Lignine geldt al lang als grote belofte, maar echte brede toepassingen ervan zijn er nog niet. Toch zetten onderzoekers nog steeds belangrijke stappen om deze stof te ontsluiten voor gebruik.
Al jarenlang hoor je goede verhalen over lignine, een van de ingrediënten van biomassa. Zo zou het een fantastische vervanger zijn voor aromatische chemicaliën met een fossiele herkomst. In de praktijk kun je het al hier en daar gebruiken, bijvoorbeeld als grondstof voor bio-ethanol of als binder in asfalt, maar de industrie ziet het vooral als lastig bijproduct.
‘Lignine is niet één stof, maar een keten van verschillende functionaliteiten’, zegt Richard Gosselink, coördinator van het Lignineplatform van Wageningen University & Research. ‘De structuur varieert, het hangt af van de soort biomassa.’ Eigenlijk is lignine dus meer een familienaam voor een grote groep macromoleculen die overblijft als reststof in de papierindustrie en biobrandstofproductie.
In die industrieën halen ze de cellulose uit biomassa en blijft de lignine over. ‘De industrie negeerde deze ligninefractie lange tijd’, zegt Steven-Friso Koelewijn, promovendus in de groep van hoogleraar katalytische bioraffinage Bert Sels aan de KU Leuven. ‘Ze verbrandt het deels voor energie, deels omdat ze niet weet wat ze ermee moet. Dit terwijl er veel waardevolle aromaten in zitten.’
Lastige structuur
De ingewikkelde structuur van lignine maakt het gebruik lastig, aldus hoogleraar duurzame chemie en katalyse aan de Universiteit Utrecht Pieter Bruijnincx. ‘We kennen de structuur van lignine in planten redelijk goed, maar zodra je het probeert te isoleren, verandert er van alles. En als je de structuur niet kent, weet je ook niet waar je moet beginnen.’ Daarom richt de groep van Bruijnincx zich niet alleen op katalytisch afbreken van lignines, maar ook op ophelderen van de chemische structuur ervan. Bijvoorbeeld die van de zogenoemde kraftlignines, het restproduct van de meest gebruikte pulptechniek in de papierindustrie. Bruijnincx: ‘We kenden maar 20 % van die structuur, maar inmiddels hebben we echt al grote stappen gezet om meer duidelijkheid te krijgen en zitten we op 45 %.’
‘Er zitten veel waardevolle aromaten in lignine’
Het Noorse papierbedrijf Borregaard is een van de bedrijven die lignine al toepast. Het gebruikt sulfiet-pulping, een andere techniek om houtpulp te verwerken. Tijdens dit proces ontstaan wateroplosbare lignosulfonaten, die kunnen dienen als binder in bijvoorbeeld asfalt en coatings. Gosselink: ‘Dat is een interessant proces, maar de meeste bedrijven gebruiken helaas geen sulfiet-pulping.’
Om de grote bulk aan beschikbare lignine nuttig te kunnen inzetten, proberen veel onderzoekers het macromolecuul als geheel toe te passen. ‘De lignine die uit de papierfabriek komt, werkt bijvoorbeeld redelijk goed als binder. Het is wel wat hydrofieler, dus proberen we de structuur aan te passen om het bruikbaar te maken’, vertelt Gosselink. Met die aanpak heeft Wageningen Food & Biobased Research al een deel van de bitumen uit asfalt kunnen vervangen door lignine (zie ook nummer 1 van dit jaar), en liggen er inmiddels vijf wegen in Nederland met een 50/50-mengsel bitumen/lignine. Daarnaast zien de onderzoekers ook toepassingen voor het macromolecuul als hars, in verpakkingen en in lijm. Gosselink: ‘We willen lignine gebruiken als vervanger voor de fenol-formaldehydelijmen in multiplex.’
Knippen
Lignine kun je gebruiken als bron voor kleine chemische bouwstenen zoals propylfenolen. Maar ook dat blijkt lastig. Bruijnincx: ‘Lignine maakt het ons moeilijk, het is bedoeld om afbraak door bijvoorbeeld schimmels te herstellen. Eigenlijk werkt het als een soort zelfhelend polymeer, de verbindingen die we proberen te knippen herstellen zichzelf.’ Toch weten steeds meer onderzoekers de mechanismes van die processen te doorgronden en beïnvloeden. ‘We kunnen nu ingrijpen door de reactieve deeltjes weg te vangen, waardoor de geknipte lignine niet meer verder condenseert’, legt Bruijnincx uit.
Die manieren om de zelfhelende werking te stoppen, werken vaak alleen goed op lignines waarvan de structuur zo min mogelijk is aangetast, bijvoorbeeld door de ‘lignine-eerst-benadering’. Met die methode halen de onderzoekers eerst de lignine uit de biomassa met een oplosmiddel die de etherbindingen klieft, zodat ligninefragmenten in oplossing komen. Daarna knipt een katalysator ze op tot aromatische bouwstenen. ‘Zo haal je veel aromaten uit de lignine’, vertelt Koelwijn. ‘Als je eerst cellulose uit de biomassa verwijdert, werkt die methode niet meer, omdat de etherbindingen dan al weg zijn.’
Eerder reduceerden onderzoekers de monomeren verder tot aan benzeen, xyleen of tolueen. Gosselink snapt dit idee, maar pakt het zelf liever anders aan. ‘Benzeen en xyleen zijn bulkmoleculen, maar volgens mij is het zonde om de functionaliteiten die de natuur in de lignine heeft gebouwd zomaar te verwijderen. Wij willen die liever gebruiken.’
Ook aan de KU Leuven behouden ze de functionaliteiten en weten ze er zelfs nog meer voordeel uit te halen, onder meer door lignine om te zetten in fenol. ‘Wij maken bisfenol A-alternatieven uit de monomeren die we uit lignine kunnen halen’, zegt Koelewijn. ‘Het doel was vooral om een groene grondstof voor dit molecuul te vinden, maar de extra methoxygroepen die aan deze monomeren zaten bleken ook nog minder gevaarlijk dan gewone bisfenol A, omdat ze minder hormonale werkingen lijken te hebben.’ Daarnaast wist Koelewijn ook polycarbonaat en polyesters te maken uit zijn biobased monomeren. ‘In principe zijn de mogelijkheden eindeloos.’
Niet genoeg verschillen
Bruijnincx ziet wel dat de producten van veel van de lignine-eerst-reacties nog vaak vergelijkbaar zijn. ‘Omdat die processen vaak op dezelfde manier werken, komen er meestal propylfenolen uit. Het zou mooi zijn als we net zoals voor de suikers in biomassa, ook voor lignine een portfolio aan producten kunnen opbouwen met meer aromaten.’
‘Het werkt als een soort zelfhelend polymeer’
De hoogste opbrengsten van de bruikbare monomeren rollen nu vooral nog uit de lignine-eerst-methode. ‘Maar de meeste lignine die uit de industrie beschikbaar komt, heeft al gereageerd en heeft dus een andere structuur’, zegt Gosselink. ‘Daar moeten we eigenlijk eerst een goede toepassing voor weten te vinden.’ Een andere optie is de industrie zover krijgen dat ze eerst de lignine uit de biomassa haalt voor ze de cellulose verder verwerkt, maar dit vergt een grote omslag. Koelewijn: ‘Tot nu toe werken de lignine-eerst-processen goed, maar op relatief kleine schaal. Als we de bedrijven willen overhalen, moeten we eerst zorgen dat die techniek op grote schaal ook werkt.’
Koelewijn denkt dat de kosten sowieso nog een grote rol gaan spelen. ‘Grondstoffen uit fossiele bronnen zijn nou eenmaal vaak goedkoper, daar kunnen wij nog niet mee concurreren.’ Maar hij ziet goede ontwikkelingen: ‘Veel overheden hebben inmiddels door dat biomassa een nuttige en vooral veel duurzamere grondstof is, en investeren in dit type onderzoek. Uiteindelijk hopen we dat we een omslag maken naar een groene economie, waar lignine een essentiële rol in moet gaan spelen.’
Gosselink denkt dat fabrikanten vanzelf overstag gaan. ‘We kunnen met al die ingebouwde functionaliteiten zelfs extra mogelijkheden toevoegen aan bestaande materialen, zoals antibacteriële eigenschappen. Dat is aantrekkelijk.’ Ook Bruijnincx ziet een zonnige toekomst. ‘We begrijpen lignine steeds beter en uiteindelijk zullen we ook echt iets met deze bouwsteen kunnen bereiken.’
Nog geen opmerkingen