Biorizon: de weg naar bio-aromaten

Lignine, suikers en thermochemie (pyrolyse en vergassing van biomassa en andere recyclestromen) zijn volgens Shared Research Center Biorizon de routes naar bio-aromaten. Veel installaties bevinden zich momenteel in TRL 6 of 7. Commerciƫle productie staat gepland vanaf 2025.

Tekst: Igor Znidarsic

“Er is ten opzichte van 2013 toen wij begonnen, wel iets veranderd”, zegt Joop Groen, directeur van Shared Research Center Biorizon. "Ik zat vaak achter bedrijven aan om ze te overtuigen dat de biobased route belangrijk en veelbelovend is en dat het nuttig is om mee te doen. Dat lukte uiteindelijk voldoende, maar het kostte best wel moeite. De laatste tijd worden we steeds meer spontaan benaderd door bedrijven die in de biobased route een prioriteit zien. Het is een heel andere dynamiek nu. Zij voelen meer en meer de druk vanuit klanten en consumenten. Daarnaast zijn er nu extra impulsen vanuit Brussel. Er wordt meer ingezet op innovatie op dit gebied.”

Shared Research Center Biorizon is een door TNO en VITO (Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek) geïnitieerd onderzoeksprogramma over bio-aromaten. Op de Green Chemistry Campus in Bergen op Zoom houdt Biorizon zich bezig met de technologische ontwikkeling van biobased aromaten voor zowel hoogwaardige toepassingen als BTX (benzeen, tolueen, xyleen). “Toen we in 2012 begonnen om samen met de industrie te werken aan biobased aromaten, als eerste aan fenol, zagen we hoe belangrijk aromaten zijn. Ze staan aan de basis van zo'n veertig procent van de chemische productie. Maar het bleek ook moeilijk om ze te maken uit biomassa. In 2013 hebben we hier een grote bijeenkomst met de industrie over gehad. Dat was het begin van Biorizon.”

Terug redeneren

Inmiddels heeft Biorizon drie programmalijnen: 1) thermochemische processen (pyrolyse en vergassing van biomassa en andere recyclestromen), 2) suikers en 3) lignine. Uit de verschillende programmalijnen komen verschillende producten. Groen: “Het gaat om waardeketens: van welke grondstof via welke technologie ga je naar welke producten? Daarbij redeneren we meestal terug in de keten: een partij heeft behoefte aan bepaalde hernieuwbare aromaten en dan kijken we terug hoe we die vraag het meest effectief kunnen beantwoorden. Met onze jarenlange kennis en ervaring worden we daar steeds beter in.”


Lignine

Welke van de drie Biorizon-programmalijnen het meest kansrijk is kan Groen niet zeggen. "Ze zijn allemaal kansrijk.” Maar het interessante aan lignine (de houtstof in plantaardige cellen, van bijvoorbeeld bomen) is wel dat het een heel veel voorkomende grondstof is. Het is echter een complex materiaal, waaruit afzonderlijke bio-aromaten zich moeilijk laten afsplitsen. Daarom is hoogwaardige toepassing (vooralsnog wordt de meeste lignine verbrand voor warmte) een grote uitdaging. Met de depolymerisatie- en scheidings-technologieën die Biorizon heeft ontwikkeld lukt het al aardig. Inmiddels werken diverse partners aan applicatieontwikkeling. Toepassingen zijn onder meer polymeren, lijmen, kitten, coatings en elastomeren. Maar de weg is nog lang. Samples worden nu nog maar op kleine schaal (zo’n 100 gram) geproduceerd. Daarom komt er nu een pilotinstallatie op kilogram-schaal. Deze LignoValue-installatie is het afgelopen jaar gebouwd en is binnenkort operationeel.


De community telt inmiddels 475 bedrijven en organisaties, van Lego en Rabobank tot diverse universiteiten en chemiebedrijven als SABIC en Covestro. Ze participeren op diverse manieren, van lid zijn van de community en meedoen aan events tot actief deelnemen in projecten, waarvan er momenteel tientallen lopen. "Het zijn heel gerichte projecten, met een vast omschreven scope: dit gaan we realiseren, dit is de start, dit is het einde, zo organiseren we de financiën."

Honderden kilo’s

Op het gebied van thermochemische processen zijn vorig jaar twee pilot-installaties in gebruik genomen: een in Petten voor de coproductie van BTX door de vergassing van biomassa en een op de Green Chemistry Campus voor de thermochemische depolymerisatie van lignine (PYRENA) in combinatie met getrapte condensatie (PYPO). De PYRENA/PYPO-installatie kan samples leveren op kilogramschaal die inzetbaar zijn voor applicatieontwikkeling. Bij BTX gaat het vooral om nichemarkten, zoals geurstoffen en parfums. Bij verwaarding van lignine pyrolyse-oliën gaat het onder meer om de ontwikkeling van additieven voor bitumen, harsen en coatings. Er zijn inmiddels met vijf bedrijven applicatie-trajecten gestart. Het is een belangrijke stap in de voorbereiding voor de volgende fase: de bouw van demonstratiefabrieken.

Testunit voor selectieve extractie van BTX uit vergasser.

 

Op het gebied van suikers ligt de focus op functionele bio-aromaten die de eigenschappen van eindproducten verbeteren. Het is een chemisch-katalytische route vanuit de suikerbron, veelal tweede-generatie C5-suikers, de niet-eetbare suikers uit nevenstromen zoals bietenpulp. Daarbij gaat het met name om furaanchemie en het vervangen van niet-recyclebare producten uit petrochemische grondstoffen, zoals coatings en lijmen. De Diels-Alders pilotfaciliteit, die in 2019 in Bergen op Zoom is gerealiseerd, heeft al honderden kilo’s aan samples geproduceerd. Het komende jaar ligt de aandacht op de validatie van een volledig continu proces op TRL 5 (Technology Readiness Level) en het doorontwikkelen naar nieuwe type functionele bio-aromaten.

UV-stabiliteit

Met de oprichting van spin-off Relement zijn ook al de eerste stappen richting vermarkting gezet. Relement houdt zich bezig met de commercialisatie van de bio-aromaten hemimellietzuur en 3-methyltaalzuuranhydride. Deze hebben ten opzichte van hun fossiele tegenhangers een betere levensduur en UV-stabiliteit in bepaalde coatingresins. Een ander voorbeeld van toegevoegde waarde van een bio-aromaat zijn de goede kleefeigenschappen van lignineoliën, goed toepasbaar in bijvoorbeeld afdichtmiddelen en lijmen.

Op dergelijke functionaliteiten ligt momenteel dan ook de focus. Groen: “De strijd met fossiele bulkproducten zoals benzeen en tolueen gaan we momenteel niet winnen. Daarom beginnen we bij de specialties met betere eigenschappen ten opzichte van fossiele aromaten. Daarbij is die route ook efficiënter. Je behoudt de functie uit de natuur en zet die zo efficiënt mogelijk in, in tegenstelling tot de petrochemie waarbij je eerst alles afbreekt.”

Maar kennis en technologieën ontwikkelen is niet het einddoel. Het gaat uiteindelijk om het stimuleren en realiseren van productie. De gemiddelde TRL van de installaties waar Biorizon bij is betrokken is 6 à 7. Zo wordt dit jaar in Vlaanderen een pilotplant op TRL 6 gebouwd voor lignine-depolymerisatie. “Tot dat stadium zijn wij goed in staat om technologieën door te ontwikkelen”, zegt Groen, “daarna wordt het iets om over te nemen door commerciële partijen, een spin-off zoals Relement of een bestaand bedrijf dat de techniek in licentie neemt.” Relement is nu een ontwerp aan het maken voor een TRL-7/8-pilotplant.

Het uiteindelijke doel is natuurlijk commerciële bio-aromatenproductie. Die wordt verwacht vanaf 2025. De eerste commerciële fabrieken zullen volgens Groen veertig tot vijftig  kiloton per jaar produceren.

Prognoses

Bijmenging (zogeheten drop in) van veelal door pyrolyse verkregen biobased nafta in bestaande (kraker)installaties om via massabalans een bepaald percentage groen product te krijgen, zoals een aantal bedrijven al doet, zal volgens Groen de komende tijd toenemen. Voor andere trajecten met biobased grondstoffen moeten voor een groot deel nieuwe fabrieken gebouwd worden. “Er moeten richting 2050 sowieso al nieuwe fabrieken komen, want voor bijvoorbeeld de wereldwijde polymerenmarkt zijn de prognoses dat de volumes verdrie- tot verviervoudigen.”

De grondstoffen zullen deels bestaan uit biomassa, deels uit recyclaat en deels wellicht ook uit CO2. De beschikbaarheid ziet Groen niet als een grote bottleneck. “Zodra de routes op schaal komen, veranderen die stromen in waardevolle grondstoffen, omdat je er geld mee kan verdienen, en komt de beschikbaarheid goed op orde. Daarbij ga ik ervan uit dat we met z'n allen de komende jaren nog slimmer worden. Het stenen tijdperk is ook niet geëindigd omdat de stenen op waren. Ik heb het volste vertrouwen in de kennis en kunde van de kenniswereld en de industrie, die welwillend is, om de transitie gezamenlijk voor elkaar te krijgen. Waarmee ik niet wil zeggen dat het makkelijk is. Maar er zijn best wel mogelijkheden, en er is ook nog wat tijd.”


Biorizon

In samenwerking met grote internationale en mkb-bedrijven op het gebied van grondstof, conversie, apparatuur en eindproducten creëert Biorizon hernieuwbare aromaten die beter presteren dan hun fossiele tegenhangers. Het verdienmodel bestaat uit bijdragen uit de industrie, aangevuld met Europese, Nederlandse en regionale subsidies. Daarnaast creëert Biorizon ‘intellectual property)’ die in de vorm van licenties vermarkt wordt.

Op 2 december organiseert Biorizon het Annual Event on Bio-Aromatics, online en in Rotterdam, met de laatste ontwikkelingen op het gebied van bio-aromaten. De afgelopen editie trok ruim 300 deelnemers uit 29 landen.

Meer over Biorizon

De Biphasic Reactor Skid zet suikerstromen om in furfural, 5-hydroxymethylfurfural (HMF) en levulinezuur.

 

Foto's: Biorizon