ECN ontwikkelt processen voor de bioraffinage van tarwestro en andere reststromen zoals snoeihout en grassen. Op laboratoriumschaal is het al mogelijk bijvoorbeeld tarwestro om te zetten in alcohol, fenolverbindingen, kool en biogas. ECN gaat dit proces op korte termijn opschalen en verder ontwikkelen in samenwerking met Nederlandse bedrijven. Dit zegt Hans Reith, coördinator bioraffinage van de eenheid Biomassa, Kolen & Milieuonderzoek van ECN.

Reith: "Abengoa, Nedalco en andere bioethanolproducenten maken nu de zogenoemde eerste generatie bioethanol op basis van agrogrondstoffen zoals tarwezetmeel, maïszetmeel en rietsuiker. Deze bedrijven werken ook hard aan de productie van bioethanol uit zogeheten tweede generatie grondstoffen zoals grassen en restafval van gewassen en houtproductie. Bij ECN richten we ons op de bioraffinage van die reststromen. Het gaat daarbij om het produceren van combinaties van biobrandstoffen, biochemicaliën, elektriciteit en warmte. Dit conflicteert niet met de voedselvoorziening en maakt het mogelijk om alle delen van een gewas nuttig te gebruiken."
Reith legt uit hoe de bioraffinage verloopt. "Tarwestro bijvoorbeeld bestaat net als hout uit cellulose, hemicellulose en lignine. Bij ons proces, organosolv, scheiden we die stoffen van elkaar, analoog aan de fractionering van olie in een raffinaderij. Dit onderzoek staat bij ECN onder leiding van Wouter Huijgen. Eerst geven we het stro een voorbehandeling van ongeveer een half uur met verdunde alcohol bij temperaturen tot 200 °C onder een druk van 20 bar. Hierbij lossen de lignine en hemicellulose op in het water/alcohol mengsel. De cellulosevezels blijven intact en kunnen eruit gefilterd worden. Vervolgens wordt de lignine in vaste vorm afgescheiden, terwijl de hemicellulose in oplossing blijft. Op die manier kunnen we de lignine en hemicellulose van elkaar scheiden. Verder willen we er een continuproces van maken, want dat is de eis als je dit proces op industriële schaal wilt bedrijven." 

Uitdaging
"De cellulose kun je met behulp van enzymen omzetten in glucose en dat weer met gisten omzetten in alcohol. De hemicellulose kun je helemaal of deels vergisten tot biogas. Afhankelijk van de samenstelling kan de hemicellulose fractie eventueel ook met behulp van een nieuwe generatie enzymen en gisten worden omgezet in alcohol", legt Reith uit.
"Lignine is een soort lijm die samen met de hemicellulose de cellulosevezels in planten bij elkaar houdt en aan stengels en boomstammen stevigheid geeft. Het is een plakkerige stof bestaande uit een netwerk van fenolverbindingen; van lignine is altijd gezegd dat je er alles van kunt maken behalve geld. Voor ECN was het daarom een uitdaging een proces te vinden om de lignine alsnog om te zetten in waardevolle producten. Met pyrolyse lukt dat", vertelt Reith.
Paul de Wild, uitvoerder van het pyrolyse-onderzoek: "Bij pyrolyse verhitten we de lignine zonder zuurstof onder een atmosfeer van pure stikstof of stoom bij temperaturen van 400 tot 600 °C. Onder deze omstandigheden ontleedt de lignine met behulp van een katalysator voor 20% in biogas, 55% in olie en voor 25% in 'char" een koolstofhoudend restproduct. De olie bestaat weer voor driekwart uit fenolverbindingen en voor de rest uit water en nog een beetje azijnzuur en methanol.
"Het ontleden van lignine in waardevolle producten is een kunst op zich omdat de lignine gemakkelijk smelt. Voordat je het weet is je hele installatie dichtgeslibd met gesmolten en gedeeltelijk verkoolde lignine. Voor deze problemen hebben we een oplossing gevonden, waardoor we in staat zijn de lignine effectief te pyrolyseren tot waardevolle producten. We kunnen de lignine nu voor meer dan 50% omzetten in een fenolische olie die heel geschikt is als grondstof voor waardevolle chemische verbindingen. Op dit innovatieve katalytische proces heeft ECN octrooi aangevraagd. We gaan dit proces verder opschalen en optimaliseren en proberen er een nog hogere opbrengst aan fenolverbindingen uit te krijgen", aldus De Wild.

Olie vind je niet alleen in de aardkorst, ook agrarische restproducten kun je met bioraffinage omzetten in waardevolle producten (foto ECN).

Toepassingen: van glucose tot bodemverbeteraar
"De bioraffinage van tarwestro volgens ons Organosolv-procédé levert dus heel zuivere cellulose en lignine op en daarnaast een hemicellulosefractie. De cellulose kunnen we voor 90% omzetten in glucose. Een alternatief is de cellulose te gebruiken voor papierproductie. Verder kunnen we meer dan 70% van de lignine isoleren en vervolgens met pyrolyse omzetten in nuttige producten. De hemicellulose kan biogas opleveren of ethanol of worden gebruikt voor het winnen van chemicaliën zoals furfural. Aan het optimaal omzetten van hemicellulose werken we nog", aldus Reith.
Voor fenolverbindingen uit lignine denkt ECN aan diverse toepassingen, waaronder biobitumen bijgemengd in asfalt, bioharsen voor spaanplaat, omzetting in monomeren voor bioplastics en als toevoeging aan brandstoffen. De char is onder andere geschikt als bodemverbeteraar: het bevordert de groei van bodembacteriën en kan kunstmest uitsparen. Ook het gebruik als actieve kool is een optie. Over de verschillende toepassingen is ECN in gesprek met diverse bedrijven.
Reith schetst het economische perspectief van de bioraffinage van tarwestro: "Het maken van ethanol uit stro is nog anderhalf tot twee keer zo duur als het maken van ethanol uit tarwekorrels of suikerriet. Bioraffinage van stro is daarom alleen lucratief als je aan de verkoop van biogas en met name de fenolverbindingen genoeg verdient. Vandaar dat we zoveel energie hebben gestoken in het vinden van een proces voor het verwaarden van lignine.” Hij schat in, dat de bioraffinage van tarwestro over vijf tot tien jaar commercieel toegepast zal worden.
Op het gebied van bioraffinage werkt ECN samen met diverse universiteiten en bedrijven in Nederland en Europa, onder andere binnen het Europese BIOSYNERGY project. Hans Reith coördineert dit project. Op 17 november 2010 vindt in Reims (Frankrijk) een workshop plaats waarin de resultaten van dit 4-jarige project worden gepresenteerd. Daarnaast draagt ECN bij aan het recent gestarte EU bioraffinage project BIOCORE.

Contact
Hans Reith
ECN Biomassa, Kolen & Milieuhygiëne / Bioraffinage
Tel.: 022 456 43 71
E-mail: Hans Reith     Paul de Wild (pyrolyse)

Tekst: Erik te Roller

Info
Europees project BIOSYNERGIE
Europees project BIOCORE
ECN-onderzoek aan bioraffinage

Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/