Catchbio-project: hernieuwbare alternatieven voor fossiele grondstoffen stap dichterbij

Project

Catchbio-project: hernieuwbare alternatieven voor fossiele grondstoffen stap dichterbij

Veel moderne industriële processen zijn geoptimaliseerd voor grondstoffen uit de petrochemie. Hernieuwbare grondstoffen kunnen een goed alternatief zijn, maar dat kan alleen als er alternatieve productieprocessen komen die daar helemaal op ingesteld zijn. Wageningen Food & Biobased Research heeft binnen het CatchBio-programma (Catalysis for Sustainable Chemicals from Biomass) een aantal van deze processen onderzocht.

Fossiele grondstoffen als olie en gas zijn het resultaat van de afbraak van biomassa over een lange tijd in de grond bij hoge druk en temperatuur, waardoor vrijwel alle chemisch reactieve groepen verdwenen zijn. Na (olie)raffinage worden in allerlei chemische processen weer reactieve groepen zoals alcoholen of zuren toegevoegd. Dit kost veel energie en kan afvalstoffen opleveren. Verse biomassa is echter voor veel praktische toepassingen te rijk aan functionele groepen. Daan van Es, projectleider bij Wageningen Food & Biobased Research: “Biomassa afbreken tot dat het op aardolie lijkt door alle reactieve groepen eruit te halen, om het daarna in bestaande industriële processen weer toe te voegen, is meestal niet erg efficiënt. Maar het kan wel efficiënt zijn om een alternatief proces te ontwikkelen waarbij gericht de ongewenste functionaliteit wordt verwijderd, en de gewenste wordt behouden (selectieve defunctionalisering).” Om dit soort processen te ontwikkelen participeerde Wageningen Food & Biobased Research in verschillende deelprojecten binnen het CatchBio programma.

Biobrandstof

Samen met de Universiteit Utrecht ontwikkelden onderzoekers van Wageningen Food & Biobased Research katalysatoren om uit onverzadigde vetzuren uit afvaloliën en -vetten zonder toevoeging van waterstof betere biobrandstoffen en grondstoffen voor onder meer zeep te maken. De onderzoekers brachten hierbij kennis in over plantaardige oliën, en hebben tijdens het project veel kennis opgedaan over katalysatoren en de effecten van onverzadigde vetzuren op de processen. Met behulp van nieuwe wolfraam- en molybdeencarbidekatalysatoren bleek het mogelijk om zowel brandstoffen als de gewenste chemicaliën te maken. Hoewel hierbij nog steeds waterstof nodig is, is het wel mogelijk hoogwaardiger chemicaliën te produceren. Verdere ontwikkeling van de nieuwe katalysatoren en processen is noodzakelijk om tot commercialisatie te komen.

Alternatieve route naar butadieen

Een alternatieve route naar 1,3-butadieen op basis van biomassa was het doel van het tweede project. Butadieen is een grondstof voor onder andere synthetische rubber en er is veel vraag naar in de chemische industrie. Agrarische restmaterialen bevatten veel niet-verteerbare pentosesuikers. Samen met de Universiteit Utrecht verkende Wageningen Food & Biobased Research de mogelijkheden om deze suikers met één koolstofatoom in te korten, vervolgens alle zuurstof eruit te halen en zo uit te komen op butadieen. Het bleek inderdaad mogelijk om via deze route butadieen te maken. De kosten van de nieuwe route zijn momenteel echter nog te hoog om het commercieel concurrerend met aardolie te maken. Het onderzoek bij Wageningen Food & Biobased Research heeft wel geleid tot nieuwe inzichten in manieren om suikers in te korten en hoe hiermee andere industrieel relevante bouwstenen zoals ethyleenglycol kunnen worden gemaakt.

Lignine gericht afbreken

In een ander project waar Wageningen Food & Biobased Research bij betrokken was, stond het gericht afbreken van lignine centraal. In houtige gewassen zoals bomen en grassen zorgt lignine voor stevigheid en flexibiliteit door als een soort lijm tussen de cellulosevezels en de hemicellulose te functioneren. Door hout of stro met zuren of basen te behandelen in heet water kan de cellulose van de lignine worden gescheiden. Van Es: “De papier- en pulpindustrie kijkt al decennialang met veel interesse naar lignine. Het bestaat uit aromatische bouwstenen, waar veel vraag naar is in de chemische industrie. Momenteel wordt het merendeel van de lignine verbrand om elektriciteit en warmte mee op te wekken. Omzetten in aromatische bouwstenen voor plastics zoals polycarbonaat, PET of polystyreen levert meer waarde op en verbetert de duurzaamheid.”

Onderzoek naar lignine is echter uitdagend. Een oorzaak daarvan is dat de lignine die de papierindustrie doorgaans beschikbaar heeft, door het bewerkingsproces sterk veranderd is en daarmee niet een ideale grondstof blijkt voor het maken van zuivere chemicaliën. Daar waar veel onderzoek naar chemische afbraak van lignine zich richt op het maken van vloeibare brandstoffen, heeft Wageningen Food & Biobased Research zich voornamelijk gericht op omzetting naar hoogwaardige aromatische chemicaliën. Hoewel dit extra uitdagend is, zijn er grote vorderingen gemaakt. Een winstpunt is dat het Wageningse proces in water plaatsvindt. Dat scheelt veel stappen in het proces, aangezien de winning van vezels uit de celluloseslurry in de papierindustrie ook op water gebaseerd is. Het proces is door het gebruik water ook een stuk veiliger in vergelijking met brandbare oplosmiddelen zoals alcohol.

Uitontwikkeld is het proces nog niet. “Lignine is lastig. Als je niet oppast, vormt het een soort bakeliet en dat is niet de bedoeling. Maar het gaat de goede kant op. Het lignine-onderzoek heeft inmiddels vervolg gekregen in een aantal nieuwe projecten.” Daarbij wordt ook steeds meer gekeken naar het aanpassen van de processen om de lignine uit de pulp te halen; hoe milder dat gebeurt, hoe beter de ligninekwaliteit.

Humines

Bij het omzetten van suikers door middel van verhitting en chemische reacties worden complexe stoffen gevormd die humines worden genoemd. Een mooi voorbeeld is het karamelliseren van suiker, waarbij eerst bruinverkleuring optreedt en uiteindelijk een zwarte onoplosbare massa wordt verkregen. Humines zijn ongewenste bijproducten in veel processen waarbij suikers worden gebruikt. Samen met de Universiteit Utrecht heeft Wageningen Food & Biobased Research onderzoek gedaan naar humines die worden geproduceerd bij industriële processen. Een groot deel van het onderzoek was gericht op het ophelderen van de chemische structuur van deze humines, met als doel om de vorming van humines beter te begrijpen (en mogelijk in de toekomst te kunnen verminderen of voorkomen). Daarnaast is onderzocht of analoog aan lignine door middel van chemische omzetting van humines hoogwaardige chemicaliën en materialen kunnen worden verkregen. Ook dit humine onderzoek wordt voortgezet in een aantal nieuwe projecten, waarbij kan worden voortgebouwd op de ontwikkelde analyse methodes en chemische inzichten.

Toepassing van nieuwe processen

Tot direct toepasbare processen heeft het CatchBio programma, wat betreft Wageningen Food & Biobased Research nog niet geleid. Van Es had dat realistisch gezien ook niet verwacht: “Er kunnen nog geen fabrieken worden gebouwd. De petrochemische industrie doet al zeventig jaar onderzoek naar allerlei processen, en die zijn nog steeds niet uitontwikkeld. Het onderzoek naar grootschalige industriële bioraffinage voor de productie van chemicaliën staat, zo bekeken, nog in de kinderschoenen.”

    Publicaties