Van aspiratie naar winstgevendheid: productie van biochemicaliën door bioraffinage
23 Nov 2020
Bioraffinage is een kritische steunpilaar van de groeiende bio-economie en betreft het omzetten van biomassa in verschillende biogebaseerde producten en componenten die vervolgens worden gebruikt in diverse sectoren, waaronder de chemische industrie. Door hernieuwbare hulpbronnen te benutten verlaagt de industrie, met inbegrip van het groeiende segment van biogebaseerde chemicaliën, haar CO2-voetafdruk. Met deze hulpbronnen worden namelijk nieuwe innovaties ontwikkeld die het gebruik van fossiele grondstoffen terugdringen.
Door bioraffinage wordt biomassa omgezet in waardevolle producten en componenten, die tegenwoordig veel worden ingezet in de voedingsmiddelen-, voeder-, bioenergie- en chemische industrie. De meest voorkomende grondstoffen waaruit biomassa afkomstig is, zijn:
- planten
- micro-organismen
- organisch afval
- schimmels
Aangezien deze grondstoffen regeneratief zijn, wat inhoudt dat ze relatief snel weer worden aangevuld, vallen ze typisch in de categorie van hernieuwbare hulpbronnen. Grondstoffen van de eerste generatie omvatten suikers en plantaardige oliën die worden aangetroffen in gewassen zoals suikerriet, mais of canola (raapzaad). Over het gebruik van deze gewassen voor andere doelen dan de productie van voedingsmiddelen is een uitgebreid debat gaande. Om die reden neemt de druk op fabrikanten om grondstoffen van de tweede generatie te gebruiken toe. Dit zijn bijvoorbeeld afvalstromen van de voedingsmiddelenproductie en de houtindustrie, lignocellulosehoudende biomassa of houtachtige gewassen, landbouwresten of -afval, of ook speciale energiegewassen die niet bedoeld zijn als voedingsmiddel en worden geteeld op marginaal terrein dat ongeschikt is voor voedingsmiddelenproductie.
Het bioraffinageproces
Het bioraffinageproces bestaat uit bovenstroomse en voorbehandelingsfasen, een fermentatiestap en daarna benedenstroomse processen voor de mechanische of thermische isolatie van olie, vetten, lignocellulose, eiwitten, zetmeel en suikers. Deze worden vervolgens gebruikt in voedingsmiddelen, voeder, biobrandstoffen, bioplastics en als bouwblokken voor chemicaliën en biochemicaliën. Voor de productie van chemische bouwblokken moeten grondstoffen worden gefractioneerd in tussenproducten, zoals koolhydraten, diverse eiwitten of triglyceriden, die daarna verder worden omgezet in biogebaseerde fijne en conventionele chemicaliën met toegevoegde waarde.
In de bioraffinaderij worden verschillende bronnen van biomassa verwerkt om sleutelcomponenten en chemicaliën te isoleren voor gebruik in uiteenlopende industrieën, als bijdrage aan de reductie van de CO2-voetafdruk en de afhankelijkheid van fossiele grondstoffen.
De bio-economie: hoe ver zijn we nu?
In het verleden werd het nastreven van een bio-economie bijna uitsluitend gezien als een ijkpunt en aspiratie voor de landbouwsector. Tegenwoordig wordt het belang ervan veel holistischer begrepen en is het algemeen aanvaard dat een economie die gebaseerd is op het duurzame gebruik van hernieuwbare biologische grondstoffen, waartoe afval behoort, de noodzakelijke strategie is voor alle sectoren. De industrie, met haar vele toepassingen, staat daarom onder een enorme druk om de duurzaamheid van processen en producten, die worden gecreëerd voor zowel de consument als B2B-markten, te verbeteren. Daarom speelt bioraffinage, inclusief de productie van biogebaseerde chemicaliën uit hernieuwbare hulpbronnen, een belangrijke rol.
Traditioneel werden alle fundamentele chemicaliën geproduceerd uit ruwe olie of vloeibare fossiele brandstof. Zo werden de bouwblokken gevormd in de kunststoffen, kleurstoffen, meststoffen en vele andere soorten producten waar we al tientallen jaren afhankelijk van zijn. Voor een verdere implementatie van de bio-economie door biogebaseerde chemicaliën of "witte biotech" zijn ondernemingsgeest en investeringen nodig, die sterk worden beïnvloed door de lage prijs van ruwe olie. Deze trend creëert barrières in de ontwikkeling van schaalbare modellen voor het gebruik van hernieuwbare grondstoffen, wat gevolgen heeft voor de prijsstelling en competitiviteit. Evenzo willen investeerders "proof of concept" zien, en demonstratie-installaties om de schaalbaarheid te bewijzen.
Ook regelgeving, hoewel waardevol en belangrijk om de consument te beschermen, kan het moeilijk en duur maken om goedkeuringen van overheidswege te verkrijgen – met name als het gaat om nieuwe voedingsmiddelen of ingrediënten. Dit heeft tot resultaat dat de bio-economie nog in sterke mate wordt aangedreven door subsidies, of onderontwikkeld blijft. En ondanks een opgevoerde R&D in de chemische industrie gedurende de afgelopen 10-15 jaar, is de productie van basis- en platformchemicaliën uit hernieuwbare grondstoffen eveneens grotendeels niet-concurrerend gebleven.
Dit gezegd hebbende, heeft de biochemische industrie manieren gevonden om enkele van deze uitdagingen te overwinnen door ondernemingen op te zetten die gericht zijn op selecte waardeketens. Zo worden bijvoorbeeld niches in de cosmetica- of specialechemicaliën- en lijmsector opgevuld of bouwblokken ontwikkeld die kunnen worden verkocht voor gebruik in andere producten. Globaal gezien is het vervangen van petrochemische producten door hernieuwbare grondstoffen winstgevend geworden als ze worden gebruikt als basis voor producten met een hogere economische waarde.
De indrukwekkende groei in deze sector is gekoppeld aan enkele belangrijke trends:
- grotere aandacht van industriële leiders om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen door circulaire economieën na te streven met CO2-neutrale grondstoffen
- grotere commerciële levensvatbaarheid van biogebaseerde chemicaliën, waarvan er enkele aanvullende functies of betere prestaties leveren in vergelijking met alternatieven die gebaseerd zijn op fossiele olie
- grotere economische onafhankelijkheid van traditionele olieproducerende landen en de olieprijs, gecombineerd met een sterke tendens naar “groene energie”
GEA’s referenties op het gebied van bioraffinage en bijdrage aan de bio-economie
GEA's oplossingen en ervaring in de bioraffinage dekken welhaast elk type hernieuwbare hulpbron en industriële toepassing, waaronder de efficiënte productie van biobrandstoffen en verwerking van spoeling, biopolymeren en bioplastics alsook componenten en ingrediënten voor de voedingsmiddelen- en voerindustrie. We hebben samengewerkt met klanten en verschillende consortia om bioraffinagemodellen vast te stellen en te verfijnen voor: productie van zuren uit hernieuwbare grondstoffen, bijvoorbeeld voor gebruik als bouwblokken in bioplastics; benutting van microalgen voor gebruik in biomeststoffen en voer; productie van uit paardenbloemen gewonnen rubber, eiwit uit insecten en afvalstromen afkomstig van de voedingsmiddelenproductie, en nog veel meer. Onze klanten profiteren van GEA’s netwerk van testcentra met vakkundig personeel, laboratoriumfaciliteiten en pilot-installaties, waarmee we ze kunnen ondersteunen naarmate ze vorderen en de sprong naar industriële productie maken.
GEA's competentie en oplossingen voor de biogebaseerde chemische industrie dekken aspecten van fermentatie en belangrijke downstream processen, waaronder:
- biomassascheiding via centrifuge of membraanfiltratie
- productisolatie en zuivering door distillatie, smeltkristallisatie of membraanfiltratie
- concentratie door verdamping
- kristallisatie en drogen van het eindproduct
- concentratie en drogen van bijproducten
GEA levert momenteel decanters, separatoren, verdampers en wervelbeddrogers aan bioraffinagefabrieken van verschillende zeer belangrijke industriële partners, voor de productie van chemicaliën van de volgende generatie. De grondstoffen voor deze groene productie zijn voornamelijk afkomstig van massief hout uit duurzaam beheerde bossen, houtafval, uitdunningshout en industrieel beukenhout (dat gewoonlijk wordt verbrand), alsook uit residuen van regionale zagerijen. Tevens ondersteunt GEA klanten bij de productie van bioenergie en biobrandstoffen, die worden gegenereerd uit industriële suikers en residuele zijstromen.
In 2019 ondersteunde GEA een Noors, wereldwijd toonaangevend biochemisch bedrijf bij de installatie van een nieuwe faciliteit voor de productie van lignine, een organische polymeer die te vinden is in bomen, planten en sommige algen. Lignine en ligninsulfonaten worden gebruikt in hulpstoffen voor cement, meststoffen, industriële bindmiddelen, chemicaliën voor olievelden en een hele reeks andere toepassingen. De nieuwe bedrijfsklare installatie voor sproeidrogen ondersteunt downstream processen, met een nieuwe silo voor de toevoer van opgeslagen poedermaterialen in het verpakkingssysteem en een grote natte scrubber voor stofverwijdering. Met GEA’s geavanceerde scrubbertechnologie is terugwinning van waardevolle stoffen mogelijk én de scrubvloeistof wordt teruggevoerd naar de sproeidroger als proceswater, wat de totale productopbrengst verhoogt en het verbruik van vers water reduceert.
Een Frans biotechnologiebedrijf, gelanceerd als start-up, schaalt nu op tot industriële productie met de hulp van GEA. Gekozen vanwege de ruime mogelijkheden in ons testcentrum, uitgebreide ervaring en betrouwbare reputatie, helpen we hen om uit afval van de suikerbietenproductie een reeks nieuwe moleculen met hoge toegevoegde waarde te maken via een gepatenteerd fermentatieproces. Deze zuren worden gebruikt als bouwblokken voor chemische producten die worden toegepast in de voedingsmiddelen-, farmaceutische, cosmetische, chemische en agronomische industrie. De nieuwe concentratie- en distillatie-installatie van GEA, speciaal ontworpen voor gefermenteerde producten op cellulosebasis, gaat in 2021 van start.
