Lignine is een notoir moeilijke grondstof. Toch is er de afgelopen jaren voortgang geboekt. Er zijn steeds meer ontwikkelaars van lignine. Misschien is er commercieel succes binnen tien jaar. Lux Research schreef erover.
Er moet nog veel werk worden verzet voordat producten op basis van lignine betaalbaar worden. Er zijn nog altijd moeilijkheden die moeten worden overwonnen. Zoals het verzekeren van voldoende aanvoer van lignine, met constante kwaliteit en inpasbaarheid van de uiteindelijke producten, en het verzekeren van de prestaties vergeleken met die van bestaande producten.
Strategische partnerships
Allereerst zijn lignineproducten vaak duurder dan concurrenten als cellulosesuikers. Om hieraan iets te doen zouden lignineproducenten de beschikbare bronnen van lignine moeten analyseren en karakteriseren. En lignineprocessen ontwikkelen, geschikt voor de betreffende biomassasoort. Dat houdt in het onderzoek van mogelijke processen, het aanpassen van die processen aan de vraag uit de markt, en het ontwikkelen van producten aangepast aan de vraag; ter voorbereiding op commercialisering.
Vaak is productontwikkeling echter slecht gericht op de vraag. Veel lignineproducenten hebben moeite met de ontwikkeling voor specifieke toepassingen. Dus zouden lignine-ontwikkelaars strategische samenwerkingen moeten aangaan met industrieën voor chemicaliën en materialen. Vooral met partijen met belangen in fenol-vervangers, vulmaterialen en polymeer-additieven. Op deze terreinen zijn technische ontwikkelingen heel goed mogelijk.
Wat is lignine?
Lignine is een van de meest voorkomende biopolymeren op Aarde; het is aanwezig in celwanden van vaatplanten (zoals bomen en grassen). Het is een bijproduct van het maken van pulp en papier. Jaarlijks produceren wij ca. 50 Mton aan lignine. Hiervan wordt 98% verbrand voor het maken van energie. De resterende 2% wordt gebruikt voor onderzoek naar omzetting in waardevolle producten als aromatische stoffen, chemicaliën en bioplastics. Lignine wordt veel verbrand; de verbrandingswaarde is ongeveer 20 MJ/kg – lager dan die van ethanol (~30 MJ/kg), bitumineuze steenkool (~30 MJ/kg), en propaan (~50 MJ/kg). Maar het gebruik van lignine voor andere doeleinden zou veel waardevoller kunnen zijn. Eén onderzoek schat dat lignine gebruikt voor het maken van chemicaliën ongeveer $ 1/kg waard zou zijn; vergelijk dat met slechts $ 0,2/kg bij verbranding.
De complexe en veelzijdige chemie van lignine
Lignine kan voor vele doeleinden worden gebruikt; dank zij zijn hoge koolstofgehalte en de aanwezigheid van fenolen en andere reactieve groepen. Deze maken chemische omzettingen mogelijk. Maar de structuur van lignine is afhankelijk van factoren als biomassabron, groeiomstandigheden en winnigsmethode. De verwaarding is uitdagend, door de complexe en variabele chemische structuur. Bovendien is veel nu geproduceerde lignine (met kraft- of sulfietmethoden) reactief en bruin gekleurd, en het bevat zwavel. Maar met nieuwe technieken kunnen toepassingen met hogere waarde worden bereikt. Samen met andere methoden van voorbewerking en scheiding krijgen we hoogwaardiger lignine.
Hoogwaardige toepassingen
Er zijn vele toepassingen voor lignine en afgeleide stoffen. Er is groeiende belangstelling voor het potentieel, ter vervanging van materialen uit fossiele brandstoffen. Vooral voor materialen met gelijke of verbeterde prestaties en lagere kosten.
Vulstoffen op basis van lignine
Vulstoffen op basis van lignine vormen een duurzaam alternatief voor zwartsel en minerale vulstoffen als talk en krijt. Door hun structuur kunnen vulstoffen op basis van lignine de mechanische eigenschappen van rubber verbeteren, zoals trekkracht en modulus. Ze kunnen ook de thermische stabiliteit van composieten verbeteren, waardoor deze minder snel ontleden bij hogere temperatuur; essentieel voor auto-onderdelen die worden blootgesteld aan wisselende temperaturen. Vulstoffen op basis van lignine dragen ook bij aan een lichter gewicht van auto’s, waardoor het brandstofverbruik lager wordt. Toch heeft optimaal gebruiksgemak vaak te maken met stoffen die beter samenwerken met het polymeer. Zulke extra processtappen vergen extra complexiteit en kosten, en dit kan brede aanvaarding verhinderen.
Fenolharsen op basis van lignine
Fenolharsen op basis van lignine zijn veelbelovend, vergeleken met fenolharsen op basis van formaldehyde. De aromatische structuur van lignine met zijn fenol-hydroxylgroepen maakt de volledige of gedeeltelijke vervanging mogelijk van fenolen uit aardolie bij het maken van fenolharsen. Deze harsen kunnen thermische stabiliteit en mechanische sterkte verbeteren, waardoor deze toegepast kunnen worden in houtlijm, bouwmaterialen en isolatiemateriaal. Marktkansen voor fenolharsen op basis van lignine worden groter door toelatingsbeleid dat harsen op basis van formaldehyde beperkt vanwege zorgen over de gezondheid. Toch is slechts 5-10% van de harsen op basis van lignine geschikt voor zo’n vervanging; want lignine is minder reactief, door ruimtelijke hinder en zijn heterogene structuur.
Plastic verpakkingsmateriaal op basis van lignine
Coatings en dun verpakkingsmateriaal op basis van lignine – hetzij zelfstandig of gemengd met gewone polymeren en bioplastics – staan in de belangstelling; door groeiend bewustzijn bij consumenten, regeldruk en interne bedrijfsverplichtingen. Bij toepassing van lignine kunnen watervastheid, zuurstofbarrière en mechanische sterkte verbeteren. Net zoals zijn natuurlijke antibacteriële eigenschappen en UV-barrièrewerking de duurzaamheid van verpakkingen verbeteren. Toch is het niet zeker dat de stof stabiel blijft op de langere termijn en niet terecht komt in voedsel. Er zijn minder regels voor non-food verpakkingen, zoals landbouwplastic, beschermend materiaal bij vervoer en industriële verpakkingen. Toch blijven de kosten beperkend bij grootschalige introductie; hoewel dit geleidelijk verbetert.
Cosmetica en persoonlijke verzorging
Bij cosmetica en persoonlijke verzorging kan lignine de antioxiderende werking versterken door de fenolen in zijn structuur. Deze fenolstructuren geven een natuurlijke antioxiderende en antibacteriële werking, en ze absorberen Uv-licht, waardoor lignine een waardevol product is bij huidverzorging. De antioxiderende werking van lignine komt voort uit zijn vermogen om stoffen te reinigen van vrije radicalen en daardoor producten te vrijwaren van ontleding en verval. De belangstelling voor stoffen op basis van lignine groeit, mede door regelgeving over microplastics en schadelijke chemicaliën in cosmetica. Toch is er voor opname van lignine in cosmetica een volledige beoordeling van giftigheid en voorschriften nodig. Bovendien hebben we dan lignine van hoge kwaliteit nodig, vooral bij zonnebrandolie en cosmetica, waar zuiverheid en constante prestaties vereist zijn.
Interessant? Lees dan ook:
Verwerking van lignine – uitdagingen en grenzen
Lignine vrijmaken
Duurzame lignine-PLA composieten als voedselverpakking