Naar een nieuwe waardeketen voor houtige biomassa

De missie achter het door VLAIO gefinancierde project is ambitieus. Ze behelst immers de uitbouw van een nieuwe biogebaseerde waardeketen in Vlaanderen. Die keten is gestoeld op houtige biomassa afkomstig van allerhande afval- en nevenstromen, en ze beoogt de productie van hoogwaardige agro-industriële chemicaliën. Binnen BioWood werkt VITO samen met onderzoekers van de KU Leuven (projectcoördinator) en de UAntwerpen. Daarnaast is er ook samenwerking met onder andere het veevoederbedrijf Nutrition Sciences.

Binnen BioWood wordt al wat nodig is om de keten in Vlaanderen van de grond te krijgen gedetailleerd onderzocht. Van de oorsprong en aanvoer van de biomassa tot de vermarkting van mogelijke eindproducten. Door die brede aanpak is het project ingedeeld in verschillende werkpakketten die elk een stukje van de keten behandelen. ‘In één van de pakketten worden de beschikbare houtige biomassastromen in Vlaanderen geïnventariseerd’, zegt Frederik De Bruyn, business development manager bij VITO. ‘Een ander werkpakket omvat de fractionering van de houtchips met een bioraffinageproces. De verschillende fracties die daaruit voortkomen kunnen verder chemisch of biochemisch – net zoals bij de raffinage van aardolie in de petrochemie – omgezet worden naar allerhande hoogwaardige toepassingen. De verkregen biomoleculen worden dan ook nog op hun veiligheid getest, zowel voor het leefmilieu als voor de menselijke gezondheid. En finaal moet natuurlijk het economische plaatje kloppen: de hele keten moet rendabel zijn en de toepassingen moeten aan marktconforme prijzen kunnen worden verkocht.’

Goedkoper met decentrale biomassahub

Om de verschillende stukjes van de keten met elkaar te verbinden en de waardeketen in het Vlaamse landschap in te passen, wordt MooV ingezet, het serviceplatform ontwikkeld door VITO (unit Duurzame Chemie) om supply chains efficiënter te maken. ‘Met MooV worden verschillende scenario’s doorgerekend waarbij de kosten worden geminimaliseerd en verschillende watervalprincipes worden bekeken’, zegt Annelies De Meyer van VITO. ‘We houden rekening met de kosten om het hout te “oogsten”, het op te slaan, te verwerken tot houtchips, te transporteren en het uiteindelijk te raffineren om de optimale locatie voor de industriële bioraffinaderij te bepalen. Komt die best dicht bij de oorsprong van de houtige biomassa, of beter in de buurt van de bedrijven die de eindtoepassingen maken? ‘Deze optimale locatie hangt sterk af van keuzes waar de afzonderlijke stappen gebeuren: aan de rand van een bos, in een (de)centrale biomassahub, naast de bioraffinaderij … Zo hebben we ontdekt dat het logistieke proces 15 procent goedkoper kan worden gemaakt als we kiezen voor een decentrale biomassahub waar de geoogste biomassa wordt opgeslagen en verwerkt tot houtchips. De grootte en locatie van deze hub speelt een belangrijke rol en wordt ook geoptimaliseerd door MooV.’ Voor de inventarisatie van de beschikbare houtbiomassa werkt VITO samen met de KU Leuven, die daarvoor een nieuwe boskaart voor Vlaanderen uitwerkt. De techno-economische analyse van het bioraffinageproces wordt uitgevoerd door experts van de UAntwerpen.

Oligosachariden knippen op maat

De bioraffinage van de houtige biomassa vormt zoals gezegd de kern van de nieuwe waardeketen. Ook dit is het werkterrein van de unit Duurzame Chemie. ‘Binnen BioWood gaan we aan de slag met de hemicellulose, naast cellulose en lignine een hoofdbestanddeel van hout’, zegt Winnie Dejonghe van VITO. ‘Daaruit willen we oligosachariden maken, korte biopolymeren die een veelvoud aan toepassingen hebben.’ Dejonghe en haar collega’s doen dit door de polysachariden uit de hemicellulose met enzymen in stukjes te knippen en vervolgens moleculen van een specifieke lengte af te scheiden door filtratie over membranen. Deze methode werkt goed bij lage temperatuur, is vlot controleerbaar en produceert geen toxische stoffen – in tegenstelling tot enkele bestaande industriële procedés. De afgelopen jaren hebben de VITO-experts de efficiëntie van het proces fors kunnen verhogen. ‘Tegen eind 2021, wanneer BioWood afloopt (het project duurt vier jaar), willen we nog meer controle verwerven over de lengte van de uiteindelijk geproduceerde oligosachariden, en het effect ervan op de toepassingen.’

De lengte van de suikerketens bepaalt bijvoorbeeld de prebiotische activiteit van deze oligosachariden. Dejonghe: ‘Dit is één van de hoogwaardige toepassingen die we onderzoeken. We willen met de moleculen de groei van heilzame bacteriën in bijvoorbeeld de darmen of op de huid kunnen stimuleren. Door ze aan veevoeder toe te voegen, kan zo het gebruik van antibiotica in de veeteelt worden ingeperkt. En er zijn ook fabrikanten van cosmetica die biogebaseerde oligosachariden willen gebruiken in huidzalf.’ Momenteel wordt het effect van de toevoeging aan kippenvoeders geëvalueerd door de KU Leuven. Ondertussen wordt het pad voor latere vermarkting al geëffend, onder meer dankzij de aanwezigheid van Nutrition Sciences (gespecialiseerd in additieven voor diervoeders) in de adviesraad van het BioWood-project.

Veiligheid van nieuwe moleculen

Niet alleen de logistiek van en de productie in de nieuwe waardeketen wordt onder de loep genomen, ook de veiligheid voor het leefmilieu en de menselijke gezondheid wordt nu al onderzocht. De Bruyn: ‘Dat is eigenlijk wel bijzonder aan dit project. In een vroeg stadium van het onderzoek en de ontwikkeling van mogelijke toepassingen worden de componenten al toxicologisch getest.’

Ook dat gebeurt op VITO, waar de unit Duurzame Gezondheid beschikt over een breed gamma aan veiligheidstesten voor mens en milieu. ‘De toepassingen kunnen straks enkel op de markt komen als ze voldoen aan de strenge Europese REACH-wetgeving’, zegt Hilda Witters van VITO, die binnen BioWood voornamelijk de ecotoxiciteit van geraffineerde lignine onderzoekt. ‘We screenen op schade aan drie zoetwaterorganismen: algen, watervlooien en vissen. Dit doen we zowel bij ruwe ligninefracties afkomstig van bijvoorbeeld populier en den, alsook bij door de KU Leuven opgezuiverde monomeren.’

Door zo vroeg in de realisatie van de nieuwe keten al verschillende toxicologische eigenschappen zoals acute toxiciteit en hormoonverstoring te onderzoeken, huldigt VITO het safe by design-principe. ‘Zo kunnen we snel terugkoppelen met de onderzoekers die elders in de keten werken. Op basis van onze feedback kunnen ze hun keuzes bij de ontwikkeling van biogebaseerde moleculen dan eventueel aanpassen.’ Concreet zal dat straks gebeuren door bijvoorbeeld ligninefracties en monomeren die in de kippenproeven van de KU Leuven een goede antibacteriële werking blijken te hebben, te testen op hun milieuveiligheid. ‘Op basis van de resultaten kan dan een selectie worden gemaakt voor verdere optimalisatie in de proceschemie of voor eventuele valorisatie’, aldus Witters.

Het BioWood-project weerspiegelt de sterke samenwerking en complementariteit tussen de twee VITO-units. ‘Dankzij de brede expertise die we in huis hebben, kunnen we in de nieuwe waardeketen ons zowel over de logistiek, de productie als de toxicologie buigen. Dat maakt BioWood tot een heel mooi cross-unit-verhaal’, aldus De Bruyn.