Alle artikelen

Groene polyamides stap dichterbij

DSM start pilot met biobased levulinezuur

DSM is binnen Chemelot InSciTe, een internationaal onderzoeks- en kennisinstituut voor biobased en biomedische materialen, op de goede weg met de ontwikkeling van een groene syntheseroute voor de productie van adipinezuur uit levulinezuur. Dit is een belangrijke grondstof voor nylongarens en hittebestendige kunststoffen. Nu het op labschaal werkt, volgt een pilot met continuproductie. Bij gebleken succes opent dit de weg naar grootschalige productie.

Het project ‘LA2AA’ – spreekt op zijn Amerikaans uit als ‘LA to AA’ – wordt gecoördineerd door Michèle Janssen. De productie van Adipic Acid (AA) uit Levulic Acid (LA) biedt een biobased alternatief voor de traditionele route op basis van ringvormige koolstofverbindingen als benzeen en cyclohexaan. De grondstof levulinezuur wordt uit cellulosehoudende (rest)stromen gewonnen. ‘Zoals houtsnippers, als er maar C6-ketens inzitten, maar met dat proces houden wij ons niet bezig. Er is hier op Brightlands Campus wel het bedrijf GFBiochemicals dat zich hier op richt. Wij beginnen ons onderzoek met levulinezuur. Dat is trouwens veel gemakkelijker uit biomassa te produceren dan uit fossiele grondstoffen en met hoge opbrengsten.’

Potent broeikasgas
Voor de klassieke synthese van adipinezuur uit derivaten van fossiele brandstoffen is onder meer salpeterzuur nodig. Het reactieproduct dat daarbij ontstaat, distikstof(mono)oxide ofwel lachgas, is de voornaamste reden om een biobased alternatief te ontwikkelen, legt projectleider Janssen uit. ‘Een van de grootste voordelen van deze nieuwe route in vergelijking met de huidige is dat hierbij geen N2O wordt gevormd. Dat is een potent broeikasgas. Het proces kost ook veel energie wat leidt tot extra CO2-uitstoot. Bij onze nieuwe route ziet het er qua milieubelasting veel beter uit. Daarboven zou het ook nog eens goedkoper uit kunnen vallen dan de traditionele route.’

Vierstapsroute
Het project LA2AA startte in 2010. ‘We hebben met een groot aantal experts op chemisch en biokatalytisch gebied op papier een route bedacht. We probeerden in te schatten in hoeverre de individuele stappen daarin bewezen zijn of dat er nog doorbraken geforceerd moeten worden. Vanuit een ranking zijn we gekomen tot de meest veelbelovende route om dit op labschaal uit te testen. Dat zijn productiehoeveelheden in de orde van grootte van grammen.’

Voor het syntheseproces vanuit levulinezuur werd een vierstapsroute ontwikkeld. ‘We zetten het eerst na een hydrogeneringsreactie om in gamma-valerolacton, dat is een cyclische verbinding. Vervolgens doen we een ringopeningsreactie van dit molecuul en krijg je methylpentenoaat. Dit zetten we om in dimethyl-adipaat en dat weer in adipinezuur. Interessant aan deze route is dat deze intermediairen moleculen zijn die an sich ook toepassingen hebben. Gamma-valerolacton is een oplosmiddel, maar kan ook een monomeer zijn. Zo kun je je allerlei aftakkingen in deze route voorstellen die waardevolle producten opleveren.’

Opschaling
De chemische omzettingen verlopen katalytisch. De uitdaging is om een efficiënt proces te ontwikkelen met zo min mogelijk bijproducten. De resultaten op laboratoriumschaal zijn veelbelovend: ‘We halen een goede activiteit en selectiviteit met de katalysatoren. Dat betekent weinig bijproducten. Dat is zowel economisch als milieutechnisch gunstig.’

Nu is het moment gekomen om de batchgewijze labproductie op te schalen naar continuproductie in een proefinstallatie. Dat is altijd een spannende fase, stelt Janssen, omdat dan pas echt blijkt of het proces ook in de praktijk kan gaan werken. ‘Hoewel dit proces op labschaal voor alle vier stappen is bewezen, weten we nog niet of de katalysatoren voldoende stabiel zijn in een continuproces. We zullen lange duurproeven moeten doen om te weten of we voldoende zuiverheid halen. Bij zo’n proces kunnen kleine hoeveelheden onzuiverheden ontstaan die door recycling kunnen opzwepen en de katalysatoren kunnen deactiveren. Dat geeft dan weer bijreacties. Dat zijn problemen die we heel goed onderzocht hebben, maar uiteindelijk moet de pilot uitwijzen of we dusdanig kunnen recyclen dat we het economisch haalbaar wordt. Pas als dat is aangetoond, kunnen we externe partners aantrekken om het proces verder te commercialiseren.’

Onzuiverheden
Voor deze fase zal een dedicated demoplant ontworpen en gebouwd worden. Met een productie tussen de 3 en 10 kiloton adipinezuur per jaar moet het product dan ook echt in de markt gezet worden. ‘Daarbij is het belangrijk voor de klant dat het biobased adipinezuur dezelfde kwaliteit biedt, net zo zuiver en liefst goedkoper is dan ons huidige product.’ Onzuiverheden, hoe gering dan ook, zijn inherent aan een chemisch proces. Het biobased adipinezuur zal in elk geval andere onzuiverheden bevatten dan het klassiek gesynthetiseerde product. ‘Het is de vraag hoe dat uiteindelijk uitwerkt op nylons of applicaties onder de motorkap – de engineering plastics waar wij ons op richten.’

Industriële schaal rond 2026
Op dit moment bedraagt de wereldproductie van adipinezuur 3.000 kiloton per jaar. Het is duidelijk dat er nog heel wat onderzoek en experimenten nodig zijn om dat soort hoeveelheden in een biobased proces te halen. ‘De proef met het continuproces in de nieuwe pilot-installatie is tot halverwege 2017 gepland. Dus over ruim een jaar zou je over de volgende stap kunnen denken: een demoplant. die moet hiervoor specifiek ontworpen en gebouwd worden en dat duurt nog eens vijf jaar. Als dat allemaal succesvol blijkt, zou je naar echte, industriële schaal kunnen gaan. Dan praat ik over minimaal 10 jaar vanaf nu. Als het biobased product net zo goed is en minimaal net zo goedkoop, zou dat heel veel impact kunnen hebben op de markt.’

Vreest Janssen niet dat de concurrentie DSM voor is? ‘Er zijn wel activiteiten bij andere chemie-ondernemingen. Ik heb patenten voorbij zien komen met andere routes. Wat uiteindelijk de winnende route zal zijn, is afwachten. Wellicht kunnen meerdere routes naast elkaar bestaan, omdat ze allen efficiënt zijn en op ongeveer hetzelfde prijskaartje uitkomen.’

This article is also available in English