Nog maar een paar jaar geleden leken aromaten uit groene grondstoffen ver weg. Aromatische stoffen konden zo gemakkelijk worden gewonnen uit (fossiele) nafta, dat bio-aromaten een toekomstdroom leken. Vooral doordat de belangrijkste mogelijke bron, lignine, zo moeilijk te ontleden is. Maar op dit gebied, zoals in vele takken van de groene chemie, gaat het onderzoek zó snel dat onderzoeksgroepen als het Nederlands/Vlaamse Biorizon (TNO, VITO en de Green Chemistry Campus) de mogelijkheid voorzien van commerciële productie van bio-aromaten uit lignine binnen tien jaar tijd.
Lignine is een belangrijk bestanddeel van hout, waar het dient voor het aan elkaar lijmen van de cellulose- en hemicellulosevezels. De structuur ervan is zeer ingewikkeld, een driedimensionaal complex van diverse gekoppelde aromatische bestanddelen. Met de huidige kennis kunnen we lignine niet uiteenrafelen in deze componenten. Bovendien is de lignine die nu verkrijgbaar is, een bijproduct van de papierproductie via het goed ontwikkelde Kraft proces; het bevat teveel zwavel, dat bij verdere opwerking de katalysatoren vergiftigt. Maar volgens Ludo Diels (Biorizon) op een workshop bij de laatste EFIB, zijn er nieuwe processen voor het maken van bio-aromaten uit lignine, die zich in de komende jaren snel zouden kunnen ontwikkelen.
Vier routes naar bio-aromaten
De eerste route bestaat uit het voeden van lignine (ontdaan van zuurstof) aan een kraakinstallatie, waar deze eigenschappen heeft vergelijkbaar met ruwe olie; dit geeft een soort nafta die diverse aromatische stoffen bevat. Dit proces is nu bijna operationeel, hoewel de betaalbaarheid ervan sterk afhankelijk is van de ruwe olieprijs. De tweede route is het in één stap katalytisch maken van BTX (benzeen, tolueen, xyleen) uit biomassa of lignine. Dit proces is nog in ontwikkeling, onder andere door het Nederlandse bedrijf BioBTX. Maar Biorizon is vooral betrokken bij de derde en vierde route. In de derde route maakt men bio-aromaten uit suikers via de Diels-Alder reactie. Hierbij is Avantium betrokken. Dit bedrijf legt zich vooral toe op commercialisatie van furaan en zijn afgeleiden. (Furaan is een aromatische koolwaterstof waarin de ringstructuur vier koolstofatomen en één zuurstofatoom bevat; men kan furaan en zijn afgeleiden gemakkelijk maken uit suikers). Met de Diels-Alder reactie kunnen aromatische stoffen gemakkelijk worden gemaakt uit furanen. Zo geeft dimethylfuraan samen met etheen p-xyleen. Dit is een directe route naar bio-aromaten vanuit suikers, die steeds beter en tegen lage prijzen op de markt verkrijgbaar zijn.
2019 is om de hoek
Bij de vierde route tenslotte worden bio-aromaten direct gemaakt uit lignine. Als eerste stap op deze weg zijn onderzoekers erin geslaagd een reproduceerbare kwaliteit pure lignine te maken die als benchmark kan dienen. Bij deze vierde stap wordt lignine ontleed, gevolgd door afscheiding van de bestanddelen door nanofiltratie of pervaporatie. Scheidingstechnologie met gebruik van keramische of polymeermembranen zoals door VITO ontwikkeld, is essentieel. Bij deze route ontstaan fenolen, oligomere fenolen en polymeren, die vervolgens kunnen worden opgewerkt tot fijnchemicaliën, brandstoffen, smeermiddelen en andere producten, met bitumen als restproduct. Bij de huidige snelheid van de ontwikkelingen zouden de eerste proeffabrieken voor het maken van bio-aromaten uit lignine al in 2019 gebouwd kunnen worden, denkt Biorizon. Samen met KU Leuven ontwikkelen zij een directe katalytische verwerking van hout, die doelmatig leidt tot alkylfenolen en suikerpolymeren.
In de workshop ging de discussie vooral over de consequenties voor een Europees grondstoffenbeleid. In een bio-economie zal de chemische industrie voor een solide grondstoffenpositie over meerdere grondstoffen moeten beschikken. De industrie kan niet worden gebouwd op de beschikbaarheid van slechts één gewas. In heel Europa, zo zei men, hebben we een evenwichtig aanbod nodig van eerste en tweede generatie gewassen. Als de brug tussen alifatische en aromatische chemicaliën zo gemakkelijk kan worden overbrugd met de Diels-Alder reactie als gesuggereerd, zal dit de grondstoffen voor de chemische industrie veel flexibeler maken. In de gedachten van bio-economische beleidsmakers is 2019 om de hoek. Nieuwe sterk gefunctionaliseerde moleculen, met daaruit te maken betere polymeren en materialen, bieden het meeste hoop voor de toekomst.