Volgens de brandstoffenrichtlijn van de Europese Unie moet dit jaar twee procent van de fossiele brandstoffen voor vervoer worden vervangen door biobrandstoffen. In 2010 moet dat 5,75 procent zijn. Dat kan door benzine te vervangen door bio-ethanol: ethanol gemaakt door vergisting van graan of andere landbouwproducten. Het bijmengen van bio-ethanol in benzine gebeurt al in onder andere Zweden, Duitsland, Canada, Brazilië en de VS. Het kost meer dan benzine, maar de regeringen van deze landen stimuleren het gebruik door belastingverlagingen.
Onuitputtelijk
Alcohol maken uit granen is ouder dan de weg naar Rome. In 4000 voor Christus bestond in Babylonië een recept voor de bereiding van een zwak-alcoholische drank uit graan. Alcohol als brandstof dateert uit begin vorige eeuw. Henry Ford van het bekende automerk liet als eerste zijn T-model auto op ethanol lopen.
Bio-ethanol geldt als een schone en hernieuwbare brandstof, omdat er CO2 wordt opgenomen door gewassen waarvan brandstof wordt gemaakt. De CO2 die vervolgens vrijkomt bij de verbranding wordt weer opgenomen door gewassen en de cirkel is rond.
De productie van bio-ethanol op grote schaal vindt momenteel plaats in bijvoorbeeld de VS. Ook België heeft plannen om in 2007 een fabriek voor bio-ethanol te starten van het bedrijf Alco Bio Fuel. Deze fabriek zal voornamelijk Belgisch graan als grondstof gebruiken maar moet ook kunnen draaien op maïs of melasse. In deze gewassen zit veel glucose. Dat kan eenvoudig worden geëxtraheerd en vervolgens gefermenteerd met bakkersgist tot alcohol.
Volgens een studie van adviesburo Ecofys levert het gebruik van bio-ethanol veertig tot zestig procent reductie in de uitstoot van kooldioxide ten opzichte van benzine. Want al zijn maïs en suikerbiet hernieuwbare grondstoffen, het ploegen, bemesten, zaaien, oogsten, transporteren en vooral fermenteren en destilleren kost fossiele brandstof. Bovendien kost het veel ruimte om de gewassen te verbouwen. De concurrentie tussen voedsel en energievoorziening vertaalt zich in een concurrentie om landbouwgrond. Is het ethisch verantwoord om voedsel te verbranden voor vervoer?
Spijkerbroeken
Het voedseldilemma vervalt bij het gebruik van landbouwafval zoals stro, houtsnippers, bietenpulp of maïshaksel. Alleen zitten er in het afval geen losse suikers zoals glucose, maar cellulose en hemi-cellulose, polymeren van suikers. Er is een enzym nodig om de suikers hieruit vrij te maken. Het Canadese bedrijf Iogen werkt aan zo'n enzym, dat nodig is voor de eerste stap in het productieproces van bio-ethanol uit afval (zie kader 'Ethanol uit afval').
Iogen maakt enzymen voor de productie van pulp, papier, diervoeding en textielbehandeling. In de jaren negentig kwamen Iogen-researchers op het spoor van een 'superenzym' dat alle soorten groen rechtstreeks kan omzetten in suikers, waarna ze gefermenteerd kunnen worden tot ethanol. Iogen Energy is in 1997 met investeringen van Shell opgerichting. Herman van Wechem, Technology Manager Innovation and Research bij Shell Global Solutions vertelt over dit project. 'Shell wil geen voedsel uit de keten halen, dus concentreren wij ons op het maken van biobrandstoffen uit afvalstromen. Iogen werkte aan een proces om ethanol uit stro te maken. We hebben toen een overeenkomst gesloten om mee te betalen aan de ontwikkeling van dit proces. Onder andere is daarmee de proefinstallatie in Ottawa afgebouwd. Deze draait sinds april 2004.'
Stro vormt de voeding van de proeffabriek. De balen van elk vierhonderd kilo worden gemalen en met zoutzuur wordt de structuur afgebroken. Het haksel wordt in vijf verdiepingen hoge ketels gekookt in een waterige oplossing met een enzym van de schimmel Trichoderma reesei, dat speciaal is ontwikkeld voor dit proces. Het is afgeleid van een enzym dat wordt gebruikt om spijkerbroeken te bleken.
Ver gezocht? 'Nee hoor, dat valt wel mee,' zegt van Wechem. 'Een nieuwe spijkerbroek krijgt zijn 'oude' uiterlijk door te wassen met stenen. Er ontstaan dan mechanische breukvlakken op de vezels. Het enzym verandert de structuur op die breukvlakken waardoor ze makkelijker bleken. Dat lijkt erg op de afbraak van de gemalen strovezels.'
Na dit proces blijft lignine achter als vaste stof. Dit dient na droging als brandstof voor de ketels. Van Wechem: 'De lignine is voldoende voor de totale energievoorziening. We hoeven dus geen energie te importeren.' De CO2-balans van het Iogen-proces is daarmee voor meer dan negentig procent neutraal.
Olifantenpoep
Na het vrijmaken van het suikermengsel uit vezels, vormt het vergisten van de suikers de tweede stap bij de productie van bio-ethanol (zie infographic). Gewone bakkersgist kan het suikermengsel van pentosen en hexosen niet omzetten in ethanol, daarvoor is een speciale gist nodig. De Nederlandse ethanolproducent Nedalco zocht naar een geschikte gist in samenwerking met de Radboud Universiteit Nijmegen en de TU Delft.
Martin Weissmann, manager Bioethanol van Nedalco vertelt hoe die gist tot stand gekomen is. 'Sommige dieren zoals de olifant eten hout. In hout zit veel cellulose en hemi-cellulose dus moet er een mechanisme zijn waardoor de olifant dit kan verteren. Onderzoekers van de groep van dr. Huub Op den Camp van de RUN hebben bij een olifant een schimmel in de darmen gevonden die hout afbreekt als voorfase voor de vertering. Uit deze schimmel hebben zij het gen geïsoleerd dat codeert voor de afbraak van xylose. Vervolgens heeft het bedrijf BIRD Engineering uit Schiedam dit gen ingebouwd in een gewone bakkersgiststam. Na uitgebreid selectieonderzoek in anaerobe fermentoren door de groep van Prof. Dr. Jack Pronk van de TU Delft bleek de giststam toen xylose én glucose te kunnen fermenteren onder anaerobe condities. De omzetting had een hoge opbrengst maar een lage snelheid. Hierna zijn een aantal gist-eigen genen tot overexpressie gebracht om de snelheid te verhogen. Zo kan de giststam xylose vergisten op een industrieel aantrekkelijke snelheid met een rendement even hoog als op glucose.'
Volgens Weissmann gebruikt Iogen ook een speciale giststam die echter alleen onder aërobe omstandigheden goed werk verricht. 'Industriële fermentatie kan alleen onder anaërobe omstandigheden plaatsvinden. Zo'n anaërobe gist heb je dus echt nodig.'
Nedalco start net als Iogen binnenkort met een proeffabriek. Weissmann: 'We hebben plannen voor een fabriek die ethanol gaat maken uit melasse en de reststroom van een tarwefabriek. Deze fabriek moet in 2007 operationeel zijn. Daarnaast komt er een pilotplant waarin we onderzoeken of het proces met de nieuwe gist op grotere schaal haalbaar is. Als beide goed werken verwachten we in 2011 de fabriek te laten lopen op landbouwafval, zoals tarwegries en bietenpulp.'
De fabriek van Nedalco zal jaarlijks 200 miljoen liter ethanol kunnen produceren. Om volgens de richtlijn twee procent van alle Nederlandse benzine te vervangen door bio-ethanol is ongeveer 160 miljoen liter nodig. Er blijft dus nog wat over voor de export. Om in 2010 de 5,75 procent norm te halen zou in Nederland 500 miljoen liter ethanol nodig zijn, en 1,3 miljoen ton biomassa als grondstof. Op dit moment wordt in Nederland jaarlijks 6 tot 7 miljoen ton landbouwafval geproduceerd dat geschikt is voor ethanol productie. Weissmann: 'Op termijn zijn in Nederland twee tot drie fabrieken nodig, in Europa ongeveer zestig. De verwachting is dat zich er zeven tot negen in Nederland zullen vestigen vanwege de gunstige locatie bij de havens. Bio-ethanol is niet alleen goed voor het milieu, maar kan ook een belangrijke impuls aan de Nederlandse economie geven.'
Ruimtevreter
De uiteindelijke productie-units van het Canadese bedrijf Iogen gaan ongeveer 250 miljoen dollar kosten en kunnen ruim 700.000 ton stro per jaar verwerken. Dat betekent per werkdag meer dan honderd trucks aan de poort met elk vijfentwintig ton lading. Uit deze hoeveelheid stro kan 150 tot 180 miljoen liter ethanol worden geproduceerd.
De enorme hoeveelheden grondstof maken duidelijk dat Iogen-fabrieken 'flink in de ruimte' moeten zitten. Het tijdschrift Shell Venster van februari 2005 berekent dat in een straal van zeventig kilometer rond de fabriek vijfentwintig tot veertig procent van het land moet zijn bebouwd met granen. Die ruimte is er wel in Canada en de VS, maar niet in Nederland. Van Wechem verwacht dan ook niet dat het Iogen-proces binnenkort naar Nederland komt: 'Ik wil het niet uitsluiten voor de toekomst, maar onze fabriek heeft een groot landbouwgebied nodig voor voldoende grondstoffen. Dan komt Nederland in eerste instantie niet in aanmerking.'
Ook Weissmann vindt het logisch dat Iogen stro gebruikt als grondstof. 'Stro is ruim voorhanden in Canada, maar in Nederland hebben we daar niet genoeg van. Wij produceren in de graan- en suikerindustrie miljoenen tonnen co-producten, vooral bietenpulp en tarwegries. Dat gaat meestal naar de varkensindustrie. Maar de laatste jaren is de veestapel met een vijfde gekrompen en we verwachten dat die daling doorzet. De afzet van co-product daalt en daarmee daalt de prijs. We hebben dus een goede aanvoer van non-food grondstoffen voor bio-ethanol. Ik denk niet dat dit voor de rest van Europa zal gelden. Het is echt een Nederlands en Belgisch verhaal.'
Accijns
De kosten van ethanol uit stro bedragen nu ongeveer 1,20 tot 1,40 euro per liter. Het adviesbedrijf Ecofys heeft in een studie uit 2003 uitgerekend dat pure bio-ethanol uit tarwe of suikerbieten ongeveer 0,60 euro per liter zal kosten, mits er geen accijns over hoeft te worden betaald.
Volgens Weissmann is er per liter benzine één eurocent compensatie nodig, bijvoorbeeld in de vorm van accijnsdifferentiatie. Daarover moet het kabinet de komende maanden beslissen. De bouw van de proeffabriek van Nedalco hangt ervan af. Weismann: 'Als het accijnsbeleid duidelijk is kunnen olieproducenten bepalen of het gebruik van bio-ethanol voor hen aantrekkelijk is. Zo ja, dan kunnen wij net als andere alcoholproducenten in Europa bio-ethanol aanbieden. We hopen en verwachten dat wij daarin een competitieve positie hebben.'
Het volledige artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad no. 12, 16 juli 2005, en in Mens en Molecule september 2005.
