Iris Cornet is bio-ingenieur en professor aan de Universiteit van Antwerpen en werkt aan valorisatie van biologische afvalstromen. In verschillende onderzoeksprojecten kijkt ze hoe ze biomassa kan omzetten in energie en bruikbare chemicaliën, ontwikkelt ze nieuwe en verbetert bestaande processen. Een van de speerpunten in haar onderzoek is de verwerking van lignocellulose-houdende biomassa. Lignocellulose bestaat uit cellulose, hemicellulose en lignine. De eerste twee componenten bevatten nuttige suikers, de lignine is de ongewenste component. Haar huidige focus ligt op hout van populieren, een snelgroeiende boomsoort die goed gedijt op gedegenereerde grond waarop geen landbouw mogelijk is. Cornet werkt samen met de professor Wout Boerjan van de Universiteit van Gent, die genetische modificatie toepast op populieren om de hoeveelheid lignine te verlagen. 

Waarom kiezen jullie voor populieren? 

‘Populierenhout maakt tweede-generatie-biobrandstof. Bij eerste-generatie-brandstoffen worden zetmeel of enkelvoudige suikers gebruikt. Hier is dat voornamelijk meel van granen, in de VS is dat van maïs, in Brazilië is het suikerriet. Het probleem is dat deze grondstoffen ook landbouwoppervlak vragen die voor voeding bestemd is. Voor tweede-generatie-biobrandstof gebruikten we in ons onderzoek voorheen afvalstromen, zoals restaurantafval, en daar zit van alles in. Met alleen populier in redelijke hoeveelheden heb je een meer uniforme grondstof en is het eenvoudiger om je proces constant en goed te laten verlopen.’ 

Wat doen jullie er vervolgens mee? 

‘Het draait allemaal om de lignocellulose. De cellulose heeft een heel compacte structuur. Om biobrandstof uit biomassa, in ons geval specifiek populierenhout, te maken zijn drie grote stappen nodig: voorbehandeling, hydrolyse door enzymen en tot slot fermentatie door micro-organismen die de vrijgekomen suikers omzetten naar bio-ethanol. We willen alle onderdelen van het proces verbeteren. Als eerste is dat de grondstof. Om de suikers uit cellulose en hemicellulose vrij te zetten uit het hout is een voorbehandeling nodig. De commercieel meest interessante voorbehandeling is stoomexplosie. Het hout wordt bij hoge temperatuur en druk in een stoomomgeving gebracht. Die stoom gaat condenseren in de houtcellen. Dan krijg je een plotselinge decompressie en gaat het water verdampen in de houtcellen en door dit uitzetten breken die open. De enzymen kunnen de suikers dan makkelijker vrijzetten.’ 

Hoe ruw is het basismateriaal? Zijn het hele bomen met takken en bladeren of houtsnippers? 

‘We gebruiken de versnipperde populierenstammen inclusief de schors. Dat wordt in de reactor gebracht. We hebben net een nieuw stoomexplosietoestel in onze laboratoria en hebben de opstelling zelf verbeterd om een hogere opbrengst te krijgen. Dit betreft de plaats vanwaar de stoom wordt toegevoegd, de afvoer van de stoom en het concept van de reactor.’ 

‘Als je kijkt naar het volledige plaatje van de energietransitie zijn advanced biofuels alleen een oplossing voor de kortere termijn.’ 

Dan laten we straks dus genetisch gemodificeerde populieren groeien op gedegenereerde grond om daar onze grondstoffen uit te halen? 

‘In Europa is dat nog een probleem. Er wordt moeilijk gedaan over genetische modificatie in planten. De groep van Wout Boerjan heeft al wel een proefveld mogen aanleggen in België.’ 

Even terug naar de voorbehandeling. Je hebt die houtsnippers blootgesteld aan stoom, dat levert een vezelig papje en dan?  

‘Dan doen we daar enzymen bij, die gaan die polysachariden hydrolyseren en dan worden de monosacchariden vrijgezet. We gebruiken hiervoor een industrieel geproduceerd cellulasecomplex dat volledige afbraak geeft.’ 

Maar deze stap kan ook nog beter zei je eerder, waar zit dan de grote hindernis in deze stap? 

‘Het belangrijkste probleem is de lignine die er nog bij zit, die is gedeeltelijk omgezet in fenol door de hoge temperaturen tijdens de stoomexplosie. Na de stoomexplosie zijn er twee afvalstromen: de vaste massa, namelijk het hout, en een waterige stroom met daarin een deel van de suikers en ook die fenolen. We kijken ook naar het behandelen van die stroom om de fenolen eruit te verwijderen. We willen de koolstof in de fenolen valoriseren tot olie in plaats van omzetten in CO2.’ 

Wat kun je met die olie? 

‘Plantaardige olie wordt voor voeding gebruikt, maar olie gemaakt van componenten uit afvalwater mag je niet voor dat doel gebruiken. De olie van eetbare planten wordt nu ook gebruikt voor biodiesel. Je zou andere bronnen voor die olie willen hebben. Het voordeel van onze olie uit fenol is dat het niet concurreert met de voedselvoorziening.’  

De fenolen zijn verwijderd en wat gebeurt er dan met de suikers, waar het allemaal om begon?  

‘De volgende stap is de fermentatie. We gebruiken hiervoor een giststam die niet alleen glucose gebruikt maar ook de andere monosacchariden omzet in ethanol. Normaal gesproken wordt alleen glucose gebruikt en omgezet naar bio-ethanol, maar als je alle suikers kunt gebruiken ga je de opbrengst verhogen.’ 

Hoe onderscheidt deze aanpak zich van bestaande commerciële methodes? 

‘De opbrengsten op basis van hoeveelheid suiker kan redelijk hoog zijn hoewel bij de hydrolyse altijd een hoeveelheid lignine als vaste massa overblijft. Het is nog geen volledige omzetting, maar we bekomen 70 procent voor condities zonder gebruik van chemicaliën, wat hoog is. Gekende cijfers voor dezelfde omstandigheden zijn 65 procent. Voor industriële productie leidt het gebruik van extra chemicaliën tot een hogere kostprijs. Er zijn al fabrieken die lignocellulose omzetten, maar de technologie moet verbeterd worden. Het nieuwe aspect in dit proces zijn de genetisch gemodificeerde populieren en hoeveel dat de opbrengst verhoogt. Aan de andere kant heb je de hydrolyse en fermentatie, dat wordt ook wel in één stap gedaan. Nog beter zou een hybride proces zijn – eerst hydrolyse en na bepaalde tijd de micro-organismen toevoegen voor fermentatie. Het juiste moment om dat toe te voegen is ook deel van ons onderzoek.’ 

‘Meer en meer chemicaliën worden geproduceerd uit suikers.’ 

Waarom zou een hybride proces de optimale methode zijn? 

‘De hydrolyse van de polysacchariden verloopt optimaal bij ongeveer 50 graden, terwijl de gisten die voor de fermentatie zorgen het best werken bij ongeveer 30 graden, eventueel kunnen ze tot 37 graden gaan. Als je alles tegelijk wil doen, verloopt je hydrolyse bij een lagere temperatuur en dus minder goed. Maar tegelijkertijd treedt bij de cellulase enzymen ook feedback inhibitie op, ze worden geremd door de suikers die ze produceren. Als je dus meteen die suikers wegvangt doordat de gisten ze verwerken, komt dat de efficiëntie van de enzymen weer ten goede. We zoeken daarom naar een optimum tussen die twee vereisten, waarbij je de enzymen zo goed mogelijk laat werken en ook meteen ethanol produceert. Als je stappen kunt combineren is dat vaak aantrekkelijker dan alles los van elkaar.’ 

Hebben jullie een duidelijk einddoel voor ogen? Wanneer is het geslaagd?  

‘Er zijn verschillende genetische modificaties van de populier die worden getest en dan kijken we wat het effect is op het hele proces. Levert het echt meer rendement als we hout met minder lignine gebruiken en welke modificaties zijn daarvoor het best? Als we dan nog detoxificatie kunnen toepassen door de fenolen te verwijderen, waarmee we de opbrengst verhogen en als we een gecombineerd proces hebben van hybride hydrolyse en fermentatie, dan zijn we een heel eind. En het liefst ontwikkelen we nog een wiskundig model waarmee je gemakkelijk kunt bepalen op welk moment we wat moeten toevoegen en hoeveel enzym we nodig hebben. Dan kun je op basis van dat model ook voorspellen hoe andere processen met andere grondstoffen het best ingericht kunnen worden.’ 

Wat is de betekenis van dit project in de grote context van de energietransitie?  

‘De Europese commissie heeft bepaald dat in 2030 hernieuwbare energie in transport voor 14% aanwezig moet zijn, waarvan 3,5% uit advanced biofuels, dus tweede generatie. De drie bio-ethanolfabrieken in België gebruiken allemaal eerste-generatie-grondstoffen. Ons werk zet in op die tweede generatie met bioethanol en bio-olie vanuit grondstoffen die niet concurreren met de productie van voedsel en dat zal zeker helpen om die 3,5% te halen. Als je kijkt naar het volledige plaatje van de energietransitie zijn advanced biofuels alleen een oplossing voor de kortere termijn. Uiteindelijk moeten we naar zonne-energie. Dat betekent echter niet dat ons onderzoek op de lange termijn niet meer nuttig is. Want naast biobrandstoffen vormt de lignocellulose biomassa ook een bron van componenten voor de productie van chemicaliën.’ 

‘Natuurlijk moet je iets begrijpen om het te verbeteren, maar het toekomstig gebruik is wat mij het meest drijft.’ 

Kun je nog iets vertellen over biomassa als feedstock voor chemicaliën? 

‘Aardolie wordt nu omgezet naar energie en chemicaliën. Wij onderzoeken de productie van bio-ethanol, maar dat is naast een brandstof ook een chemisch product. Daarnaast kunnen vanaf de stoomexplosie de suikers met fermentatie naar heel veel verschillende componenten omgezet worden.’  

Waar zit de grootste commerciële waarde in? Het gebruik van biomassa in het energiedeel of de building blocks voor chemicaliën? 

‘Sowieso chemicaliën en materialen. Voor energie worden andere oplossingen gevonden, zoals elektrificatie van voertuigen.’ 

Verwacht je dat chemicaliën uit biomassa een significante rol gaat spelen? 

‘Ja, dat is nu al belangrijk. Meer en meer chemicaliën worden geproduceerd uit suikers. Elk jaar maakt de industrie grote sprongen. Het is verbazingwekkend hoe snel dat evolueert.’ 

Iets heel anders – wat drijft jou het meest in dit onderzoek? Wil je een probleem oplossen of iets begrijpen? 

‘Ik zou graag zien dat de technieken die wij ontwikkelen uiteindelijk gebruikt worden. Natuurlijk moet je iets begrijpen om het te verbeteren, maar het toekomstig gebruik is wat mij het meest drijft.’  

Wat bracht jou naar dit specifieke onderzoek? 

‘Ik ben ooit begonnen aan een opleiding chemie en ik miste iets. Ik ben overgestapt naar bio-ingenieurswetenschappen omdat het meer divers was. Daar ontdekte ik mijn passie voor het werken met micro-organismen en enzymen. Dat ik nu werk aan biobrandstoffen is meer toeval.’ 

Wat miste je bij de studie chemie? 

‘Het is de diversiteit bij de bioingenieurswetenschappen die ik aangenaam vond. In een industrieel proces gebruik je celbiologie, microbiologie, biochemie, reactoren, scheidingstechnieken… het is een legio verschillende vakken die je samen moet gebruiken om dat proces te laten werken. Ik ben blij dat ik geswitcht ben.’