Scheiding en zuivering vormen essentiële processen bij de productie van bio-based chemicaliën. Een uitdaging, want bio-based componenten kunnen alleen bij milde condities worden bewerkt. Onderzoekers en ingenieurs proberen deze uitdagingen te overwinnen, en tijdens de EFIB-bijeenkomst in Glasgow, afgelopen oktober, passeerden verschillende innovatieve scheidingstechnieken de revue.
Laboratoriumtechnieken gebruiken op industriële schaal
Anthony Lloyd van multinational Novasep, een bedrijf dat is gespecialiseerd in nazuivering voor de life-sciences en voor de chemische industrie, behandelde twee case studies. Het bedrijf ontwikkelt scheidingstechnologie en heeft twee technieken opgeschaald van laboratorium tot industriële toepassing: ionenwisseling en chromatografie. Ionenwisseling wordt gebruikt om specifieke componenten uit een vloeistof te verwijderen, en chromatografie om een mengsel van verschillende stoffen te scheiden. Het probleem is dat deze technieken steeds onvoordeliger worden met toenemende concentraties of toenemende volumes, zoals bij industriële toepassingen.
Lloyd rapporteerde een voorbeeld van een zuiveringsproces om xylose uit hout-hydrolysaat te produceren; de niet-haalbare ionenuitwisseling werd vervangen door zuivering met chromatografie. Omdat een batch-chromatografieproces niet geïndustrialiseerd kan worden, ontwierp Novasep een continu chromatografieproces. Dat blijkt goedkoper en heeft een verbeterde procescapaciteit. Ze claimen een xylose-productie van bijna 100 ton/dag, en een opbrengst van 90%.
Een tweede voorbeeld genoemd door de heer Lloyd betrof filtratie en zuivering van een fermentatie-cocktail. Novasep legde uit dat het scheidingsproces gebruik maakt van keramische membranen, waarna een continue ionenwisseling een gezuiverd product met een opbrengst van >99% levert. Voor zowel het chromatografieproces als voor dit tweede voorbeeld claimt Novasep lagere operationele kosten (OPEX) door betere benutting van de geïnstalleerde procescapaciteit en zuiniger gebruik van chemicaliën en water.
Zuivering door een nieuwe kristallisatiemethode
Nu al wordt kristallisatietechnologie in scheidingsprocessen in de industrie breed toegepast. Corbion gebruikt deze technologie bijvoorbeeld om verschillende kwaliteitsklassen van hun polymelkzuur (PLA, polylactic acid) te produceren. Het toegepaste kristallisatieproces bepaalt de uiteindelijke temperatuurbestendigheid van het verkregen PLA-polymeer.
Het Nederlandse SoliQz, gevestigd in Rotterdam, combineert kristallisatie met een waskolom voor zuivering en winning van een heel scala aan bio-based chemicaliën. Ze karakteriseren kristallisatie als ‘…door de hoge selectiviteit, het lage energieverbruik en milde bedrijfsomstandigheden, één van de meest veelbelovende technologieën voor bio-based chemicaliën met een hoge zuiverheid.’ Door het type kristallisatie afhankelijk van de fysische en chemische eigenschappen van de chemicaliën te kiezen, claimen ze tegen lage kosten een productieproces voor bio-based producten met een hoge zuiverheid beschikbaar te hebben. Volgens SoliQz kunnen ze met een door TNO ontwikkelde methode voor smeltkristallisatie de procesopbrengst verhogen. Het bedrijf claimt ‘polymer-grade’ producten te kunnen produceren. SoliQz maakt gebruik van kristallisatiekennis van Armstrong-Chemtec Group, een technologiebedrijf gespecialiseerd in warmteoverdracht in chemische productieprocessen, en eigenaar van SoliQz. Om haalbaarheidstesten uit te voeren heeft SoliQz sinds juni 2016 bij de Plant One faciliteit in Rotterdam de beschikking over een eigen pilot plant.
Andere scheidingstechnologieën
SoliQz kenschetst scheiding en zuivering als de brug tussen omzetting en toepassingen. Ook Nova Pangaea Technologies benadrukte dat binnen hun Refnova-proces efficiënte scheiding de sleutel is voor het produceren van zogenoemde anhydrosuikers. Het Nova Pangaea proces maakt de complete fractionering mogelijk van lignocellulose, hoofdzakelijk in anhydrosuikers, waarvan levoglucosan het belangrijkste product is. Maar niet alle presentaties tijdens de EFIB die innovatieve productie van bio-based chemicaliën als onderwerp hadden gingen in op het belang van scheidingstechnologie. Toch werd er een breed spectrum aan scheidingstechnologieën gepresenteerd.
Het Belgische Vito, een Vlaamse onderzoeks- en technologieorganisatie, noemde hun inspanningen om enzymatische organische esters oplosmiddelvrij te synthetiseren. Esters worden breed toegepast in de industrie. Om het water dat van het productieproces overblijft te verwijderen gebruikt Vito hydrofiele pervaporatie. Deze techniek gebruikt membranen om minimale hoeveelheden van een stof uit vloeibare mengsels te verwijderen. Het betreft een zeer mild proces, en is daarom zeer effectief voor het scheiden van mengsels die onvriendelijkere omstandigheden niet zouden overleven. Een ander voorbeeld zoals door Vito gerapporteerd, betreft een droogmiddel (een desiccant) om direct overbodig water uit een reactiemengsel te kunnen verwijderen, waardoor zij een hogere omzettingsgraad behalen. Een droogmiddel verwijdert water door het te absorberen; een bekend voorbeeld zijn de kleine zakjes silicagel die met bepaalde consumentengoederen zijn meeverpakt.
Het Franse bedrijf Global Bioenergies past een andere benadering toe door suikers direct tot gasvormig isobuteen te fermenteren. Bij dit proces accumuleert het product niet in de fermentatie-cocktail, en wordt een giftige omgeving voor de gebruikte bacteriestam voorkomen. Door gebruik te maken van bewezen petrochemische processen kan het isobuteen daarna uit het fermentatiegas worden geïsoleerd.