Stora Enso is een van 18 internationale industriële partners, afkomstig uit de papier- en kartonindustrie, die participeert in Provides. Dit project, gecoördineerd door ISPT (Institute for Sustainable Process Technology), gaat de komende drie jaar verschillende aspecten van de inzet van DES-oplosmiddelen onderzoeken.
Annita Westenbroek is namens ISPT de kartrekker van Provides. ‘Het project is eigenlijk ontsproten aan een internationale wedstrijd die CEPI (Confederation of European Paper Industries) in 2012 heeft georganiseerd. In deze competitie werden twee teams, het rode en het blauwe, uitgedaagd om baanbrekende technologieën te vinden waarmee de sector haar milieufootprint aanzienlijk zou kunnen verkleinen. Ook moeten deze technologieën leiden tot kostenvoordelen in het proces en, nog mooier, zorgen voor betere eindproducten.’
Westenbroek, zelf lid van het blauwe team, had voor de competitie al contact gehad met Prof. Dr. Maaike Kroon (TU Eindhoven). Kroon’s onderzoeksgroep had in korte tijd een goede naam opgebouwd in het onderzoek naar de DES-oplosmiddelen. ‘Het potentieel van deze technologie kan enorm zijn’, aldus Westenbroek. Dat potentieel werd ook onderkend door de jury: het blauwe team won de wedstrijd en de weg naar Provides lag open.
Lat ligt hoog
Het potentieel, waar Westenbroek aan refereert, heeft zowel betrekking op het milieu als de economie. Wat betreft de eerste factor: de Europese industrie wil in 2050 haar CO2-uitstoot met 80 procent reduceren. De lat ligt dus hoog. Om hierover heen te springen, zijn baanbrekende technologieën nodig, aldus Westenbroek.
‘Dat kun je realiseren door andere grondstoffen te gebruiken, andere producten te maken en andere processen te gebruiken. Met Provides richten we ons op de processen, meer specifiek de wijze waarop pulp wordt omgezet in verschillende componenten: cellulose, lignine en hemicellulose.’ Dit proces is zijn huidige vorm niet echt duurzaam. Het vereist hoge temperaturen, circa 150 graden Celsius, hoge druk en zware chemicaliën en dus veel energie. Bovendien hebben de extreme procescondities ook gevolgen voor de halffabrikaten. De lignine bevat bijvoorbeeld zwavel, waardoor deze component alleen gebruikt kan worden als energiebron voor procesdoeleinden.
Proof of principle voor lignine
‘Dat is het mooie van DES-oplosmiddelen’, aldus Westenbroek. ‘Deze hebben effect op lagere temperaturen (kamertemperatuur tot max. 80 graden Celsius) en onder atmosferische druk. Daarnaast zijn ze hernieuwbaar, biologische afbreekbaar en – niet onbelangrijk – kostenefficiënt.’ Nu is het effect, waar Westenbroek op doelt, alleen op labschaal aangetoond en alleen voor lignine (met een oplosbaarheid van 25 procent). De meest optimale DES voor lignine is momenteel een combinatie van choline chloride en glycolzuur. De cellulose lost niet op in de DES en kan dus worden gefiltreerd uit de DES-fractie (oplosmiddel en lignine).
Dat is een spectaculaire optimalisatieslag, maar idealiter zou er ook een DES zijn die cellulose op kan lossen. ‘Hierdoor komen interessantere eindmarkten voor cellulose-gebaseerde chemie – textiel, materialen – in het vizier. Uiteindelijk opent deze stap ook de poort naar de heilige graal: papierproductie zonder water.’
Andere procesconfiguratie
Zo ver is het nog niet. Momenteel werkt de onderzoeksgroep (3 aio’s) van Kroon naarstig aan het ontwikkelen en testen van DES-oplosmiddelen op labschaal. Westenbroek: ‘Het proof of principle voor lignine is zoals gezegd voorhanden. Die voor cellulose moet nog worden gevonden. Het deel van het traject binnen Provides ligt bij de groep van Kroon. Uiteindelijk moeten zij de meest optimale DES-mixen ontwikkelen, waarbij zij ook experimenteren met verschillende cellulosehoudende grondstoffen.’
Het opleveren van DES-oplosmiddelen is een belangrijke stap, maar zeker niet de enige in Provides. De inzet van DES leidt ook tot een andere procesconfiguratie, zo stelt Westenbroek. ‘An sich is het proces niet zo ingewikkeld: de biomassa krijgt een mechanische voorbewerking en wordt in een vat met DES geroerd. Het scheiden van de DES (met de lignine) en de vezelfractie is evenmin een uitdaging. Deze zit overigens wel aan het eind van het proces, met name in het scheiden van de DES van de antisolvent. Deze laatste stap is wel nodig om de DES opnieuw in te kunnen zetten in het productieproces.’
Hoofdpijndossiers
Heiner Grussenmeyer (Stora Enso) ziet Provides – als het gaat vliegen – als een game changer, met implicaties voor alle facetten van de waardeketen. ‘Vandaar de variëteit aan bedrijven in het consortium die elk hun specifieke interesses hebben. Zo zijn we geïnteresseerd in het bleekproces van cellulose, waarbij de aanname is dat we hiervoor minder bleekmiddel nodig hebben. Als producent van biochemicals zijn we daarnaast ook benieuwd naar de kwaliteit van de lignine. Momenteel ligt de calorische waarde van lignine rond de 300 à 400 euro per ton (gebaseerd op olieprijs, red.). Lignine als feedstock voor de chemie (bijvoorbeeld fenolen, red.) ligt ongeveer een factor 3 hoger.’
Grussenmeyer vervolgt: ‘Dat is nog wel toekomstmuziek. De TRL’s zijn nog relatief laag (2 tot 3) en er zijn nog heel wat hoofdpijndossiers. Welke? Nou, er zijn tientallen componenten die in de opschaling voor problemen kunnen zorgen. De vraag is: lossen deze componenten op in een DES of hechten deze zich aan de lignine of cellulose?’
Ekhard Beuleke van Omya, een leverancier (wereldwijd) van industrial minerals, voornamelijk fillers en pigmenten van calciumcarbonaat en dolomiet, en een distributeur van specialty chemicals, ziet eveneens het potentieel van DES en de mogelijke implicaties voor de markt. De belangrijkste afzetmarkten voor Omya zijn producten uit de bosbouw (papier, karton, tissues), polymeren, constructiematerialen (o.a. verven, coatings) en life sciences (food, feed, farma etc.).
‘In sommige producten, zoals papier van glossy magazines, is de minerale content circa de helft van het gewicht. Vandaar dat we graag willen weten wat de gevolgen zijn voor deze componenten als DES wordt ingezet voor gerecyclede papierstromen. Ook de kwaliteit van de cellulosevezels heeft onze interesse: heeft deze gevolgen voor het gebruik van fillers en pigmenten, bijvoorbeeld de verhouding van de individuele componenten?’
Rendabel bij lagere volumes
Kortom, de race is allesbehalve gelopen. Grussenmeyer verwacht dat de eerste commerciële fabriek pas in 2025 zal worden gebouwd. ‘Het zou me verbazen als het eerder gebeurt, zie ook de lage TRL’s. Daarnaast spelen ook sectorspecifieke overwegingen een rol. De papier- en kartonindustrie is kapitaalintensief: een nieuwe fabriek kost al snel tussen een miljard en anderhalf miljard euro. Om een nieuwe faciliteit te bouwen op basis van DES, zul je dus eerst je oude fabriek af moeten schrijven en moet je er zeker van zijn dat de technologie werkt op grote schaal. Een Duitse papierproducent ging enkele jaren geleden kopje onder, mede ook omdat het koos voor een nieuwe technologie (organosolvents, red.).’
Volgens Westenbroek hoeft deze “papierfabriek van de toekomst” niet per se dezelfde schaalgrootte te hebben. Normaliter heb je het over volumes tussen de 1.000.000 en 4.000.000 ton. Een fabriek die draait op het DES-principe, zou wellicht ook al kunnen renderen bij 50.000 ton.’
DES
Deep Eutectic Solvents (DES) worden gevormd door mengsels van twee vaste stoffen die – eenmaal gemengd – vloeibaar worden door waterstofbrugdonatie tussen beide componenten. Het mengsel heeft een smeltpunt dat significant lager ligt dan van de afzonderlijke stoffen: het eutectisch punt. Hierdoor kunnen vaste stoffen vloeibaar worden bij kamertemperatuur en onder atmosferische druk. Het bestaan van DES is pas in 2004 ontdekt. DES zijn hiermee een geheel nieuwe klasse van vloeistoffen en dus potentiële oplosmiddelen. Er zijn nog vele varianten te ontdekken en veel applicatiemogelijkheden te ontwikkelen.
Eiwit uit gras
‘Projecten als Provides zijn uitermate interessant gezien de impact die deze kunnen hebben op meerdere sectoren, niet alleen de papier- en pulpindustrie. Met DES-oplosmiddelen zou je ook eiwitten (rubisco) op een milde manier kunnen oogsten uit niet-conventionele foodgewassen als gras.’
Tjeerd Jongsma, directeur ISPT
