Verwerking van lignine – uitdagingen en grenzen

Lignine komt het minste voor van de drie belangrijkste bestanddelen van hout. De laatste twintig jaar is er veel onderzoek gedaan naar verwerking van lignine. Tot nu toe zonder veel resultaat. Moeten we onze focus verschuiven?

Dit is het tweede van twee artikelen over verwaarding van lignine. De artikelen verschenen op 15 augustus en 22 augustus 2022.

verwerking van lignine
Structuur van lignine. Beeld: Gordana Petronijevic, Wikimedia Commons. Klik om te vergroten.

Lignine, een ingewikkelde stof

De papier- en kartonindustrieën maken veel lignine. Want als we de cellulose uit hout gebruiken, eindigen we met een hele stapel lignine. Wat kunnen we ermee doen? Doordat industriële processen vooral gericht zijn op cellulose, is de resulterende lignine van lage kwaliteit. Vooral gebruikt voor het maken van energie. Dus: verbrand. Terwijl lignine een heel interessante structuur heeft. Zouden we daar geen betere toepassingen van kunnen ontwikkelen?

Maar vanaf het begin stelt de grote verscheidenheid aan chemische bindingen in lignine – zowel koolstof-koolstof bindingen en etherbindingen – ons voor grote problemen. Milde ontleding, vooral gericht op de etherbindingen, geven ons een zeer stabiel restproduct dat alleen geschikt is voor verbranding. Bij een steviger aanpak, bijvoorbeeld met hoge temperaturen, ontleden we de hele structuur en blijft BTX over (een mengsel van benzeen. tolueen en xylenen); daaruit kunnen we wel weer interessante stoffen maken. Dit lijkt sterk op het kraken van ruwe olie; daar kunnen we uit eenvoudige stoffen een hele petrochemische industrie opbouwen. Maar bij lignine ligt dat anders. Zoiets levert hier geen betaalbare producten. Uiteindelijk wordt maar een paar procent van de lignine verwerkt, de rest wordt verbrand.

Nieuwe benaderingen

De laatste jaren hebben onderzoekers meer subtiele middelen ontwikkeld voor verwerking van lignine. Hoewel we nog niet zo ver zijn dat chemische behandeling van hout wat oplevert. ‘Tegenwoordig,’ aldus Hongli Zhu et al. in Chemical Review, komen er meer toepassingen doordat we meer inzicht krijgen in het samenspel van structuur, chemie en eigenschappen van hout en houtachtige materialen.’ Zij voorzien ‘heel veel nieuwe en spannende toepassingen… (zoals) groene elektronica, biologische apparaten, energieopslag en bio-energie.’ Maar tot nu toe zijn er nog maar weinig industriële toepassingen.

verwerking van lignine
Alle lignine komt uit hout. Foto: Hinnerk, Wikimedia Commons.

Zhuohua Sun et al. in Chemical Review vinden ook dat verwerking van lignine als onderdeel van lignocellulose een uitdaging vormt. Maar, zo schrijven zij, de laatste tijd komen er steeds meer creatieve oplossingen in katalytische of biokatalytische ontleding met voldoende opbrengst en goede producten. Door doorbraken op deze terreinen kunnen onderzoekers nu zuivere stoffen maken in goede hoeveelheden. Ze schrijven dat een aantal van die methoden van verwerking van lignine veelbelovend zijn. Maar opnieuw, hoewel de kennis sterk is toegenomen, komen er nog geen commerciële toepassingen tevoorschijn.

Lignine, een aantrekkelijke grondstof

Ook Roberto Rinaldi et al. in Angewandte Chemie International Edition beschouwen lignine als ‘een aantrekkelijke grondstof voor de gerichte verwaarding tot brandstoffen, composieten, synthetische bouwstenen en waardevolle stoffen voor het maken van bijvoorbeeld medicijnen.’ Maar ‘hoewel deze veel mogelijkheden biedt voor de brandstof- en chemische industrieën, blijft lignine het minst toegepast van de biopolymeren in hout.’ Voor effectieve verwerking van lignine moeten we een aantal ‘upstream processen’ (zoals genetische bewerking, isolatie van lignine en ‘vroege katalytische omzetting van lignine’); en ‘downstream processen’ (d.w.z. depolymerisatie en opwerking). Om dit te bereiken moeten we vele beschikbare wetenschappelijke disciplines toepassen.

Het is opmerkelijk dan de auteurs genetische modificatie noemen in dit verband. We zouden deze kunnen gebruiken om de polymeer homogener te maken, met een hogere opbrengst van interessante producten; of om het aandeel gemakkelijk te splijten bindingen groter te maken. Dat zou voor de toekomst nieuwe perspectieven kunnen openen. Maar op het moment worden deze processen niet industrieel toegepast.

Downstream verwerking van lignine

Laten we bij wijze van voorbeeld kijken naar de paragraaf Catalytic Downstream Processing Technologies van dit artikel, d.w.z. pogingen om waarde te halen uit het afvalwater van bestaande industriële processen. Bij milde reactie-omstandigheden is het probleem dat de ontledingsproducten van lignine nog vrij complex zijn. Bij meer intensieve bewerking zal er een mengsel ontstaan van vele stoffen, die wij moeten scheiden; een moeilijke klus.

Of we zouden lignine geleidelijk kunnen depolymeriseren in een aantal stappen. Dit is alleen maar betaalbaar als de reactieproducten in de orde van fijnchemicaliën zijn, qua opbrengst; en zelfs dan zou de winst teniet gedaan kunnen worden door de kosten van katalysatoren en reagentia. En zelfs als het pad goed uitvoerbaar lijkt, kan schaalvergroting nog roet in het eten gooien.

Depolymerisatie van lignine

Daarna beschrijven de auteurs een ‘gereedschapskist’ van methoden om lignine te ontleden, onder uiteenlopende omstandigheden. Bij chemische depolymerisatie ontstaat een mengsel van stoffen dat verder opgewerkt moet worden. Allemaal vergelijkbaar met de behandeling van ruwe olie, waarbij eveneens verschillende mengsels ontstaan al naar gelang de omstandigheden. Het verschil is wel dat het kraken en verder bewerken van ruwe olie goed onderzocht is; en heeft geleid tot bekende processen en apparatuur. Maar de verwerking van lignine staat nog in de kinderschoenen en moet verder worden ontwikkeld. Zo’n proces zal leiden tot fijnchemicaliën, bulkchemicaliën en een fractie die alleen nog maar gebruikt kan worden door verbranding.

Net als de tot nu tyoe besproken auteurs beschouwen Brianna M. Upton en Andrea M. Kasko in Chemical Review biomassa als de meest toegankelijke en meest duurzame vorm van koolstof. De meest logische grondstof voor vervanging van chemicaliën en materialen die we maken uit aardolie. ‘Het veld van polymeren en kunststoffen uit lignine is in de afgelopen 10 jaar sterk gegroeid, maar deze groei is nog niet op zijn einde…. Door de combinatie van deze ontwikkelingen zullen we kunststoffen gaan ontwikkelen die niet alleen kunnen concurreren met het bestaande aanbod, maar die ook duurzamer zullen zijn.’ Maar ook hier geldt: de vooruitzichten zijn aantrekkelijk, maar er liggen vele obstakels op de weg er naartoe.

cis,cis muconzuur
Cis,cis muconzuur

Groene processen

Tot nu toe hebben we het gehad over katalyse als middel voor de verwerking van lignine. Mara groene processen zijn misschien beter. Geïnspireerd door de natuur. Misschien, zo schrijven Rinaldi et al., zouden we te rade moeten gaan bij de manier waarop de natuur zulke problemen aanpakt. Micro-organismen kunnen een ingewikkelde grondstof verwerken tot een beperkt aantal stoffen. Zo’n organisme is Pseudomonas putida, een bacterie die in de grond leeft. In bepaalde omstandigheden kan deze bacterie een aantrekkelijke opbrengst produceren van cis,cis-muconzuur, waaruit we nylon-6,6 kunnen maken. Andere micro-organismen leveren vergelijkbare huzarenstukjes.

‘Het leuke is dat dit onderzoek de natuur nadoet, terwijl de natuur lignine óók helemaal niet zo goed kan afbreken,’ zegt Bert Weckhuysen tegen NRC. Hij is hoogleraar anorganische chemie en katalyse aan de Universiteit Utrecht. ‘Een dode boom rot maar heel traag, die kan jaren blijven liggen. De vraag is dus: kun je de afbraak efficiënter dan de natuur doen?’

Verkeerde benadering?

Vooral de katalytische benadering van de verwerking van lignine lijkt erg reductionistisch. Ontwikkeld met processen in de petrochemie in het achterhoofd. Als we nu maar de ingewikkelde grondstof zouden kunnen afbreken tot eenvoudige moleculen, dan zouden we in deze gedachtengang met bekende syntheses kunnen komen tot ingewikkelder en waardevoller moleculen. Maar misschien is het hele idee wel verkeerd. Misschien leidt in dit geval het reductionisme niét tot economisch levensvatbare projecten. Misschien zouden we de zaak meer holistisch moeten benaderen. Een proces waarbij we direct oversteken van de éne ingewikkelde structuur naar een andere. ‘Horizontaal oversteken, of beter nog, de bestaande complexiteit in een hogere complexiteit omzetten, met betere of nieuwe toepassingsmogelijkheden.’

Hoewel er veel werk is gedaan door slimme onderzoekers en goede laboratoria, heeft lignine zijn geheimen nog niet prijs gegeven. Ja, we weten er nu veel meer van. Maar er zijn niet heel veel toepassingen van deze reductionistische benadering gekomen. Zou lignine laten zien dat in sommige gevallen het geheel méér is dan de som der delen? In dat geval zouden we er goed aan doen, lignine uit de papierindustrie niet meer aan te vallen met een voorhamer.

Lignine als bouwmateriaal

Volgens Wikimedia Commons vult lignine de ruimtes op in de celwand tussen cellulose, hemicellulose en pectine, vooral bij transportvaten en weefsel dat stevigheid biedt. Het speelt een belangrijke rol bij het transport van water en voedingsstoffen in plantenstengels. Anders dan cellulose en hemicellulose is lignine waterafstotend; daardoor geleiden vaten met wanden met veel lignine het water beter. Bovendien is lignine grotendeels verantwoordelijk voor de sterkte van het hout. Tenslotte is de stof goed bestand tegen aanvallen van ongedierte, doordat de stof chemisch zo stabiel is.

Al deze eingenschappen zijn belangrijk bij bouwmaterialen gebruikt door de mens. Zonder deze eigenschappen zouden we geen hout kunnen gebruiken bij de bouw. Zouden we daar dan niet goed gebruik kunnen maken bij zuivere lignine? We weten bijvoorbeeld dat lignine een verschillende structuur heeft in uiteenlopende houtsoorten. We kunnen bijvoorbeeld simpel ‘horizontaal oversteken’ van zachthout (waar lignine veel vrije hydroxylgroepen bevat) naar hardhout door behandeling met azijnzuuranhydride of furfurylalcohol.

Verwerking van lignine tot grasfalt

Dus als we niet meer vasthouden aan het idee dat we lignine moeten bewerken, zouden we heel goed terecht kunnen komen bij een methode van bioraffinage waarbij lignine zelf (van een zekere kwaliteit) een van onze eindproducten is. Eén zo’n mogelijk eindproduct is ‘grasfalt’. Zoals de naam al zegt, een groen alternatief voor asfalt. Het is al bewezen dat lignine een goede vervanger is voor bitumen, onderdeel van asfalt en gemaakt uit aardolie. Howel lignine nog niet veel als zodanig is gebruikt. Ten eerste doordat we nog een proces moeten ontwikkelen dat lignine met de juiste kwaliteit en tegen een concurrerende prijs maakt. En zelfs al hebben we dit probleem overwonnen, dan nog hebben wegen met alleen lignine nog niet de juiste kwaliteit; zodat we tot nu toe werken met mengsels van bitumen en lignine. Maar dit zijn technische problemen die we kunnen overwinnen.

Momenteel gebruiken onderzoekers ligine uit miscanthus, een snelgroeiend gras dat we jaarlijks kunnen oogsten. Door een lagere verwerkingsdtemperatuur bespaart dit proces 2 m3 aardgas per ton asfalt. En natuurlijk vangt miscanthus ook CO2. Of we kunnen ook het idee van het ontleden van hout helemaal laten vallen; en uitkomen bij een multi-bruikbaar bouwmateriaal, gewoon door ‘horizontaal over te steken’.

Conclusie

In verschillende bomen en gewassen heeft lignine heel verschillende eigenschappen. Als we lignine willen gebruiken voor constructiedoeleinden, moeten we er meer over te weten komen. Wat voor soort lignine heeft de beste eigenschappen voor welk soort toepassing? Kunnen we door genetische modificatie van een boom de structuur van zijn lignine veranderen? Liefst een lignine die we beter kunnen verwerken? Zijn er kleine ingrepen waardoor we de eigenschappen van lignine net kunnen aanpassen? Of zouden we onze aandacht moeten verschuiven van lignine naar hout – en ons moeten toeleggen op betere eigenschappen van dit materiaal? Hier ligt een heel groot veld voor onderzoek. Waardoor we een holistische benadering nodig hebben, in plaats van onze traditionele reductionistische benadering.

Geschreven samen met Diederik van der Hoeven.

Interessant? Lees dan ook:
Hout verduurzamen
Industrieel hout, de nieuwe technologie
Bio-bitumen voor de wegen van de toekomst

(Visited 401 times, 1 visits today)

Plaats een reactie