De chemische industrie van vandaag baseert zich op aromaten die nu nog haast exclusief uit fossiele grondstoffen worden gehaald. Gezien de schaarste van deze fossiele grondstoffen – zoals aardolie – zijn wetenschappers op zoek naar alternatieven (ook in het kader van klimaatverandering, CO2-reductie …). In twee projecten die eind 2019 zijn afgerond – ARBOREF (VLAIO-CATALISTI) en BIO-HArT (Interreg Vlaanderen – Nederland) – heeft VITO in samenwerking met universiteiten, onderzoeksinstellingen en industriële partners het potentieel van lignine onderzocht als alternatief voor fossiele grondstoffen. De eerste resultaten zijn veelbelovend en vragen verdere opvolging. Om verdere stappen in de technologie- en applicatie-ontwikkeling te kunnen nemen, is de beschikbaarheid van een pilootinstallatie een essentiële stap. Het EFRO LignoValue Pilot project richt zich op het ontwerp en bouw van een pilootinstallatie voor de productie van bio-aromaten uit lignine en hout.
De chemische industrie in Europa heeft nood aan nieuwe, innovatieve en duurzame producten en processen die fossiele, toxische producten vervangen door biogebaseerde, performante en veiligere alternatieven. Dit vermindert de afhankelijkheid van aardolie en leidt tot een lagere CO2-uitstoot. Door afvalstromen als grondstof te gebruiken draagt VITO (o.a. vanuit het samenwerkingsverband Biorizon) bij aan de overgang naar een circulaire economie en biedt de chemische industrie en de toeleveringsbedrijven een vooruitzicht dat zowel winstgevend als duurzaam is. Lignine komt hierbij in de schijnwerpers te staan. Het is, samen met cellulose, het meest voorkomende organische materiaal op aarde. Naar schatting 60 tot 70 miljoen ton lignine is beschikbaar uit houtpulp en de papierindustrie. Nu wordt 95 % daarvan gewoon verbrand. Het heeft veel potentieel: het kan als filler gebruikt worden, als hernieuwbare grondstof voor de productie van biobrandstoffen maar ook als grondstof voor de productie van bio-aromaten voor allerlei chemicaliën en materialen, zoals harsen en polymeerblends.
De processen om van lignine een bioaromaten-mix (“ligninesoep”) te maken zijn zeer divers, zeer complex. De meeste processen bevinden zich echter nog op laboschaal (laag technology readiness level). Diverse studies hebben zich de laatste jaren gefocust op de zoektocht naar technologieën om lignine te depolymeriseren naar biogebaseerde aromaten. Twee van die projecten zijn nu voltooid: Interreg Vlaanderen - Nederland BIO-HArT en het Vlaamse (VLAIO-CATALISTI) project ARBOREF.
In het Vlaamse (VLAIO-CATALISTI) project ARBOREF en het Interregionale BIO-HArT-project hebben wetenschappers zich over lignine gebogen als alternatieve feedstock voor de fossil-gebaseerde aromaten. In deze projecten kreeg VITO de opdracht om vanuit haar expertise te evalueren hoe membraanscheidingstechnologie kan ingezet worden om de ligninesoep verder te behandelen. Hiervoor werden bestaande membranen getest, tevens werd de ontwikkeling nieuwe membranen getest op maat van de ligninesoep. De wetenschappers hebben de toepasbaarheid van membraantechnologie in de lignine-waardeketen aangetoond in de projecten BIO-HArT en ARBOREF. Tijdens het onderzoek hebben ze kunnen vaststellen dat de membraantechnologie noodzakelijk, maar mogelijk onvoldoende is afhankelijk van de beoogde toepassingen voor de bio-aromaten. De noodzaak voor bijkomende zuiveringsstappen via bv. distillatie worden verder bekeken. Even belangrijk is de vraag waarvoor je dergelijke bio-aromaten kunt gebruiken. Daarom is er in de schoot van VITO ook een biopolymeerteam opgericht dat heeft uitgezocht waarin je welke ligninebouwstenen kunt verwerken. Zo wordt gekeken naar toplagen, naar lijmen en naar isolatiemateriaal …
Wie op grotere schaal kijkt, moet ook op grotere schaal werken. Een oefening op een paar gram lignine is noodzakelijk en nuttig, maar onvoldoende als die oefening niet wordt gevolgd door een test op grote schaal. Het is dan ook de ambitie om een demobedrijf op te richten om op grotere schaal ligninebouwstenen te produceren. Als eerste stap in dit traject, moet de LignoValue Pilot faciliteit de gewenste bio-aromatische fracties produceren in grote hoeveelheden om verdere stappen te nemen in de ontwikkeling van bedrijfsgerichte toepassingen/productontwikkeling. De ontwikkeling van de pilootinstallatie in het LignoValue Pilot project wordt mede gefinancierd door Het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling (EFRO), de provincie Antwerpen en de Vlaamse Overheid. Tegen het eerste kwartaal van 2021 moet dit project van 4,3 miljoen euro resulteren in een functionele pilootlijn voor de productie van bio-aromaten uit lignine/hout in Vlaanderen. Verschillende bedrijven hebben nu al hun interesse getoond in innovatieve moleculen en zijn bereid om applicatietesten uit te voeren.
Als onderdeel van het LignoValue Pilot project kaderde het Catalisti-project getiteld ‘BioAromatics Feedstock and Technology Assessment (BAFTA) waarin VITO en KU Leuven een grondige landschapsanalyse uitvoerden van de beschikbare technologieën wereldwijd voor de rechtstreekse omzetting van hout en de depolymerisatie van lignine in biogebaseerde aromaten, waarbij nieuwe inzichten in de meest preferentiële depolymerisatietechnologieën verkregen werden op basis van een aantal goed gedefinieerde criteria (bijv. TRL-niveau, duurzaamheidsniveau, opbrengst, enz.).
Het uiteindelijke doel? In een ideale toekomst krijgen we in de Antwerpse haven biomassa-krakers die gespecialiseerd zijn in het ‘kraken’ van lignine of hout, zoals dat nu het geval is met de chemische plant op de haven waar bedrijven zich concentreren rond de zogenaamde nafta-krakers. Die biomassa-krakers zullen de basis zijn van een heel nieuwe, chemische ontwikkeling die dan niet meer vanuit aardolie bouwstenen gaat opnemen, maar wel vanuit lignine.
Een oplossing zoeken voor het vervangen van fossiele grondstoffen door meer duurzame grondstoffen, is pas een begin. Een belangrijk punt dat nog verkend moet worden is de recycleerbaarheid en de toxiciteit van de nieuwe producten alsook de economische rendabiliteit. Deze elementen worden nu al tijdens het ontwikkelingsproces meegenomen maar vragen in de toekomst verder onderzoek.
Achtergrond
Over de afgeronde projecten:
ARBOREF (VLAIO-CATALISTI) is opgestart met de ambitie om zowel nieuwe als bestaande aromaten te produceren in een nieuwe, volledige geïntegreerde 'lignin first' bioraffinaderij. De technologie die aan de basis ligt, zet de volledige lignocellulose biomassa om naar een oplosbare fenolische fractie en een vaste pulp rijk aan koolhydraten. Voor beide fracties zijn fermentatieve en chemische syntheseroutes onderzocht om deze om te zetten naar aromatische moleculen op een atoomefficiente wijze.
‘Biorizon Innovatie en Opschaling van Hernieuwbare Aromaten Technologie’ (BIO-HArT) haakt in op de transitie naar een biogebaseerde economie. Het project maakt deel uit van Shared Research Center Biorizon, een initiatief van TNO en VITO dat is gevestigd op de Green Chemistry Campus, een Centrum voor Open Chemische Innovatie in Bergen op Zoom. Naast deze locatie zullen er ook verschillende procesopstellingen worden gerealiseerd in Gent, Antwerpen en Geleen. Deze locaties zijn complementair en worden elk op hun eigen expertise ingezet.
