Van snoeiafval naar zonnebrand

Onderzoeker Gijs van Erven en zijn collega's onderzoeken welke aanpak daarvoor het meest geschikt is. De kern: fit for purpose, slimme keuzes maken over welke biomassa en welk technologisch proces je voor welke toepassing gebruikt.

Wat gebeurt er met de waardevolle stoffen in plantenresten als we die verbranden of composteren? Ze leveren dan energie of compost, maar worden niet benut als grondstof voor nieuwe materialen. 'Daarmee benutten we maar een deel van hun potentie', zegt onderzoeker Gijs van Erven van Wageningen Food & Biobased Research. Hij onderzoekt hoe we die waardevolle grondstoffen wél uit zulke reststromen kunnen halen.

Dat wordt steeds interessanter. Niet alleen omdat Nederland streeft naar een circulaire economie en minder fossiele grondstoffen wil gebruiken, maar ook omdat grondstoffenonafhankelijkheid belangrijker wordt. 'Met alle geopolitieke spanningen helpt het als we gebruik kunnen maken van grondstoffen die hier beschikbaar zijn', zegt Van Erven.

Daarbij voegt hij wel een nuance toe. We importeren niet per se enorme hoeveelheden plantaardige grondstoffen die één op één vervangen kunnen worden door Nederlands bermgras. Wel gebruiken we veel fossiel gebaseerde materialen en producten, zoals plastics en lijmen. 'Als een deel daarvan lokaal of Europees gemaakt kan worden uit beschikbare biomassa, neemt de afhankelijkheid van fossiele grondstoffen van elders af.'

Om plantenmateriaal als grondstof te gebruiken, moet het vaak eerst uit elkaar worden gehaald. Dat gebeurt met bioraffinage. 'Bioraffinage is eigenlijk het scheiden van plantenmateriaal in de componenten waaruit het bestaat, zodat je meerwaarde kunt creëren', legt Van Erven uit. Het streven is daarbij naar totaalverwaarding: niet alleen één waardevolle stof eruit halen, maar zo veel mogelijk componenten van de plant nuttig benutten.

Papier is een vertrouwd voorbeeld. Daarvoor wordt cellulose uit hout gewonnen. De celwanden van planten bevatten daarnaast hemicellulose en lignine. Die drie stoffen zijn nauw met elkaar verweven en geven de plant stevigheid. Bij bioraffinage proberen onderzoekers ze van elkaar te scheiden, zodat ze alle drie als grondstof kunnen worden benut.

Bij relatief schone reststromen, zoals hout of tarwestro, is bioraffinage goed mogelijk. Maar veel reststromen zijn helemaal niet zo schoon. Juist daar richt Van Erven zich op. Gemeentelijk bladafval kan bijvoorbeeld bestaan uit bladeren van allerlei verschillende bomen, vermengd met zand, plastic en ander afval. Riet uit een kanaal kan behalve plantenmateriaal ook slib en plastic bevatten.

Juist zulke stromen zijn volgens Van Erven interessant, omdat daar nog veel onbenutte biomassa zit. Maar technisch zijn ze een stuk lastiger. Zand klinkt onschuldig, totdat tonnen biomassa door een fabriek moeten: het kan machines laten slijten of zelfs vastlopen. Voor de raffinage moet het materiaal daarom eerst worden opgeschoond, verkleind, gewassen en gezeefd. Daarna volgen chemische stappen om cellulose, hemicellulose en lignine van elkaar te scheiden.

Vooral lignine krijgt daarbij steeds meer aandacht. Lignine is een natuurlijke bouwstof in de celwanden van planten en draagt bij aan hun stevigheid. Bij de traditionele papierproductie draaide het vooral om cellulose. Lignine zat daarbij eerder in de weg dan dat het iets opleverde en werd daarom veelal verbrand om energie voor het raffinageproces op te wekken. Dat is niet nutteloos, benadrukt Van Erven, maar wel zonde: met lignine kun je zoveel meer.

Nieuwe technieken maken het mogelijk lignine zo uit biomassa vrij te maken dat de oorspronkelijke structuur beter behouden blijft, bijvoorbeeld door minder agressieve chemicaliën te gebruiken of de verwerking in meerdere stappen uit te voeren. Van Erven en zijn collega's werken mee aan de ontwikkeling van zulke technieken en testen hoe die ook kunnen worden toegepast op lastigere biomassastromen, zoals riet. 

De structuur is belangrijk, want lignine is niet één stof, maar een hele verzameling stoffen met allemaal net andere eigenschappen. De lignine in een naaldboom heeft op moleculair niveau een andere opbouw dan die in een loofboom, en beide verschillen weer van lignine uit riet. Zelfs omstandigheden zoals droogte tijdens de groei van de plant kunnen de structuur beïnvloeden.

Die verschillen bepalen mede wat je met lignine kunt doen. Lignine uit naaldhout leent zich bijvoorbeeld beter voor bepaalde lijmen. Lignine uit loofhout, zoals wilg en eik, kan eigenschappen hebben die interessant zijn als antioxidant, bijvoorbeeld in producten voor persoonlijke verzorging. Andere soorten lignine kunnen weer geschikt zijn om een deel van het bitumen in asfalt te vervangen, een bindmiddel dat nu meestal uit aardolie wordt gemaakt.

Dat is wat Van Erven fit for purpose noemt: begrijpen welke eigenschappen een grondstof heeft en die koppelen aan een passende toepassing. Precies daar richt een belangrijk deel van zijn onderzoek zich op. Zijn team onderzoekt welke ligninestructuren in verschillende planten voorkomen, welk bioraffinageproces lignine het beste vrijmaakt en wat dat proces met de structuur doet. Want ook de manier waarop lignine uit de plant wordt gehaald, beïnvloedt de eigenschappen. 'Omdat we dat steeds beter snappen, kunnen we daar ook betere keuzes in maken.'

Wat er tijdens de verwerking met lignine gebeurt, bepaalt dus wat je er daarna nog mee kunt. Dat zie je goed bij traditionele papierproductie, waar het proces volledig op cellulose is gericht. De lignine die overblijft, omschrijft Van Erven als 'zwarte smurrie'. Voor asfalt hoeft die donkere kleur geen probleem te zijn. Voor cosmetica wel. 'Als je die lignine zou willen toepassen in zonnebrand, dan wordt het schmink.'

Soms wordt de gewonnen lignine verder opgesplitst in delen met elk hun eigen eigenschappen. Ook daarna kunnen onderzoekers de stof nog aanpassen voor specifieke toepassingen. 'We onderzoeken hoe we die eigenschappen verder kunnen verbeteren, bijvoorbeeld door de structuur aan te passen met chemische processen, enzymen of schimmels', zegt Van Erven.

De toepassingen lopen uiteen van asfalt en lijmen tot cosmetica en persoonlijke verzorging. Sommige soorten lignine kunnen uv-straling helpen tegenhouden en zijn daardoor interessant voor zonnebrand. Hoe goed dat werkt, hangt af van de structuur van de lignine. Veel huidige uv-beschermende stoffen zijn fossiel gebaseerd of niet biologisch afbreekbaar, zegt Van Erven. Een biobased én biologisch afbreekbaar alternatief zou daarom interessant kunnen zijn. Het onderzoek naar zulke toepassingen gebeurt samen met industriële partners. Maar niet iedere reststroom kan morgen rechtstreeks in een tube zonnebrandcrème.

Dat het technisch mogelijk is om waardevolle stoffen uit plantenresten te halen, betekent nog niet dat het ook verstandig is. Als daarvoor veel energie, water en chemicaliën nodig zijn, kan de milieuwinst verloren gaan. En als het proces te duur is, zullen bedrijven er niet snel in investeren. Daarom kijken de onderzoekers al tijdens de ontwikkeling naar zowel economische als ecologische haalbaarheid.

Met een techno-economische analyse berekenen ze onder meer wat apparatuur, arbeid en productie kosten en wat het eindproduct moet opleveren om rendabel te zijn. Ook brengen ze de milieubelasting in kaart, bijvoorbeeld door te kijken naar het gebruik van energie, water en chemicaliën en de uitstoot van CO₂. 'Het technologisch voor elkaar krijgen is maar een deel van de puzzel', zegt Van Erven. 'Het proces moet ook economisch haalbaar zijn en een zo klein mogelijke voetafdruk hebben.'

Ook de stap van laboratorium naar fabriek is een uitdaging. Om bijvoorbeeld riet te verwerken tot een bruikbare grondstof, zijn verschillende bewerkingen nodig die op grote schaal op elkaar moeten aansluiten. Van Erven noemt dat een cascade. Bioraffinagefabrieken bestaan al, maar een installatie waarin alle stappen voor vervuilde reststromen of reststromen van wisselende samenstelling op grote schaal  plaatsvinden, staat er niet zomaar. Daarom werkt het team samen met industriële partners uit de hele keten, van grondstofleveranciers en verwerkers tot bedrijven die de eindproducten maken.

Binnen het huidige KennisBasis-project vergelijken Van Erven en zijn collega's verschillende bioraffinageprocessen om cellulose, hemicellulose en lignine van elkaar te scheiden. Ze onderzoeken welke methode de stoffen het best vrijmaakt en hun structuur zo veel mogelijk intact laat. Dat testen ze onder meer op relatief schoon olifantengras en op een meer vervuilde reststroom zoals riet. De eerste resultaten laten volgens Van Erven zien dat het proces ook met een lastigere, wisselend samengestelde stroom als riet uit de voeten lijkt te kunnen. Welke methode uiteindelijk het meest geschikt is, onderzoeken ze nog.

Het doel van het tweejarige project is geen kant-en-klare fabriek, maar een blauwdruk waarmee onderzoekers en bedrijven de technologie verder kunnen ontwikkelen. Daarbij spelen naast techniek ook economische en sociaal-maatschappelijke vragen mee. Waar worden reststromen verwerkt, hoe organiseer je de keten en waar komt de gecreëerde waarde terecht? Het team kijkt daarom ook hoe de technologie samen met andere onderzoekers en industriële partners verder kan worden ingebed, zodat die echt meerwaarde creëert.

De kennis kan bovendien volgens Van Erven verder reiken dan Nederland. 'Technologie die hier wordt ontwikkeld voor grasachtige biomassa zoals riet en olifantengras, kan mogelijk worden vertaald naar rijststro of resten van suikerriet.' In landen zoals India en Brazilië komen zulke stromen op grote schaal vrij en worden ze vaak verbrand. Lokale verwerking kan daar nieuwe grondstoffen opleveren én helpen om milieuproblemen door verbranding te verminderen.

De eerste resultaten laten zien dat ook lastigere reststromen, zoals riet, bruikbare grondstoffen kunnen opleveren. Welke verwerkingsmethode daarvoor het meest geschikt is en hoe die op grotere schaal kan worden toegepast, onderzoeken Van Erven en zijn collega's nog. Maar hij ziet volop kansen: 'Er zit zeker muziek in.'