Er zijn talloze technieken om biomassa te bewerken, maar volgens (bio)procestechnologen ligt de focus te veel op conversie. ‘Vanwege de lage olieprijs wordt iedereen gedwongen heel goedkope en slimme processen neer te zetten.’

‘Een superorganisme in elkaar sleutelen dat olie produceert uit biomassa, zonder na te denken over hoe je die bio-olie kunt winnen en zuiveren, levert problemen op’, weet Kirsten Steinbusch, ceo van de start-up Delft Advanced Biorene­wables (DAB). Ook volgens Heleen De Wever, projectmanager in de Business Unit Scheidings- en Conversietechnologie bij VITO, de Vlaamse evenknie van TNO, spelen scheidingsprocessen een sleutelrol in de bioraffinage. ‘Die processen kom je in heel de keten van biomassa tot eindproduct tegen. Zowel bij de voorbehandeling van biomassa, zoals fractioneren in lignine-, suiker- of afgeleide stromen en detoxificatie daarvan, als downstream om het product te zuiveren of te concentreren.’

Brute kracht

Met DAB bouwt Steinbusch voort op het gedachtegoed van twee hoogleraren aan de TU Delft, Sef Heijnen en Luuk van der Wielen. De eerste heeft ervaring in fermentaties opschalen, de tweede is gespecialiseerd in scheidingstechnologie. ‘Bio-olie, zoals de hoogwaardige aromatische olie sesquiterpeen, komt niet vanzelf bovendrijven. Micro-organismen produceren deze in heel kleine oliedruppels, die door eiwitten in het fermentatiemedium gestabiliseerd worden. Je krijgt een stabiele emulsie, een soort mayonaise. Om olie en water van elkaar te scheiden, gebruik je nu brute kracht. Je voegt centrifugestappen, temperatuurwisselingen en chemische emulsiebrekers toe, waarbij je de productiestam opoffert. In het ergste geval moet je terug naar de tekentafel en het organisme aanpassen, maar dat doen de meesten niet’, vertelt Steinbusch. ‘Voor bulkprocessen is het slim om bij het ontwikkelen van een stam de scheidingsstappen gelijk mee te nemen om een superproces te ontwikkelen, niet alleen een superstam.’

‘Met brute scheidingskracht offer je de productiestam op’

DAB kan daarbij helpen met een nieuwe techniek om olie van het fermentatiemedium te scheiden, zonder brute kracht, zonder extra chemicaliën en tegen lage kosten. Door gecontroleerde gasinjectie botsen de oliedruppels samen tot een olielaag die vanzelf komt bovendrijven. Bovendien is het proces te integreren met de fermentatie en schaalbaar. ‘Als we naar een biobased economie willen, dan gaat het er niet meer om wie de mooiste stam heeft. Dan moet het hele plaatje kloppen en technisch economisch haalbaar zijn’, benadrukt Steinbusch. ‘Vanwege de lage olieprijs, wordt iedereen gedwongen heel goedkope en slimme processen neer te zetten.’

Haar eerste bedrijf Waste2Chemical (nu Chaincraft), dat Steinbusch 7 jaar geleden oprichtte, was veel meer gericht op de conversie zelf. Ze had een biotechnologisch proces ontdekt om uit organisch afval middellange vetzuren te maken. ‘De omzetting gebeurt anaeroob, waardoor de conversie heel efficiënt is, circa 85 % van de koolstof vind je terug in het product’, vertelt ze. ‘Een robuuste mengcultuur verlengt de ketens van lagere vetzuren die vrijkomen tijdens de fermentatie tot middellange vetzuurketens, zoals caproaat and caprylaat. Die stoffen lossen minder goed op in water en scheiden zich relatief makkelijk af vergeleken met ethanol of kortere vetzuurketens. Die twee kenmerken maken het een briljant proces, dat je bovendien op grote schaal kunt uitvoeren. We bouwen nu een demonstratiefabriek.’

Membranen

Ook tijdens een conversiestap kunnen scheidingsprocessen helpen om de reactie te versnellen of te intensiveren en meer kostenefficiënt te maken. De Wever kijkt hierbij vooral naar membraangebaseerde technieken. ‘In een fermentatieproces kunnen we door membranen in te zetten de concentratie aan bacteriën in de reactor verhogen en daarmee ook de opbrengst. Bij de omzetting van een suikerstroom naar een organisch zuur bijvoorbeeld kunnen we de productiviteit zo vertienvoudigen. Het membraan houdt de bacteriën tegen en je scheidt gelijk het product af in een heldere bacterievrije stroom.’

'Membranen zijn modulair en flexibel inzetbaar'

Door membranen te combineren met (bio)conversieprocessen, kun je gericht een remmend of onstabiel product uit het proces verwijderen, wat leidt tot een verbeterde omzetting. Deze in situ recovery van het product is bijvoorbeeld interessant voor de biotechnologische productie van butanol, omdat die stof het omzettingsproces remt vanaf een bepaalde concentratie. De Wever: ‘Door butanol continu te onttrekken tijdens de fermentatie blijft de productconcentratie onder het remmende niveau. Dit levert een hogere productiviteit en een geconcentreerde en deels gezuiverde productstroom, wat resulteert in verminderd energieverbruik.’

Volgens De Wever zijn membraangebaseerde technieken modulair en flexibel inzetbaar. ‘Afhankelijk van de gewenste scheiding kies je een andere membraantechnologie. Voor de butanolwinning gebruiken we bijvoorbeeld pervaporatie (een membraanproces dat permeatie en verdamping combineert, red.) met het oog op proces­intensificatie, voor terugwinning van organische zuren, elektrodialyse of membraangebaseerde extractie.’

Zware olie

Twente procestechnologen pakken het anders aan. Zij laten de conversie van biomassa tot bio-olie niet over aan micro-organismen, maar zetten traditiegetrouw in op pyrolyse. Daarbij ondergaat de biomassa een snelle thermische behandeling onder zuurstofloze condities bij 500 °C. ‘Het is een redelijk eenvoudige en laagdrempelige manier om bio-olie voor een lage prijs te verkrijgen’, zegt Jean-Paul Lange, deeltijdhoogleraar chemische bioraffinage aan de UT en principal research chemist bij Shell. ‘Alleen de olie heeft alle vloeken van de wereld qua producteigenschappen; het is een vrij zware, complexe, corrosieve, onstabiele emulsie. En daardoor voornamelijk geschikt als boilerbrandstof om op commerciële schaal stoom en elektriciteit te produceren. We werken hard om dit te verbeteren en nieuwe toepassingen mogelijk te maken.’

Liquefactie is een andere route. In dit geval lost biomassa, bij 300 °C en hoge druk, compleet op in zijn eigen sap, de lichte fractie van bio-olie. Lange: ‘Het resultaat is weer een zware olie, nog zwaarder dan de pyrolyse-olie. Beide routes zijn wel goedkoop, maar de bio-olie is vervolgens weinig waard. De olie kraken in een raffinaderij is lastig en kost veel waterstof en kapitaal. De vraag is: loont het wel? Het product moet waardevol genoeg zijn om voor de fabriek en de verwerking te betalen.’

‘Het procesdenken moet nog doordringen bij biomassa­bewerkers’

Biochemicaliën uit lignocellulose produceren kan lucratiever zijn. Maar ook daarvoor is veel werk aan de winkel volgens Lange. ‘Bioraffinaderijen kennen andere uitdagingen dan de petrochemie. Dat begint al met vaste voeding, water als hoofdcomponent voor fermentatie en suiker dat niet thermisch stabiel is’, legt hij uit. ‘Daardoor kunnen we destillatie vaak niet na de primaire conversie gebruiken en moeten we uitwijken naar alternatieve scheidingsmethodes als extractie of absorptie.’

Integraal proces

Volgens Lange kijken chemisch procestechnologen naar het integrale proces en duiken ze niet direct diep in de chemie van de conversie zoals katalytici. Een chemisch aantrekkelijke omzetting kan oninteressant worden als je vervolgens de scheidingsstappen downstream slecht kunt uitvoeren. En (reactie)warmte terugwinnen kan heel belangrijk zijn voor de economische haalbaarheid.

‘Er is geen favoriete techniek om biomassa te lijf te gaan, het hangt geheel af van de biomassabron en het gewenste eindproduct. Het procesdenken moet nog doordringen bij bewerkers van biomassastromen’, benadrukt Lange. ‘Want uiteindelijk moet het economisch haalbaar zijn, anders gaat niemand het doen.’