PILOT ZET LIGNINE OM IN diverse bioAROMATische verbindingen

bedrijven mogen reeks PRODUCTEN TESTEN

lignine

TNO–EnergieTransitie besloot tot de opstart van een pilotinstallatie in Bergen op Zoom. Die installatie zet de biogrondstof lignine om in diverse aromatische verbindingen. De capaciteit van de installatie is vijf keer zo groot als die van de installatie in Petten, waarmee de onderzoeksorganisatie tot nu toe experimenteerde.

Biorizon consortium

Binnen het consortium Biorizon onderzoeken verschillende instanties samen de pistes om te komen van lignine en suikers tot functionele aromaten:

TNO-ET (TNO-EnergieTransitie) in Petten,
TNO (Nederlandse organisatie voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek)
VITO (Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek) in Mol en
(TNO) in Delft

Een Biorizon roadmap is gericht op drie horizonten:

• Een lignine-horizon: functionele aromatische bouwstenen via depolymerisatie en fractionering
(Lees 'Lignine as feedstock for bio-based aromatics' - gepubliceerd in NPT 19-01, Maart 2019, p. 21-23),
• Een suikerhorizon: productie van functionele aromaten via Diels Alder
(Lees 'Utilization of waste sugars for functionalized bio-aromatics' - gepubliceerd in NPT 19-02, mei 2019, p. 10-12) en
• Een thermochemische horizon: niet-functionele en functionele aromaten
(Dit artikel - gepubliceerd in NPT 20-02, juni 2020, p. 11-12)

De consortiumpartners testen de nieuwe routes onder andere op de Green Chemistry Campus op het terrein van SABIC in Bergen op Zoom. Daar beproeven ook andere kennisinstellingen, onderzoeksinstituten en bedrijven nieuwe duurzame technologie met steun van de Provincie Noord-Brabant, de gemeente Bergen op Zoom, SABIC en de regionale ontwikkelingsmaatschappij NV REWIN West-Brabant.

THERMOCHEMISCHE ROUTES VOOR LIGNINECONVERSIE

TNO-EnergieTransitie (TNO-ET), voorheen ECN part of TNO geheten, heeft binnen het Biorizon-consortium thermochemische routes ontwikkeld voor het omzetten van lignine in aromaten zoals benzeen, tolueen en xyleen, en ook functionele aromaten, zoals (fenolische) monomeren, dimeren en oligomeren voor de productie van bijvoorbeeld epoxy- of fenolharsen. Bij de productie van functionele aromaten wordt lignine via pyrolyse – verhitting in afwezigheid van zuurstof – omgezet in een gasmengsel, dat tijdens een stapsgewijze afkoeling condenseert tot fracties met diverse producten.

De Belgische consortiumpartner VITO onderzoekt de route van lignine tot aromaten via katalytische depolymerisatie van lignine (zie artikel ‘Lignin as feedstock for biobased aromatics’, NPT editie 19-01, maart 2019, p.21-23).
TNO in Delft kijkt naar de omzetting van suikers via katalyse en Diels‑Alder chemie naar aromaten (zie artikel ‘Waste sugars for functionalized bio-aromatics’, NPT editie 19-02, juni 2019, p.10-12).

DUURZAME GRONDSTOF VOOR AROMATEN

Lignine komt vrij als bijproduct bij de fabricage van papier en bij de raffinage van verschillende soorten agrarische reststromen. Voor de chemische industrie kan lignine in de toekomst een belangrijke duurzame grondstof voor aromatische verbindingen betekenen onder meer voor fenol, tolueen en xyleen. Momenteel is de chemische industrie voor het produceren van aromaten nog aangewezen op fossiele grondstoffen. Als het lukt om over te schakelen op lignine, zal dat flink wat in de CO2-uitstoot schelen.

Maar zover is het nog niet, want lignine is een complex aromatisch polymeer dat zich moeilijk laat opsplitsen. Daarom wordt lignine momenteel voornamelijk ingezet als een groene brandstof voor energiecentrales met als voordeel dat lignine op gewichtsbasis dertig procent meer energie bevat dan hout.

“De pilotinstallatie in Bergen op Zoom kan vijf kilogram lignine per uur omzetten in functionele aromaten, waaronder dimeren en oligomeren”, weet onderzoeker Sergio Rios van TNO-ET in Petten.

“De structuur van lignine is afhankelijk van de biologische bron. Wij kijken vooral naar de mogelijkheden voor het verwerken van lignine afkomstig van biomassareststromen zoals cacaodoppen, walnootschillen, stro en houtzaagsel.”

PYROLYSE GEVOLGD DOOR OMGEKEERDE DESTILLATIE

In zijn project CALIBRA (CAscaderende LIgnine BioRaffinage Aanpak) richt TNO-ET zich op de thermochemische omzetting van lignine door middel van pyrolyse. Dat levert functionele aromaten op, terwijl vergassing, oftewel verhitting met lucht en stoom, benzeen, tolueen en xyleen opleveren, die inzetbaar zijn als drop-in-chemicaliën.

De pyrolyse bij TNO-ET vindt plaats in een reactor van drie meter hoog. Daarin bevindt zich een stijgbuis waarin biomassadeeltjes in stikstofgas tot ongeveer 500 °C worden verhit. Daarbij ontleden ze in pyrolysedampen en chardeeltjes (soort houtskool). Hogerop in de reactor bevindt zich een cycloon, waar de chardeeltjes worden afgescheiden. Vervolgens ontsnappen de hete pyrolysedampen via de top van de reactor. De chardeeltjes vallen in een wervelbed van heet zand rondom de stijgbuis, waar ze verbranden. Dat levert genoeg energie op om het proces in stand te houden.

De pyrolysedampen passeren vervolgens een cascade van condensors, waarin ze stapsgewijs bij dalende temperaturen condenseren tot specifieke organische fracties, die van elkaar verschillen in chemische samenstelling en moleculair gewicht (zie Figuur 1).

Figuur 1: Getrapte condensatie: pyrolysedampen passeren een cascade van condensors, waarin ze stapsgewijs bij dalende temperaturen condenseren tot specifieke organische fracties

De zwaardere fracties kunnen bijvoorbeeld toegepast worden in bitumen en scheepsbrandstof. Uit de lichtere fracties vallen waardevolle fenolen te winnen voor toepassing in hoogwaardige materialen zoals (epoxy)harsen voor allerlei composieten (windturbinewieken, auto-onderdelen ...). Het niet-condenseerbare gas wordt apart verbrand, waarna het resterende draaggas wordt teruggevoerd in de pyrolysereactor. “De cascadering kun je zien als een soort omgekeerde destillatie”, legt Rios uit.

DRIE BASISAROMATEN

Figuur 4: De drie meest voorkomende monolignolen: paracoumarylalcohol (1), coniferyl-alcohol (2) en sinapyl-alcohol

De structuur van lignine is divers en sterk afhankelijk van de biologische oorsprong (zie Figuur 3). Ondanks de soms sterke verschillen in structuur, zijn er slechts drie basisaromaten waaruit lignine is opgebouwd. Dat zijn drie aromatische alcoholen met de exotische namen p-coumaryl-, coniferyl- en sinapylalcohol (zie Figuur 4). De grote verscheidenheid in de structuur van lignine komt voort uit het feit dat deze basisbouwstenen in sterk variërende hoeveelheden in lignine voorkomen en bovendien op veel verschillende manieren met elkaar verbonden kunnen zijn. “In de meeste biomassasoorten komen de drie basisbouwstenen voor. Alleen de lignine van naaldbomen bestaat vrijwel uitsluitend uit coniferyl”, aldus Rios.

Figuur 3: Mogelijke ligninestructuur (excl. ‘koolhydraten’) met 28 monomeren, voornamelijk coniferylalcoholen

Hij vat samen dat de pyrolyse van lignine onder andere bitumen en biostookolie voor schepen oplevert en daarnaast grondstoffen voor harsen en polyurethaan (PU). De biostookolie gaat naar de firma GoodFuels in Amsterdam, die het beoordeelt op geschiktheid voor bio scheepsbrandstof. Verder wordt er op dit moment onderzoek gedaan naar de duurzaamheid en weersbestendigheid van de bitumen op basis van lignine.

PORTFOLIO VAN PRODUCTEN OM TE TESTEN

“In Bergen op Zoom willen we een portfolio van producten maken waarmee bedrijven verschillende tests kunnen uitvoeren. We kijken welke temperaturen bij de cascadering de beste resultaten opleveren, met andere woorden, hoe we de productie kunnen afstemmen ten gunste van bepaalde producten en applicaties. Ook gaan we na welke biomassareststromen uit bijvoorbeeld de landbouw het meest geschikt zijn om te verwerken”, licht Rios toe.

Tot nu toe kon TNO-ET in betrekkelijke rust aan het nieuwe proces werken. De interesse vanuit de chemische industrie voor dit proces neemt echter snel toe. De chemiebedrijven beseffen dat ze binnen drie decennia de overstap van fossiele grondstoffen naar duurzame grondstoffen moeten maken en dat de productieketen ook circulair moet zijn. “Het gevoel van urgentie is toegenomen, ook door de Europese Green Deal”, zo ervaart Rios.

MEER SAMENWERKING MET CHEMISCHE BEDRIJVEN

TNO-ET streeft naar meer samenwerking met bedrijven. Die hebben elk hun specifieke interesse, waarop de onderzoeksorganisatie kan inspelen met bilaterale of multilaterale onderzoeksprojecten. Rios: “Het gebruik van lignine als bron van aromaten zal heel wat CO2-uitstoot schelen, maar voordat we het proces op grote schaal kunnen toepassen moeten we eerst nog een aantal technische en economische hindernissen nemen.”