Woody biomass, raw material for a new generation of plastics?

Woody biomass, raw material for a new generation of plastics?

· 05-09-2018

Our innovative Lignin-first process was published in Susanova, a novel B2B-mediaplatform. Sustainable business and innovation is the main focus of Susanova, perfectly matching our integrated and complete utilization of lignocellulosic biomass. 

During the lignin-first process, lignocellulosic biomass is fractionated in a liquid lignin oil and a solid carbohydrate pulp. Both product streams can be upgraded towards bio-based chemicals. 

Article as published in Susanova (Dutch): 

https://www.susanova.be/artike...

https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:activity:6443028574898253825

https://twitter.com/SUSANOVA_BE/status/1037262631130857472

    Bestaande chemische processen vergroenen en efficiënter maken: daarop leggen de wetenschappers van het Leuvense Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse (COK) zich toe onder leiding van professor Bert Sels. Een van de onderzoekspistes is de conversie van lignocellulose naar de chemische bouwblokken voor onder andere benzine, plastics en farmaceutische producten.

    “Lignocellulose is het voornaamste bestanddeel van bijvoorbeeld (afval)hout, tarwestro of vlas”, zegt Joost Van Aelst, postdoctoraal onderzoeker binnen de onderzoeksgroep. Samen met zijn collega’s ontwikkelde hij een innovatief procedé dat die grondstof opsplitst in twee waardevolle stromen. “In een reactor brengen we de biomassa, bijvoorbeeld houtsnippers, samen met een katalysator en een oplosmiddel op de juiste temperatuur en onder de juiste druk. Zo ontstaan een vaste stroom, de cellulose – te vergelijken met papierpulp – en een vloeibare stroom, de lignine-olie.”

    Beter dan bio-ethanol

    Met beide stromen kunnen de onderzoekers een heleboel richtingen uit. “Uit de cellulose kunnen we bijvoorbeeld een lichte nafta maken, met nagenoeg dezelfde samenstelling als die uit de traditionele olieraffinage. Daaruit kan een brandstof worden bekomen die je onbeperkt kan mengen met benzine, zonder dat er iets noemenswaardigs aan de eigenschappen verandert. Een groot verschil met bio-ethanol, dat je maar beperkt aan je benzine kunt toevoegen voor je motor begint te sputteren.”

    “Met onze technologie is het perfect mogelijk om plastics op basis van fossiele grondstoffen te vervangen door plastics op basis van cellulose”

     Bert Lagrain (KU Leuven)

    Maar daar stoppen de toepassingen van cellulose niet. De lichte nafta kan ook in een volgende stap worden omgezet naar chemische basisstoffen als ethyleen, propyleen en benzeen. Industrieel onderzoeksmanager Bert Lagrain: “Die stoffen kan de chemische industrie rechtstreeks gebruiken om groene plastics te maken, die qua eigenschappen niet verschillen van het huidige plastic. Met onze technologie is het dus perfect mogelijk om plastics op basis van fossiele grondstoffen te vervangen door plastics op basis van cellulose.”

    Van isolatiemateriaal tot medicijn

    De tweede stroom die ontstaat bij het opsplitsen van lignocellulose is lignine: een stof uit de celwand van planten die als lijm fungeert tussen de vezels. Van Aelst: “De papierindustrie onttrekt vandaag ook al lignine uit hout, maar gebruikt daarvoor een minder efficiënte techniek waardoor de stof haar waarde als chemische grondstof verliest. In ons inventieve procedé degradeert de lignine niet: wij zorgen ervoor dat ze een waardevolle chemische bouwstof blijft.”

    “Het unieke aan lignine-olie is dat die aromatische moleculen bevat. Die aromaten kunnen ingezet worden als bouwsteen voor toepassingen in de industrie, zoals isolatiemateriaal, geneesmiddelen en harde plastics. Allemaal zaken waarvoor vandaag nog een beroep gedaan wordt op fossiele grondstoffen”, zegt Van Aelst.

    De lignine-olie kan bovendien dienstdoen als bron voor vervangers voor de veelbesproken stof bisfenol A (BPA). Van Aelst: “Onze BPA-vervangers hebben niet dezelfde chemische structuur en eigenschappen als het huidige BPA, dat hormoonverstorend werkt. Met onze moleculen zijn wel dezelfde toepassingen mogelijk, maar verschillende testen wijzen erop dat de hormoonverstorende werking honderd tot duizend keer lager ligt.”

    Nieuwe waardeketen voor houtachtige biomassa

    De onderzoekers zijn overtuigd van de meerwaarde van hun procedé, en dus ook ambitieus. “We willen in Vlaanderen een nieuwe waardeketen opzetten op basis van onze technologie”, zegt Lagrain. “Daarom startten we onlangs het onderzoeksproject BioWood op, waarin we zowel de aanvoer van biomassa als de markt van mogelijke eindproducten in kaart brengen.”

    BioWood, een FWO-project dat loopt tot eind 2021, moet uitmonden in een winstgevende waardeketen voor de Vlaamse bio-economie die volledig gebaseerd is op houtachtige biomassa. De technologie van het COK vormt daarin de schakel die eerder nog ontbrak: ze verbindt het aanbod aan biomassa met de vraag naar hernieuwbare grondstoffen in de industrie.

    Duurzaamheid staat daarbij centraal en dus hebben de onderzoekers oog voor de link met duurzaam bosbeheer. “Het is voor ons essentieel om te weten of onze technologie op een echt duurzame manier kan worden toegepast. We werken daarvoor samen met mensen die aan het begin van de keten staan, zoals bosbouwers die biomassa beheren. Of binnen onze eigen universiteit, met collega’s gespecialiseerd in bosbeheer. Zij kunnen ons perfect vertellen welke bossen er vandaag bestaan en hoeveel hout daaruit gebruikt mag worden zonder het ecosysteem te verstoren”, aldus Van Aelst.

    Lagrain: “Het klinkt misschien gek, maar vandaag is er op sommige plaatsen een houtoverschot. Bijvoorbeeld in bossen waar niet aan bosbeheer wordt gedaan. Daar blijft de biomassa gewoon liggen.”

    /uploads/d2c3c1f58a732e716481691a9f73755b.jpeg

    Bermgras

    Ook de landbouw zorgt voor een grote hoeveelheid lignocellulose via zij- en reststromen van gewassen, zoals tarwe en vlas. Zelfs gemaaid bermgras vormt een bruikbare bron van biomassa. Projecten als de biomassahub in Eeklo en Bermstroom zetten volop in op het potentieel van dat gras voor de industrie.

    “Wij maken uit 1 ton hout 500 kilogram papierpulp, en daarnaast nog ongeveer 200 kilogram lignine-olie die je kan gebruiken voor toepassingen in de chemische industrie” 

    Bert Lagrain (KU Leuven)

    Volgens de onderzoekers is er voldoende biomassa om plastics op een groene manier te produceren. Maar wordt die ook optimaal benut in het procedé? “Onze technologie scoort hoog qua efficiëntie”, verzekert Van Aelst. “We proberen bij iedere toepassing een zo hoog mogelijk rendement te krijgen.”

    Lagrain trekt een parallel met de papierindustrie: “Onderzoek toont aan dat als de papierindustrie vertrekt van een ton hout, ze daar 500 kilogram papierpulp uit haalt. De rest beschouwt ze als afval, dat verbrand wordt. Wij maken uit die ton hout óók 500 kilogram papierpulp, maar daarnaast nog ongeveer 200 kilogram lignine-olie die je kan gebruiken voor toepassingen in de chemische industrie.”

    /uploads/0d62999f7e705b155565876f1635772b.jpeg

    Opschaling

    De innovaties van het COK blijven niet onopgemerkt binnen de chemische industrie. “Bedrijven zijn steeds meer geïnteresseerd in ons procedé”, vertelt Lagrain. “Zo vragen ze bijvoorbeeld materiaal om te testen. Het gaat dan om een paar gram of kilogram van ons product die ze willen uitproberen in hun toepassingen.”

    Om aan de toenemende interesse tegemoet te komen, leggen de onderzoekers zich toe op de opschaling van hun technologie naar grotere volumes. Die stap konden ze recent zetten dankzij BIO-HArT, een Interreg-project dat in 2016 tot stand kwam onder de paraplu van het onderzoekscentrum Biorizon, en van MAIA: een Catalisti-project in samenwerking met de industrie. Lagrain: “Dankzij die projecten ligt het volume van ons raffinageproces nu twintig keer hoger dan in het begin. We hebben een nieuw labo kunnen inrichten, waardoor we de sprong hebben gemaakt van de 100 ml-schaal naar de 2 liter-schaal.”

    En daar stopt het niet. Van Aelst: “De volgende stap is een tienvoudige opschaling, naar 20 liter. Die stap is nodig om onze technologie te valideren voor productie op industriële schaal en om bedrijven finaal over de streep te trekken.” Het uiteindelijke doel is om tegen 2025 een commerciële productie van bio-aromaten mogelijk te maken.