Vorig jaar ging Biorizon van start, een zogenoemd shared research programma opgezet door Vito en haar Nederlandse zusterorganisatie TNO op de Green Chemistry Campus in Bergen op Zoom. Het doel: ontwikkelen van rendabele technologie voor de productie van aromatische verbindingen gemaakt uit biomassa. Vito en TNO staken vorig jaar 2,5 miljoen euro in Biorizon om het onderzoek op te starten. Op dit moment worden de eerste contracten gesloten met bedrijven die betalen voor het procestechnologisch onderzoek dat in opdracht wordt uitgevoerd. Maar ook de al langer lopende onderzoeksprogramma’s voor de biotechnologische en chemische omzetting van biomassa in chemicaliën zoals het Nederlandse BE-Basic en CatchBio richten een aanzienlijk deel van hun pijlen op deze bioaromaten. Aromaten maken dan ook bijna de helft uit van de industriële  chemicaliënproductie.
Biorizon heeft de industrie gevraagd naar haar wensen wat betreft bioaromaten, vertelt Joop Groen van TNO, verantwoordelijk voor het ontwikkelen van nieuwe business binnen het programma. 'Er blijkt een enorme behoefte te zijn binnen de chemische industrie aan een nieuwe bron voor aromaten, enerzijds om te vergroenen. Maar belangrijker is dat aromaten nu worden geleverd als bijproduct van het kraken van aardolie. Het is eigenlijk een ondergeschoven kindje en daarom is het gevoelig voor grote prijsschommelingen. De chemische industrie zoekt dus naar een meer betrouwbare levering van grondstoffen en een voorspelbare prijs.'
Een belangrijke drijfveer is de olieprijs, zegt ook Richard Gosselink, senior onderzoeker van Wageningen UR. Hij is een van de experts als het gaat om het maken van bioaromaten uit lignine en via het Wageningse Lignineplatform betrokken bij het CatchBio programma. 'Het kraken van oliefracties levert aromatische verbindingen op die de chemische industrie gebruikt. Zolang de olieprijs laag is, is er geen behoefte aan een nieuwe grondstof voor de chemische industrie. Maar dat is de afgelopen vijf, zes jaar met een stijgende olieprijs duidelijk veranderd.'
 
Pulp
Er zijn grofweg twee grondstofstromen voor bioaromaten samen ook wel lignocellulose genoemd: cellulose en dan vooral de suikers waaruit dit polymeer is opgebouwd. En lignine, een sterk vertakt polymeer van aromatische bouwstenen dat cellulose in planten bij elkaar houdt. Het is na cellulose de meest voorkomende organische verbinding op aarde, maar ook een heel weerbarstige.
Lignine bestaat uit drie bouwstenen p-coumarylalcohol, coniferylalcohol en sinapylalcohol. Tussen verschillende houtsoorten zijn er grote verschillen in samenstelling. Zo is lignine uit naaldhout vooral opgebouwd uit coniferylmonomeren, lignine in grasachtige gewassen bevat juist meer p-coumaryl.
“Lignine is interessant omdat dat op grote schaal beschikbaar komt”, zegt Gosselink. De grootste leverancier is de pulp- en papierindustrie die meer waarde wil creëren uit hun reststroom. 'Je ziet dat deze bedrijven verschuiven van pulpfabriek naar bioraffinaderij,' zegt Gosselink. Ze produceren niet alleen cellulose maar ook lignine. Deze papierpulp kan ook als grondstof dienen voor waardevolle aromatische verbindingen.
Volgens Gosselink wordt de productie van onder andere bioaromaten op termijn de drijvende kracht voor het gebruik van lignine. 'Chemicaliën leveren een grote meerwaarde, tot wel 1.000 euro per ton. Lignine als brandstof levert maar 50 euro per ton op. Bovendien is de huidige markt voor aromaten behoorlijk groot. Van benzeen, tolueen en xylenen (BTX) en fenol is zo'n 100 miljoen ton per jaar nodig voor het maken van allerlei bouwstenen voor onder andere polymeren.' Fenolen en BTX zijn belangrijke bouwstenen, bijvoorbeeld voor fenolharsen, polycarbonaat of fenylamine, bouwsteen voor kleurstoffen.
 
Vanille
Het afbreken van het ligninenetwerk vereist nog wel een 'robuuste methode' aldus Gosselink. Binnen het CatchBio programma ontwikkelden de Universiteit Utrecht en Wageningen UR bijvoorbeeld methoden waarbij lignine wordt opgelost in water of in een mengsel van water en ethanol. Bij bewerking bij een temperatuur van 250 °C en een druk van enkele tientallen bar zorgt een edelmetaalkatalysator voor afbraak van het netwerk. In Utrecht wordt ook waterstofgas toegevoegd, in Wageningen doen ze dat liever niet. Gosselink: 'Lignine is reactief. Als je het in stukjes breekt kunnen die weer recondenseren. Waterstof voorkomt dat en zorgt er ook voor dat je de grote hoeveelheid zuurstofatomen in de moleculen vermindert. Dat is beter voor de eindproducten. Maar wij gebruiken geen waterstof omdat het goedkoper is zonder.'
Zo'n twintig procent van de lignine wordt omgezet in een mengsel van twintig verschillende bruikbare aromatische verbindingen. De helft van die opbrengst betreft één verbinding, zegt Gosselink. Welke kan hij niet zeggen vanwege lopende patentaanvragen, maar typische producten zijn guaiacol en vanilline. Van die laatste, de smaakstof vanille, wordt wereldwijd al zo'n tien procent uit lignine geproduceerd via andere chemokatalytische routes. 'De conversie en opbrengst die wij halen is een stap in de goede richting, maar het moet nog aanzienlijk verbeterd worden. Uiteindelijk denk ik dat we er met een een- of tweestapsproces niet zijn.'
 
Colaflessen
Frisdrankverpakking PET, gemaakt van tereftaalzuur, dat op zijn beurt weer gemaakt kan worden uit BTX, is een geliefd doel voor de bioaromaat-onderzoekers (zie C2W14, 2012). Dit polymeer is  het derde grootste petrochemische polymeer ter wereld met een productievolume van 65 miljoen ton per jaar.
Binnen het BE-Basicprogramma wordt gewerkt aan een productieroute om met micro-organismen  C6-suikers zoals glucose om te zetten in furaandicarbonzuur (FDCA), een vervanger van tereftaalzuur die er erg op lijkt. Van FDCA kun je dan ook een bio-vervanger maken van PET, PEF gedoopt.  Zoals chemiebedrijf Avantium als eerste aantoonde heeft FDCA betere eigenschappen dan PET, het laat minder zuurstof en kooldioxide door, wat gunstig is wanneer je er verpakkingsmateriaal voor voedingsmiddelen van maakt. Bovendien is het materiaal steviger dan PET. Avantium ontwikkelde een manier om van C6-suikers FDCA te maken. Zij gebruiken een tweestapsproces met chemische katalysatoren (zie C2W20 2012) dat onder meer draait in een pilot-fabriek in Geleen. Avantium werkt tevens samen met Wageningen UR voor het ontwikkelen van nieuwe processen op dit gebied.
 
Patent
“Een mooi voorbeeld van processen die op de markt zullen komen is de omzetting van suikers naar specialty aromaten,” denkt Joop Groen.”Die specialties heb je  letterlijk in honderden verschillende verbindingen.' Biorizon zal dit jaar de experimenten in hun continue reactoren opschalen naar kiloschaal. De routes voor deze processen worden op dit moment gepatenteerd.
Ook bij Wageningen UR is een toepassing al bijna gereed: een lijm gemaakt uit lignine. Gosselink laat een stukje multiplex zien dat verlijmd is met een polymeer van aromatische verbindingen dat uit lignine is gemaakt. 'Lignine is van zichzelf al een soort lijm die de cellulose in de plant bij elkaar houdt. Voor de toepassing als lijm voor multiplex wordt het ligninenetwerk voor een deel afgebroken. Voor het lijmen voegen we een verharder toe en vormt zich weer een netwerk van aromatische verbindingen.'

Dit artikel werd gepubliceerd in C2W6 - 11 april 2014