDCA relatief weinig energie. Zo kost volgens het Copernicus Instituut van de Universiteit Utrecht de productie van een ton PEF uit groene grondstoffen 65% minder fossiele energie dan de productie van een ton PET. Verder komt daarbij 70% minder CO2 vrij.

Toen Avantium zich een jaar of vijftien geleden op het pad van de biobased chemie begaf, kon het moeilijk aan subsidie komen. “We kregen aanvankelijk te horen dat we dergelijke ontwikkelingen maar beter met grote partners konden gaan doen, omdat er veel bij komt kijken. Maar we deden al jarenlang contractonderzoek voor grote partners in de petrochemie en zagen in het ontwikkelen van processen voor de biobased chemie een mogelijkheid om onze expertise zelfstandig in te zetten en daarbij onze eigen interesse te volgen. Later kwam het goed. De Europese Unie subsidieert nu een deel van de ontwikkeling en de bouw van de PEF/FDCA-fabriek in Antwerpen. Die is binnen het kaderprogramma Horizon 2020 aangemerkt als 'biobased industry flagship plant'."

 

VAN MIERENZUUR NAAR POLYESTER

De bioraffinage van lignocellulose van hout, tarwestro en maisstengels en -bladeren is één route om tot 'groene' chemicaliën en materialen te komen. De andere is om met behulp van duurzame elektriciteit waterstof uit water te produceren en dat met afgevangen CO2 via syngas en met behulp van Fischer-Tropsch-synthese om te zetten in koolwaterstoffen. Hoe kijkt Gruter hiertegen aan?

“Je kunt helaas geen materialen uit energie maken. Je hebt altijd koolstof nodig. Dat haal je uit biomassa of uit afgevangen CO2 (CCU oftewel carbon capture and utilisation).

Wij kijken er ook naar en hebben een bedrijf in Princeton overgenomen, dat nu in het Science Park in Amsterdam onderzoek doet naar het reduceren van CO2 tot syngas of mierenzuur. We focussen op mierenzuur, omdat we dat in oxaalzuur kunnen omzetten, waarvan weer polyesters gemaakt kunnen worden. Dat heeft op het moment een veel betere businesscase dan syngas. We noemen dit het Volta-project. Onze projecten zijn allemaal naar grote rivieren genoemd, het YXY-project bijvoorbeeld heette vroeger Amazon."

Gruter heeft een aanstelling als hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam en begeleidt daar onder andere promovendi die onderzoek doen naar biobased en CO2-based polyesters. Hij erkent dat het ook belangrijk is om koolstof in een kringloop te brengen. “We zijn in de eerste plaats pro hergebruik van kunststoffen. Om plastic flessen in een afwasmachine voor glas te reinigen, moeten deze bij 85 °C gewassen kunnen worden. Dat kan met PET niet, maar met materialen met een hogere zogenoemde lastemperatuur zoals PEF waarschijnlijk wel. Hiervoor ontwikkelen we ook nieuwe materialen. Als hergebruik door slijtage niet meer mogelijk is, is mechanische recycling de volgende circulaire optie. Ten slotte kan het materiaal van afgedankte flessen ook nog gebruikt worden als grondstof voor andere toepassingen of voor de productie van grondstoffen zoals aromaatverbindingen via chemische recycling."

"We hoeven niet te vrezen voor ontbossing. Als lignocellulose ook voor grootschalige brandstofproductie voor vervoer wordt aangewend, kan er wél spanning ontstaan, maar daarvoor zijn er voldoende alternatieven zoals elektriciteit en waterstof"

GENOEG GRONDSTOFFEN

Is er genoeg restmateriaal beschikbaar voor de hele chemische industrie? Gruter twijfelt daar niet aan: “Er zijn honderden miljoenen tonnen lignocellulose beschikbaar, zo is uitgerekend door het Copernicus-instituut in Utrecht. Voor de productie van materialen is dat meer dan voldoende. We hoeven niet te vrezen voor ontbossing. Als lignocellulose ook op grote schaal voor de productie van brandstoffen wordt aangewend, dan kan er wel spanning ontstaan. Maar er zijn genoeg alternatieven voor het vervoer beschikbaar, zoals elektriciteit en waterstof." Staatsbosbeheer kan genoeg restmateriaal leveren voor de flagshipproductie zonder dat de bossen hierdoor achteruitgaan. In Nederland wordt jaarlijks maximaal 70% van de aanwas (groei van de bomen en nieuwe aanplant) geoogst. Op den duur kunnen ook zeewieren en algen een bron van biomassa gaan vormen.