Dat we op termijn van fossiele brandstoffen af moeten, staat vast. Maar uit ruwe aardolie halen we wel een pak onmisbare stoffen. Kunnen we wel zonder? Bij VITO en de KU Leuven werken ze aan een antwoord. De onderzoekers winnen soortgelijke chemische stoffen uit … houtafval.
Foto's: DeBroodkasters
Afrastering, prikkeldraad, slagbomen en controlewachtposten. Je loopt er zomaar niet in en uit bij VITO in Mol. Die strenge veiligheidsmaatregelen hebben niet zozeer te maken met het ophokken van de wetenschappers, maar wel met de buren, het Studiecentrum voor Kernenergie. De veiligheidsperimeter rond het SCK omvat ook VITO. Het resultaat is een moderne versterkte burcht die je niet meteen zou verwachten in deze vredige, diepe Kempen.
Wij hebben afgesproken met bio-ingenieur Karolien Vanbroekhoven. Zij leidt het programma van de bioaromaten van de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO). ‘Wij vertrekken inderdaad van biologisch materiaal, dus wat in de natuur voorkomt. Maar dat betekent niet noodzakelijk dat wij beperkt zijn tot houtafval. Bij wijze van spreken kan elke plant dienen als grondstof, als ze maar voldoende van een bepaalde component bevat.’
‘De component die we nodig hebben is lignine. Dat is een structuur die de natuur zelf aanmaakt in de celwand van plantencellen. Lignine geeft sterkte en stevigheid aan planten en bomen. Dat grassen, granen, struiken of bomen rechtop staan hebben ze te danken aan de lignine die erin zit.’
‘Als we kunnen demonstreren dat we bioaromaten in een voortdurend proces kunnen produceren, kan de technologie wereldwijd worden toegepast’
Scheikundig is lignine een reeks van koolstofatomen die als slierten en ringen aaneenhangen. Net die ringen zijn interessant, want als we die eruit halen, kunnen we daar aromaten van maken. Aromaten zijn dan weer scheikundige stoffen die vaak een uitgesproken aroma of geur hebben, zoals harsen. Al zijn er ook aromaten die niet ruiken.
Aromaten zijn vooral belangrijk in ons dagelijks leven omdat het componenten zijn die in heel wat toepassingen gebruikt worden: van petflessen voor frisdranken tot isolatiepanelen of autozetels. In die producten zorgen de aromaten voor extra stevigheid. Maar aromaten kunnen ook gebruikt worden om materialen extra eigenschappen te geven. Bijvoorbeeld om uv-licht te blokkeren of om een extra harde laag te maken voor krasbestendigheid.
Tot nu toe kwamen de aromaten uitsluitend uit aardolie. ‘Wat wij nu doen is nagaan hoe we bepaalde aromaten die vandaag gebruikt worden kunnen vervangen door biovarianten’, zegt Vanbroekhoven. ‘Vaak levert de natuur componenten die niet altijd even simpel zijn. Daarom zijn de aromaten uit aardolie ook niet een op een vervangbaar door wat we uit lignine halen. Soms is dat ook niet nodig. En soms heeft het zelfs voordelen. Het is daarop dat wij willen focussen.’
Natuur nabootsen
Wat bij VITO in het lab gebeurt, is eigenlijk wat de natuur ondergronds doet over miljoenen jaren. Resten van planten en dieren die afgezet zijn in diepe aardlagen worden ‘uitgekookt’ onder een hoge druk en temperatuur. Zo ontstaat een pasta, die de mens ontgint als ruwe aardolie.
De druk diep in de aarde komt van het dikke pak gesteenten dat bovenop de koolstofhoudende lagen ligt. En de temperatuur is afkomstig van de hitte in de aardkern: per 30 meter diepte stijgt de temperatuur met
1 °C. Om die reactie in een reactor in het lab na te bootsen, heb je dus ook druk en temperatuur nodig. De reactor zelf is te vergelijken met een hogedrukstoomketel.
Wat er in de hogedrukketel gebeurt, is de wondere wereld van de wetenschap. Hoofdbestanddeel voor de reactie zijn natuurlijk plantenresten die lignine bevatten. Die worden gemengd met een solvent of oplosmiddel. Een extra katalysator is nodig om de reactie op gang te brengen. Dat mengsel wordt aan de kook gebracht. Tijdens het proces wordt het mengsel goed geroerd en wordt waterstof onder druk toegevoegd. Na een paar uurtjes koken haal je de druk eraf en kan je het mengsel laten afkoelen. Zo krijg je in je stoofpot een donkerbruin goedje.
Dat wordt eerst gefilterd, zodat je alleen het vloeibare deel overhoudt. Dat is een combinatie van de olieachtige bestanddelen die uit het hout komen, verdund met solvent. Als je vervolgens het solvent laat verdampen, hou je een ruwe-aardolieachtige pasta over met daarin de bioaromaten. Die kunnen zo gebruikt worden in de chemie, maar je kan ze ook nog verder bewerken voor speciale toepassingen.
Afval wordt grondstof
Bij VITO vertrekken ze niet van echt hout, maar van het afval of de nevenstromen van fabrieken. Zo hebben papierfabrieken hout nodig om papier te maken, meer bepaald de cellulose en de vezels in het hout. In hun restafval zit een hoge concentratie lignine. Voordat de lignine in het lab kan worden gebruikt, wordt ze gefilterd, gedroogd en vermalen tot poeder. Fabrieken waar bio-ethanol gemaakt wordt hebben ook zulke nevenstromen.
‘Het grootste deel van dat afval wordt vandaag verbrand’, zegt Vanbroekhoven. ‘Voor ons is het een grondstof. Wij weten dat we uit die lignine belangrijke aromatische structuren kunnen isoleren. Daartoe moet je wel nog een aantal handelingen uitvoeren, maar we kunnen daarmee klassieke, fossielgebaseerde aromaten vervangen.’
Om die lignine op te lossen zijn solventen nodig. ‘We hebben gekozen voor eenvoudige en beschikbare middelen, zoals methanol of ethanol. Die kunnen op een groene manier ontwikkeld worden uit biomassa of vanuit CO2. We zien wel dat elke lignine zich anders gedraagt. Als we van een specifieke soort lignine vertrekken en op het eind van het proces bioaromaten met bepaalde technische specificaties willen overhouden, dan is daarvoor nog wel wat onderzoek nodig om dat te verfijnen. Dan kan een stukje solventengineering, zoals wij dat noemen, wel helpen.’
Lignine
Na cellulose is lignine of houtstof het meest voorkomende organisch materiaal op aarde. Het is een materiaal in de celwand van planten dat de plant haar stevigheid geeft. Een kwart tot een derde van de massa van gedroogd hout bestaat uit lignine.
Aromaten
Aromaten zijn verbindingen van koolstofatomen en waterstofatomen die in ketens en ringen aan elkaar hangen. Het bekendste aromaat is benzeen. Kenmerkend is dat alle aromaten een ring van aaneengeklonken koolstofatomen hebben, een zogenoemde benzeenring. Verschillende aromaten hebben een speciale geur of aroma. Vandaar de naam. Maar er zijn ook aromaten die niet ruiken. Aromaten worden gebruikt in onnoemelijk veel toepassingen: van petflessen tot kleding, isolatiepanelen en autozetels.
Epoxyhars
Epoxy is een soort vloeibaar plastic dat hard wordt als je het opwarmt. Bakeliet is er een voorbeeld van. Het heeft een druk- en treksterkte die groter is dan die van beton. De bekendste toepassing van epoxy is epoxyhars. Omdat het dun en vloeibaar is kan je het combineren met vezelmateriaal tot heel sterke en weerbestendige composietmaterialen. Het zit ook in toepassingen als vloeren, lijmen, coatings, …
Bisfenol A
Bisfenol A is een chemische stof die in veel producten voorkomt. Recent zijn er aanwijzingen dat het al bij lage blootstelling mogelijk schadelijk is voor het zenuwstelsel en het immuunsysteem van ongeboren en jonge kinderen.
Polymeer
Komt uit het Grieks. Poly is veel en meros is deel. Een polymeer is een organische verbinding (stoffen afkomstig van levende organismen) die bestaat uit een opeenvolging van identieke delen die aaneenhangen. Veel plastics in ons dagelijks leven zijn polymeren.
Om de chemische reactie in de reactor te sturen, is er ook een katalysator nodig. Het materiaal dat daarvoor gebruikt wordt is in feite een gemalen versie van wat ook in de katalysator onder je auto zit. Eigenlijk zijn lignines lange, ingewikkelde ketens van koolwaterstoffen met zuurstof. ‘Die katalysator versnelt de reactie en zorgt ervoor dat de lignines in stukjes worden gekapt. Dat moet gebeuren volgens een bepaald patroon: op plaatsen waar je een koolstof-koolstofbinding hebt, of op een plaats waar een koolstof-zuurstof-koolstofbinding zit. De katalysator helpt erbij dat de lange ketens niet in het wilde weg verknipt worden.’
‘Bovendien voegen we in de reactor ook waterstof toe. Die moet ervoor zorgen dat er op de uiteinden van de afgeknipte stukken telkens een waterstofdopje gezet wordt. Zo gaan de afgeknipte stukjes niet opnieuw aan elkaar binden of met elkaar reageren. De druk en de hoge temperatuur zijn noodzakelijk omdat er energie nodig is om die ligninemoleculen te breken.’
Soepballetjes
‘Met de schaalvergroting die wij nu opstarten, werken wij niet meer met gruis als katalysator. Dat kan alleen als je alles in één ketel doet. In de nieuwe installatie gaan we naar een continu proces. De opgeloste lignine wordt daar door de installatie gepompt. Dus moet de katalysator doorlaatbaar zijn. Gruis zou het systeem verstoppen. Continue processen in de industrie gebruiken een katabed. Dat is een koker met pellets waar de lignine door stroomt. De pellets zijn gemaakt van samengeperst katalysatorpoeder. Een katalysator is duur omdat hij edelmetalen bevat. Hij moet dus best lang meegaan en recyclebaar zijn.’
‘De doorstroomtijd van de lignine door de katalysator kan je instellen. Bijvoorbeeld een half uur. Dan weet je dat je op het einde een lignineolie hebt die perfect is voor de toepassingen die je wil.’
Het is de bedoeling om bioaromaten te maken met dezelfde eigenschappen als de aardoliearomaten. Dat zijn niet noodzakelijk dezelfde moleculen. Soms kunnen de biocomponenten zelfs betere eigenschappen hebben dan de aardolievarianten.
‘We hebben steeds meer materiaal nodig. Biogebaseerde stoffen kunnen voor een stuk aan die vraag tegemoetkomen’
Vanbroekhoven: ‘Wat wij in de ketel in ons lab hebben, kan je vergelijken met soep met balletjes en groentjes. Je wil dat in zijn samenstellende delen krijgen: je wil de balletjes apart, je wil de groentjes apart en je wil de vloeistof apart.’
‘Omdat de balletjes lignine zijn, willen wij vooral daarmee gaan werken. Maar aan de balletjes zit misschien nog ergens een stukje groente, wat je met die aromaten uit aardolie niet hebt. Dat is niet erg. We kunnen dat allemaal verder opwerken tot bioaromaten die eigenschappen hebben waarmee je zelfs betere vervangingen kan maken. Dat zijn net de ontwikkelingen die we doen.’
‘We kijken hoe we de aromaten uit lignine zodanig kunnen aanpassen dat het interessant is om ze als nieuwe molecule te gebruiken. Een voorbeeld is epoxyhars. Daar zit bisfenol A in, wat toxisch is. We willen nu epoxyharsen gaan maken die minder toxisch zijn, dus veiliger zijn in gebruik dan de klassieke materialen op basis van ruwe aardolie.’
Niet alleen VITO in Mol maakt bioaromaten op basis van plantaardig materiaal. Aan de KU Leuven loopt een soortgelijk project. Het grote verschil is dat de bio-ingenieurs van de KU Leuven niet werken met afvalpulp van de papierindustrie, maar met echte houtschilfers.
Innovatiemanager Bart Lagrain: ‘Wij kunnen lignine halen uit alle types planten – uit vers hout en afvalhout; uit stro en vlaslemen – om er olie van te maken. Die kunnen we inzetten in de chemie. We hebben daarvan epoxyhars gemaakt, in dunne filmvorm zoals in een coating of als plastic. Die dingen zijn niet verschillend van hun petrochemische tegenhangers waarmee je exact dezelfde materialen maakt. Alleen is de grondstof bij ons hout.’
Zowel het project van VITO als dat van de KU Leuven krijgt geld van de Vlaamse overheid in het kader van het Moonshot-project. Met dat initiatief wil Vlaanderen wetenschappers van hier sponsoren om oplossingen te bedenken om de industrie en de wereld klimaatneutraal te maken tegen 2050. De regering heeft daar twintig jaar lang 20 miljoen euro voor veil.
Zowel VITO als de KU Leuven kregen steun om een grotere testsite te bouwen. In Leuven gaan ze dat koppelen aan een proefproject met de waterstofpanelen die chemicus Johan Martens uitgevonden heeft: zonnepanelen die waterstof produceren. Deze waterstof zal worden gebruikt voor de chemische reactie in de ligninereactor. De KU Leuven-onderzoekers willen opschalen met een groter ketelmodel om daarmee dagelijks enkele kilo’s bioaromaten te maken. VITO kiest voor een continu proces.
Ook aan de UGent lopen onderzoeksprojecten die te maken hebben met bioaromaten, maar dan meer toegespitst op het ontwerp van reactors en de modificatie van planten. En in Nederland werken wetenschappers aan de productie van bioaromaten. Al vertrekken zij van suikers in plaats van hout. Bioaromaten kan je vanuit verschillende grondstoffen maken. Het centrum voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek (TNO) is een partner van VITO in het Biorizonproject om bioaromaten commercieel haalbaar te maken.
Koolstofnegatief
De energie en de kosten om bioaromaten te produceren zijn enorm. Is het sop de kool wel waard? ‘Op het gebied van CO2-uitstoot en de doelstelling om Vlaanderen tegen 2050 klimaatneutraal te helpen maken alvast wel’, zegt innovatiemanager Bart Lagrain (KU Leuven). ‘We hebben een levenscyclusanalyse laten doen van ons proces. Die analyse toont aan dat we door gebruik te maken van biomassa tot een lignineolie komen die koolstofnegatief is. De olie heeft dus meer CO2 opgenomen dan dat ze er uitgestoten heeft tijdens de productie.’
‘Als het potentieel heeft, moeten we het doen’, zegt Karolien Vanbroekhoven. ‘Je kan nog altijd verder gaan vergroenen of verduurzamen. Maar als je blijft wachten tot je een ideale situatie hebt, dan zijn waarschijnlijk vijf andere landen ons al voor. We hebben heel goed ons huiswerk gemaakt en weten waarop we moeten letten om het duurzaam en rendabel te houden. En daarbij komt dat de bevolking blijft groeien. We kunnen misschien wel streven naar minder gebruik van materialen, maar iedereen wil graag een goed geïsoleerd huis. We zullen dus meer materiaal nodig hebben. Waar moet dat vandaan komen? Ik denk dat biogebaseerde materialen voor een stuk aan die vraag kunnen beantwoorden.’
VITO wil aantonen dat deze innovatieve technologie ook op grote schaal mogelijk is. De installatie daarvoor is net geleverd. ‘Opschaling is absoluut de uitdaging voor dit jaar’, besluit Vanbroekhoven. ‘We hebben vorig jaar al een opschaling gedaan van 100 milliliter naar 50 liter in een pot. Met de nieuwe installatie gaan we voor een continu systeem. We zullen nu moeten demonstreren dat we continu bioaromaten kunnen produceren. Dat is de uitdaging. Wat belangrijk is, is dat wij samenwerken met de industrie en dat onze producten in kilo’s en tonnen kunnen worden verwerkt door bedrijven in hun toepassingen.’
‘Ik vind dat het beste bewijs dat we relevant werk verricht hebben. Ik zou bijzonder tevreden zijn als we volgend jaar in Vlaanderen twee echte toepassingen in de markt kunnen zetten. Als dat lukt, kan deze Vlaamse technologie wereldwijd toegepast worden.’
