Ludo Diels, onderzoeksleider duurzame chemie van Vito, het Vlaamse instituut voor duurzaam technologisch onderzoek, is zeer positief over de toekomst van lignine. Deze derde grote component van hout (na cellulose en hemicellulose) was vroeger een afvalproduct, hoogstens geschikt voor energieopwekking; nu ontwikkelen onderzoeksinstituten en bedrijven vele toepassingen.
Drie ontwikkelingslijnen
In het Vlaams/Nederlandse samenwerkingsverband Biorizon waarvan Vito deel uitmaakt, staan aromatische verbindingen uit groene grondstoffen centraal. De eerste onderzoekslijn, zegt Diels, bestaat uit het ontwikkelen van toepassingen voor lignine en zijn hydrolyseproducten. Lignine van goede kwaliteit wordt tegenwoordig o.a. gebruikt als structuurverbeteraar in beton; het wordt gebruikt bij het blenden van polymeren en er zijn zelfs mogelijkheden om lignine te ontwikkelen tot high-tech vezel. Maar men kan lignine ook ontleden (depolymeriseren). Lignine bestaat uit een zeer ingewikkeld samenstel van aromatische moleculen (ze bevatten een fenolstructuur gebaseerd op een benzeenring); elk van deze moleculen bevat één of meer hydroxylgroepen en één of meer carbonzuurgroepen waarmee zij aan elkaar vast zitten, een driedimensionale structuur vormend. Deze structuur kan men tegenwoordig openbreken, en zo ontstaat een complex mengsel van gedeeltelijk of helemaal van elkaar losgemaakte aromatische moleculen: oligomeren en monomeren. In het samenwerkingsverband Biorizon heeft Vito vooral zijn membraanscheidingstechnologie voor dit mengsel ingebracht.
Een tweede onderzoekslijn bestaat uit het synthetiseren van aromatische moleculen uit suikers via furanen, gebruik makend van de Diels-Alder reactie. Dit is principe een duurder pad, maar het voordeel is wel dat men precies kan bepalen wat het eindproduct is. In Biorizon wordt deze lijn vooral door Nederlanders ingebracht, waaronder TNO en Avantium. Beide ontwikkelingslijnen leiden tot verschillende soorten producten; uit lignine ontstaan veel nieuwe moleculen, die nog geen grootschalige toepassing hebben in de chemische industrie, terwijl men uit suikers vooral drop-ins maakt, die direct in bestaande productielijnen kunnen worden toegepast.
Een derde, in opkomst zijnde ontwikkelingslijn, richt zich op pyrolyse van organisch materiaal onder invloed van geschikte katalysatoren, waarbij direct BTX ontstaat: een mengsel van benzeen, tolueen en xyleen. BTX is een bekende commodity in de chemische industrie, wat de toepassing van dit groene BTX sterk vergemakkelijkt. Het nadeel is dat alle functionaliteit uit de uitgangsstoffen verloren gaat (er is dus ook veel gewichtsverlies bij dit proces), maar het lijkt gemakkelijker. Veel bedrijven zoeken biobased grondstoffen – en groen BTX past precies in die behoefte zonder dat men de rest van de chemische processen hoeft te veranderen.
Market pull
‘Van groot belang is dat veel bedrijven op het moment zoeken naar grondstoffen met een lagere ecologische impact of met minder gezondheidsschade,’ zegt Diels. ‘De nieuwe Europese regelgeving REACH, die gaat over toxiciteit en ecologische impact, speelt hierin een rol. Wij moeten dit veel sterker gaan meenemen. In ons werk merken we dat er nood is aan testmateriaal waarmee de impact op de gezondheid kan worden vastgesteld. De industrie vraagt om stoffen met antioxidant eigenschappen of stoffen die UV-stabiliteit bewerkstelligen; zoals in voeding, maar ook bij autobanden. Veel van deze stoffen kunnen we uit de chemie van lignine ontwikkelen. En nog veel meer, zoals cross-linkers waarmee polymeren betere eigenschappen kunnen krijgen, nieuwe vlamvertragers en harsen.’
‘Van grote invloed zal de vraag naar stoffen met een lagere gezondheidsimpact uit de consumentensector worden. Vooral als het gaat om laminaten en geperste houtpanelen. Tot nu toe gebruikt men als bindmiddel bij deze persing, vooral voor toepassingen binnenshuis, harsen die langzaam formaldehyde vrijgeven. Bij andere kwaliteiten gebruikt men fenolachtige verbindingen in de hars. Beide stoffen zijn verdacht voor onze gezondheid. De grote meubelwarenhuizen willen hier van af. Lignine en zijn ontledingsproducten bieden hierbij grote mogelijkheden. Lignine vervult deze functie al in de grondstof hout. En stoffen afgeleid van furfural (gemaakt uit reststromen van de landbouw) kunnen fenolachtige verbindingen vervangen. Eindgebruikers zitten te wachten op marktintroductie van zulke stoffen in flinke hoeveelheden. Een vergelijkbare route is de verduurzaming van zacht hout met een harsbehandeling tot een kwaliteit of robuustheid vergelijkbaar met hardhout. Tropisch hardhout heeft een flinke ecologische voetafdruk, terwijl er bijvoorbeeld met pijnbomen niet echt ecologische problemen zijn.’
Betere kwaliteit lignine
Is het van belang als de papierindustrie een betere kwaliteit lignine als restproduct zou leveren? ‘Het zwavelgehalte van lignine uit de papierindustrie is inderdaad een probleem, zwavel werkt als negatieve katalysator op verwerkingsprocessen. Gelukkig komen nu ook vele andere kwaliteiten lignine beschikbaar. Vito is ook betrokken bij een groot Europees project onder leiding van het Finse onderzoekscentrum VTT, gericht op het ontwikkelen van lignine uit de papierindustrie tot goede grondstof. Dit zou een doorbraak betekenen, want hiermee zou een zeer grote hoeveelheid materiaal beschikbaar komen. Ook bij de productie van tweede-generatie bio-ethanol ontstaat als restproduct een lignine met zeer mooie eigenschappen. Veel te mooi om te verbranden.’
‘Wat de toepassing van zulke producten in de chemische industrie echter tegenwerkt is dat energietoepassingen meetellen voor een lage CO2-footprint, en chemische toepassingen niet. En bij promotie van bio-ethanol is het van belang om een zo laag mogelijke CO2-footprint te kunnen claimen. Zo wordt bagasse, ligninehoudend zijproduct van de suikerfabricage, in Brazilië in grote hoeveelheden gebruikt voor proceswarmte. Hiervoor rekent men met nul netto CO2-uitstoot, terwijl hetzelfde geldt als men er chemische producten en materialen van zou maken – alleen zijn de rekenregels daarop niet gebaseerd. Uiteindelijk zal dit alleen veranderen wanneer bagasse zelf een waarde gaat opleveren.’ Namelijk als de tweede generatie bio-ethanol zal doorbreken en er tegelijk vraag is naar lignine voor de eerder vermelde nieuwe toepassingen.
Nieuwe processen
‘De planning is om in de provincie Antwerpen hout direct katalytisch te behandelen om ligninederivaten te bekomen. Dit is een proces ontwikkeld door KU Leuven en Vito doet de membraanscheiding. Dit is net omgekeerd als bij het klassieke pulp & paper proces. Cellulose en (deels) hemicellulose slaan neer als pulp, lignine wordt afgebroken tot monomeren. Het interessante is dat dit kan worden uitgevoerd in bestaande chemische reactoren – wat grote investeringskosten althans op de korte termijn voorkomt. Lignine is dus een grondstof met grote potentie. Wij staan nog maar aan het begin van de ontwikkeling.’ Aldus Ludo Diels.
Interessant? Lees dan ook:
Houtbioraffinage heeft een enorm potentieel
Isosorbide, een groene verbinding met grote potentie
Groene basischemicaliën: een update