Organische reststromen efficiënt omzetten in chemicaliën

ChainCraft vergist 20.000 ton groente- en fruitresten tot 2.000 ton vetzuren

De Nederlandse scale-up ChainCraft claimt de eerste in de wereld te zijn met een technologie die organisch afval omzet in hoogwaardige biobased chemicaliën in plaats van biogas. In Amsterdam vergist het bedrijf groente- en fruitresten tot vetzuren. De huidige demonstratiefabriek heeft een capaciteit van 2.000 ton vetzuren per jaar. Mogelijk neemt ChainCraft over enkele jaren een tienmaal zo grote fabriek in bedrijf.

Succesvolle opschaling

De ontwikkeling van de technologie begon zo’n twaalf jaar geleden aan de Wageningen Universiteit. De huidige directeur van ChainCraft, Niels Van Stralen, studeerde er biobased technology. Hij kwam er in contact met Kirsten Steinbusch, die promotie-onderzoek deed naar de fermentatie van organische reststromen tot chemicaliën met behulp van mengculturen van micro-organismen. Samen besloten ze de technologie verder te ontwikkelen. In 2010 namen ze het patent over van de universiteit en richtten ChainCraft op. Na drie jaar R&D konden ze bewijzen dat het mogelijk was vetzuren uit organische reststromen op literschaal te produceren met een hoge productiviteit en efficiëntie.

Steinbusch is tegenwoordig directeur van Delft Advanced Biorenewables (DAB) (zie interview 'DAB maakt fermentatie helft goedkoper' in NPT20-02, editie juni 2020, p. 14-15).

Daarna bouwde het bedrijf een proeffabriek in Amsterdam om op 500 maal zo grote schaal ervaring op te doen met de nieuwe technologie. Kort daarvoor trad Bart Raedts als mededirecteur toe. Hij voorzag het bedrijf samen met een investeringsfonds van de Rabobank van kapitaal, wat de financiering van de pilot plant en later in de demonstratiefabriek mogelijk maakte.

“We stuurden monsters met vetzuren uit de pilotfabriek naar klanten om te testen. De resultaten daarvan vielen gunstig uit, waardoor we afnamegaranties konden krijgen en onze investering van tien miljoen euro in onze demonstratiefabriek konden doorzetten”, vertelt Van Stralen. Die kwam begin 2019 in bedrijf. Deze kan per jaar maximaal 20.000 ton groente- en fruitresten tot 2.000 ton vetzuren verwerken. Het verschil in tonnage berust hem op het feit dat de afvalstroom voor pakweg 90% uit water bestaat en voor 10% uit droge stof.

Na de fermentatie volgen drie zuiveringsstappen: het verwijderen van bacteriën en andere fijne verontreinigingen met behulp van ultrafiltratie, het concentreren van de vetzuuroplossing met omgekeerde osmose en het verwijderen van nog opgeloste biopolymeren met behulp van nanofiltratie

Op tijd stoppen

Net als de producenten van biogas past ChainCraft anaerobe vergisting toe met een mengcultuur van verschillende micro-organismen, maar stopt de vergisting voordat alle koolwaterstofverbindingen zijn omgezet in methaan en CO2. Dat levert bij de eerste fermentatiestap azijnzuur, propionzuur en boterzuur op, respectievelijk een C2-, C3- en C4-vetzuur. “Uit vloeistof uit de fermentors van de eerste stap halen we vezels en andere grove deeltjes. Die gaan naar een partner, die er nog wat biogas van produceert. Het restant gaat als meststof naar de landbouw”, legt Van Stralen uit.

Aan de schone vloeistof met de vetzuren voegt ChainCraft bij de tweede fermentatie ethanol toe van brouwers die alcoholvrij bier maken. Dit levert vetzuren met langere ketens op, zoals boterzuur, valeriaanzuur, caprinezuur, heptaanzuur en caprylzuur, respectievelijk C4- tot en met C8-vetzuren.

Daarna volgen drie zuiveringsstappen: het verwijderen van bacteriën en andere fijne verontreinigingen met behulp van ultrafiltratie, het concentreren van de vetzuur oplossing met omgekeerde osmose en het verwijderen van nog opgeloste biopolymeren met behulp van nanofiltratie.

Vervolgens gaat het mengsel naar een verdamper en ten slotte naar een droger. Het product dat overblijft, bestaat uit natriumzouten van C4- tot en met C8-vetzuren. Deze gaan verpakt in big bags de deur uit. Ook kan het product vloeibaar in een waterige oplossing worden geleverd. Bij de eerste stap maakt ChainCraft gebruik van drie fermentoren met een inhoud van 250 m³ en bij de tweede stap van fermentoren van 125 m³.

Van Stralen schetst de voordelen van het werken met mengculturen: “Je hoeft niet steriel te werken en kunt laagwaardige grondstoffen inzetten. Dat is eenvoudiger en goedkoper dan het werken met een reincultuur, dat onder steriele omstandigheden moet produceren met zuivere suikers als grondstof.” De ervaringen met de mengculturen zijn volgens hem goed: ze zijn stabiel en leveren de goede chemicaliën op.

De demonstratiefabriek van ChainCraft in Amsterdam beschikt over 3 fermentoren van 250 m³ voor de 1ste fermentatiestap (op foto links) en 2 fermentoren van elk 125 m³ voor de 2e stap (rechts)

Vraag naar vetzuren groeit

Voor vetzuren bestaat een wereldwijde markt. Ze worden veelal geproduceerd van petrochemische grondstoffen of op basis van plantaardige oliën, zoals palmolie. “Daar moeten we op kwaliteit en prijs mee concurreren, maar dat lukt ons”, zegt Van Stralen, die aangeeft dat ChainCraft zich voorlopig voornamelijk op de Europese markt richt. “Als we op prijs kunnen concurreren, dan zal duurzaamheid een reden voor klanten zijn om voor onze vetzuren te kiezen. Uit een lifecycle analysis blijkt bijvoorbeeld dat onze productie van vetzuren minimaal 65% minder CO2-emissie oplevert dan de productie van deze vetzuren uit palmolie, waarvan de duurzaamheid ter discussie staat.” De vetzuren van ChainCraft kennen verschillende toepassingen. Ze worden onder andere toegevoegd aan diervoeder voor varkens, pluimvee, rundvee en vissen. Vetzuren bevorderen namelijk de gezondheid van de darm. Ze helpen schadelijke bacteriën, zoals Salmonella en kwalijke Escherichia coli te doden. Verder bevorderen ze de voedselopname. “Antibiotica mogen in Europa alleen toegediend worden aan zieke dieren, dus niet preventief aan gezonde dieren. Hierdoor is de vraag naar vetzuren de afgelopen jaren toegenomen. Ook in de Verenigde Staten en China, waar nog niet zo’n beperking geldt, neemt de belangstelling voor vetzuren toe. De duurzame productie van vetzuren zal zeker helpen om het antibioticagebruik in de wereld omlaag te brengen.” Verder kunnen de vetzuren van het bedrijf toepassing vinden in smeermiddelen, weekmakers, coatings, oplosmiddelen, herbiciden en fungiciden.

Debottlenecking

ChainCraft werkt aan de verdere ontwikkeling van het proces. “De demonstratiefabriek draait nog op 30% à 40% van haar capaciteit. We moeten naar 100%. Dat is een kwestie van debottlenecking: telkens een limiterende factor wegnemen”, licht Van Stralen toe. Het energiegebruik van het proces is beperkt. De fermentatie vindt plaats bij lichaamstemperatuur. De omgekeerde osmose en verdamping vergen de meeste energie.

Tienmaal zo grote fabriek

ChainCraft studeert op het ogenblik op de bouw van een fabriek die tien keer zo groot is als de huidige demonstratiefabriek. Op basis van een input van 150.000 ton per jaar moet die 20.000 ton aan producten leveren. Daarmee is naar verwachting een investering van 50 à 60 miljoen euro gemoeid. De plannen verkeren momenteel in de conceptuele engineeringfase. Als de vergunningen volgend jaar binnen zijn en de financiering rond is, kan de bouw in 2022 starten, waarna de fabriek volgens plan in 2023 of 2024 in bedrijf zal komen. In de grotere fabriek wil ChainCraft afzonderlijke vetzuren produceren door het mengsel van vetzuren te fractioneren met behulp van destillatie. Daardoor zal de scheiding en opzuivering van het product in die fabriek ook anders verlopen. Met de pure vetzuren kan het bedrijf nog meer klandizie verwerven. “We zijn optimistisch, want er is veel vraag naar vetzuren”, besluit Van Stralen.

Van organische reststromen efficiënt naar chemicaliën