Productie van bio-aromaten uit organisch (huis)afval

Biorizon nadert cruciale fase

Eind deze zomer zal duidelijk zijn hoe de uitgedachte processen voor de productie van bio-aromaten uit organisch (huis)afval op labschaal verlopen. In dat stadium kunnen ook de eerste berekeningen worden gemaakt van het rendement en de kosten. Biorizon-business manager Joop Groen en Marcel Ligter, procestechnoloog bij Attero, hebben er vertrouwen in dat deze processen rendabel kunnen zijn.

Composteren en vergisten zijn waardevolle processen voor het hergebruik van organisch afval. Echter, een deel van het aanbod aan biomassa kan ook worden ingezet voor andere processen, die nog meer waarde toevoegen. Dat is de visie van de Nederlandse afvalbranche, die zich verder wil ontwikkelen tot grondstoffenleverancier. Drie afvalbedrijven (Attero, AEB Amsterdam en Orgaworld), samen met de Vereniging Afvalbedrijven, onderzoeken samen met initiatiefnemer Biorizon in het project Waste2Aromatics hoe ze die visie vorm kunnen geven. Biorizon is een initiatief van TNO, VITO en Green Chemistry Campus.

GFT-afval

De eerste stap in het project is het definiëren van afvalsoorten die geschikt zijn als toevoer voor de reactoren waarin suikers uit de biomassa worden gewonnen. ‘Verreweg de grootste stroom is het gft-afval van huishoudens, maar er zijn nog tal van andere, meer afgebakende stromen, die door hun bestanddelen als suikers en/of (hemi) cellulose, geschikte kandidaten kunnen zijn’, stelt Marcel Ligter, procestechnoloog bij Attero. ‘Wij hebben samen met de andere afvalverwerkers vanuit onze expertise in de afvalverwerking een lijst van negen stromen vastgesteld. Denk daarbij ook aan afval van straatveegsel en sinaasappelschillen. Die negen stromen – waarin ik uit concurrentie-overwegingen geen verdere inzage mag geven – hebben we in het laboratorium geanalyseerd op organisch stofgehalte, suikergehalte en deeltjesgrootte. Parameters waarvan we denken dat ze belangrijk zijn om te beoordelen of dat afval een goede basis is voor de uiteindelijke productie van bio-aromaten.’

Mede op basis van die analyses is een shortlist van drie afvalstromen vastgesteld waarmee de procestechnologen bij Biorizon inmiddels aan de slag zijn gegaan. Ook hier willen de projectdeelnemers niet concreet zijn in het benoemen van de drie stromen. Het mag duidelijk zijn dat alleen al vanwege de omvang het gft-afval daar zeker bij zal zijn. En ook celluloserijke fracties zullen nader worden onderzocht.

Twee wegen

Voordat je daadwerkelijk kunt beginnen met de productie van bio-aromaten, moet de conversie plaatsvinden van de suikers en cellulose uit de afvalstromen naar furanen. Dit zijn verbindingen van waaruit je de bio-aromaten kunt maken. ‘Voor die omzetting hebben we twee technologieën beschikbaar, die we afhankelijk van de te verwerken afvalstroom kunnen inzetten’, legt Joop Groen uit. ‘De eerste is SHS, ‘super heated steam’, een door TNO gepatenteerde technologie waarbij je oververhitte stoom door de biomassa laat gaan. Dit werkt goed bij biomassa met een hoog drogestofgehalte, ook wel steekvaste biomassa genoemd, bijvoorbeeld stro en gft. In de reactor kunnen we efficiënt cellulose en/of hemicellulose omzetten in suikers. Daar hoef je trouwens niet te stoppen, want met de juiste katalysator kun je ook direct de suikers omzetten in furanen. Die interessante mogelijkheid zijn we nu op kleine pilotschaal van ongeveer een kilogram per uur aan het uitzoeken. Uitdaging hierbij is dat specifieke suikers verschillende furanen geven, en dat je er voor moet waken dat de reactie niet te ver doorloopt. Gebeurt dat wel, dan verliezen we de reactieve ring die we zo hard nodig hebben om in de laatste stap van het proces de gewenste bio-aromaten te maken.’

Voor de natte fracties is SHS niet geschikt. In plaats daarvan wordt er bij Biorizon gewerkt met een tweefasensysteem. Het begint met een waterige oplossing, waarin de suikers goed oplossen en de reactie kan plaatsvinden. Door het reactieproduct af te voeren naar de tweede fase, de organische, blijft de reactie goed lopen. ‘Tot nu toe hebben we met dit systeem geëxperimenteerd op kleine schaal, in een magnetronreactorsysteem. Inmiddels bouwen we aan een groter testsysteem, op een schaal tot 10 liter per uur’, vertelt Joop Groen.

Functionaliteiten in de schoot geworpen

Op de Green Chemistry Campus, waar de opschaling plaatsvindt, zal uiteindelijk een hele pilotketen van suikers tot en met bio-aromaten worden opgebouwd. ‘Met de furanen ben je er namelijk nog niet. Je hebt een downstream processing unit nodig voor het opzuiveren van die producten, en reactoren voor de omzetting van die tussen-furanen in de gewenste platformfuranen, die vervolgens in weer een andere reactor moeten worden omgezet in de bio-aromaten’, vertelt Joop Groen.

Met al die stappen, die ieder op zich moeten worden geoptimaliseerd en opgeschaald, kan Joop Groen nu nog geen uitspraken doen over commerciële kansen. ‘Ons streven is om in 2020 één of meer rendabele grootschalige processen te kunnen draaien. Vanuit de marktkant kan ik wel beredeneren dat we meer kansen hebben bij de specialties dan bij de productie van relatief laag gefunctionaliseerde bulkaromaten als benzeen en tolueen. Vanuit onze grondstoffen hebben we een stapje voor op de petrochemie, want wij krijgen de functionaliteiten voor specialties bij wijze van spreken in de schoot geworpen. Kijk naar de structuur van suikers. Daar zitten hydroxygroepen op, waar je van alles mee kunt. Door het efficiënt benutten van de aanwezige functionaliteit heb je goede kansen in de markt van de gefunctionaliseerde aromaten, de specialties, waar bovendien de volumes minder groot zijn en de prijzen hoger.’

Grondstofstrategie

De kans van slagen hangt nauw samen met het vermogen om efficiënt vanuit de heterogene afvalstroom één of meerdere homogene grondstoffenstromen te verkrijgen die op grote schaal kunnen worden verwerkt. Ligter: ‘Met het vaststellen van drie kandidaat afvalstromen hebben we een eerste selectie gemaakt. Bij elk van die stromen zijn nog een aantal voorbewerkingsstappen nodig voordat die in de reactor kunnen worden gebracht. Kijk alleen al naar gft, dat voor zo’n 30 procent bestaat uit organische stoffen, maar verder veel water en zand bevat. Vanuit onze expertise om gft in te zetten voor vergisting en compostering beheersen we die stappen al goed, maar voor andere, veelal kleinere stromen, moet nog het nodige ontwikkelwerk worden gedaan. Bij die kleine stromen speelt ook mee hoe efficiënt je de inzameling en verwerking kunt organiseren.’

Groen vult aan: ‘Een gedegen grondstofstrategie, dus het vinden van grondstoffen die het beste resultaat voor je geld leveren, is even belangrijk als het optimaliseren van de opbrengst, het zoveel mogelijk produceren van het gewenste eindproduct per kilo die je erin stopt. De gecombineerde expertise van de afvalbedrijven en de procestechnologen binnen het Waste2Aromatics project maakt dat we dit samenspel tussen grondstofeigenschappen en procesparameters optimaal kunnen uitnutten.’

Shared research center

Biorizon, een initiatief van TNO, VITO en de Green Chemistry Campus, streeft er naar om bedrijven die binnen de wereld van de bio-aromaten actief zijn op het gebied van grondstoffen, conversie, apparatuur, tussen- en eindproducten samen te brengen. Dat gebeurt in een community en het Shared Research Center (SRC) op de Green Chemistry Campus in Bergen op Zoom waar volgens de open innovatiemethode wordt samengewerkt in verschillende projecten, waaronder Waste2Aromatics. Geïnteresseerde bedrijven kunnen zich aansluiten bij het SRC en de community.