Bioraffinage, de brug tussen landbouw en chemie

Transcriptie

1 Bioraffinage, de brug tussen landbouw en chemie D66 Biobased Economy Symposium, Bergen op Zoom, 27 februari 2015 Johan Sanders Em Professor Biobased Commodity Chemicals DLO/Food & Biobased Research/ Wageningen UR center

2 De nieuwe uitdaging voor biomassa grondstoffen: Voeding Gezond, veilig, voldoende, Biomassa productie biorefineries Omzettings processen Biobased Producten materialen chemische bouwstenen transportbrandstoffen Electriciteit warmte Bestaande Non-Food: Papier timmerhout katoen, wol hout om te koken.

3 Vele drijfveren voor de Biobased Economy Tekort aan goedkope olie Hoge en fluctuerende energieprijzen Zekerheid energievoorziening Klimaatverandering door broeikasgassen Plattelandsontwikkeling Ontwikkelingslanden Geo-politieke condities

4 Wie van U denkt dat: Over 20 jaar de chemische industrie nog grotendeels afhankelijk is van aardolie Kleine fabrieken voordeliger kunnen zijn dan grote fabrieken? Met een efficienter gebruik van grondstoffen in de voedselketen we voldoende energie vrijspelen voor al het wegverkeer? De grote vraag naar biomassa altijd leidt tot vergroting van de honger in de wereld? Werkgelegenheid in de landbouw alleen maar verder kan afnemen? De stoommachine als zo n alom geprezen uitvinding beschouwd moet worden? Dat de omstandigheden buiten Nederland altijd gunstiger zijn voor het opstarten van een BioEconomy?

5 Gebruik van biomassa, huidig en in 2050 Mton/jaar Voedsel incl. diervoeding* Hout, papier, katoen 2000 NU Hout om te koken % of 1000 EJ = * excl. gras en visserij

6 Hoe kunnen we biomassa productie capaciteit beter benutten zonder extra landgebruik? Vergroot de veldopbrengst maar houd de componenten die nodig zijn voor de bodemvruchtbaarheid op het veld Benut alle biomassa componenten en kies de juiste grondstof Gebruik elk component op zijn hoogste waarde: (moleculaire) structuur is beter dan calorische Verminder de kapitaalskosten om de innovatie te versnellen door integratie van processen en/of om te profiteren van kleine schaal zonder de nadelen

7 In energie uitgedrukt heeft ons dagelijks voedsel een 20 maal hogere input per output nodig! Biomass 635PJ Fossil 575PJ Net Import 160 Food Industry 150 Household 165 Dutch Agriculture 475 Transportion Food 100 Biomassa input 2500 kcal/dag = 55 PJ Jaarbehoefte van gehele bevolking Greenhouses/Food 100 Other Agriculture 60 Fossiel input Halvering van grondstoffen gebruik leidt tot Halveren van footprint van 6 miljoen ha tot 3 miljoen hectare Vrijspelen van voldoende energie voor gehele wegtransport!

8 Economische dragers in de BioEconomy Veel waarde, te weinig volume Veel waarde, en veel volume! Eiwitten Chemicaliën Materialen Veel volume, te weinig waarde 8

9 F - ladder How to get the best value from biomass? Farma Fun /ton High High Food ingredients Food nutritional Feed/ Food nutritional protein Feed pigs Feed cattle Functional chemical Fibre 500 Fermentation Fermentation bulk Fuel Fertilizer -/ Fire Flare 0 Fill -/- 300

10 Productiekosten / GJ eindproduct Waar kan biomassa economisch de strijd aan met fossiel? Kapitaal Olie/gas Kolen

11 Chemische productie Haven van Rotterdam Hoge energie dichtheid Lage energie dichtheid Warmteoverdracht= kapitaalkosten massaverlies en/of warmteoverdracht <--O warmte overdracht methaan etheen MEG suiker citroenzuur CO2 ethanol BDO succinaat ethaan butanol Terephthaalzuur xyleen

12 warmtewisseling leidt tot schaalvergroting en verlaging van arbeidsaandeel In de petrochemie is Economy of scale een belangrijke concurrentie voordeel geworden Verlaging van investerings kosten voor warmtewisseling leidt tot: 1. Meer economisch ruimte voor grondstof en (daarmee) voor arbeid 2. Meer kansen om op kleine schaal al concurrerend te zijn 3. Met biobased grondstoffen is de bestaande infrastructuur niet meteen een groot voordeel 4. Veiliger fabrieken tegen lagere kosten

13 Benutten van de moleculaire structuur N-Vinylpyrrolidon Acrylonitril COOH Oplosmiddel N-Methylpyrrolidon H 2 N COOH Glutamine zuur Diaminobutaan Lammens en le Notre

14 Glutamaat NMP eenvoudiger dan uit fossiel Nieuwe route= 2 stappen Biomass hydrolysis, separation NH 2 COOH Glutamic acid COOH Conventionele route= 8 stappen stap 1 stap 2 - CO 2 enzyme, 30 o C NH 2 COOH + CH 3 OH cat, 250 o C CH 3 N NMP O Gas CH 3 OH O CH 2 + cat, o C HO OH + H 2 cat, 80 o C HO OH - H 2 cat, o C O O cat + CH 3 OH N H 2 NH o C bar cat 400 o C CH 3 NH o C 100 bar Aminozuren bevatten al N en O --- Veel minder stappen/ kapitaal en veel minder energie om tot hetzelfde product te komen CH 3 N O

15 Nuttig gebruik van bijproduct maakt alkohol fabriek winstgevend 500 miljoen liter bioethanol (~ 400 kton) =200M 360 kton DDGS (~130 / ton) =46M H 2 N COOH O OH 36 kton glutamic acid 23 kton NMP (~2500 / ton) =58 M /y

16 Epichlorohydrin H 2 C CHCH 3 + Cl 2 C H 2 CHCH 2 Cl HOCl + HCl Price: per tonne H 2 C CHCH 2 Cl O Ca(OH)2 H 2 C CHCH 2 Cl Cl OH + H 2 C CHCH 2 Cl OH Cl Volume: 0.5 mln tonnes per annum Solvay Epicerol process: glycerol to epichlorohydrin

17 DuPont /Tate & Lyle BioProducts :1,3 Propanediol factory, Loudon, USA

18 3D-foamed polylactic structures (Wageningen UR) Expandable bead technique Good cell structure Density <30 g/l Sheet: Karin Molenveld

19 Tweede generatie grondstoffen vergen veel kosten in voorbehandeling en leveren weinig op! Valse Hoop!? Tarwe stro Chemisch voorbehandeld Bovendien enzymbehandeling

20 Bioraffinage van landbouwreststromen.. Eiwitgehalte 0 5 % 15 % 35 % 50 % Voorbeelden Tarwe stro Cacaodoppe n suikerrietloof Koffiepulp Bietenloof raapschroo t sojaschroot marktprijs ( /ton)

21 /GJ /ton Bioraffinage maakt electriciteitgrondstof beschikbaar voor 45 /ton Wood chips Straw (field) Straw (collected) Straw (washed) Rape meal Multiproduct biorefinery Protein Animal feed Amino acids Ferment. substrates Lignocellulose Fibres Phosphorus Rest

22 Kleine schaal bioraffinage verlaagt transport en energie traditio neel veld boerderij Verwerking 100% 100% Mineralen terug naar veld concentreren fermentatie decentraal 100% Kleine schaal bioraffinage 30% Retour stroom 70% Bruins et al

23 Bietsuiker kristallisatie op kleine schaal (2-500ha) Much lower energy inputs Lower transport Equal costs Minder energie Minder transport Mineralen retour veld Kolfschoten et al

24 Mobiele Cassave zetmeel bioraffinage in Afrika Source: Duteso Geen bederf cassave wortels Sterkere onderhandelings positie boer Behoud van mineralen op het veld

25 The separated components of grass value /ton as compared to /ton raw materials Fresh grass Fibers 30 % 100 Oligo-saccharides 3% 1500 Lipids 3 % 2000 water % Organic acids 5% 2000 Mono/di- saccharides 150 Protein / Amino acids 20 % 1000 dry substance 10-20% Minerals 10 % Polysaccharides 15 % 1500

26 Mobiele grasverwerking Grassa (Oenkerk) Gras eiwit Wit product humane voeding Eiwit mengvoeder Groen product diervoeding Gras sap concentraat Gras sap vezels Diervoeder +... rundvee Isolatie/ karton/ biogas Extrusie producten Ethanol

27 Alleen eiwit is niet voldoende om de kosten te dekken bioraffinage Drie producten Acht producten baten kosten baten kosten Gras kosten Proces kosten eiwit vezels sap 55 mineralen 75 Organ. zuren 60 aminozuren 75 suikers 12 suikerpolymeren 225 vetten 60 totaal

28 Eiwit/olie/ethanol/biogas van kleine schaal mais bioraffinage Stem Maize Biogas fermentation Biogas biogas CHP heat Electricity minerals Grain Pretreatment & Ethanol fermentation Filtration Distillation 60% ethanol Minder investeringskosten/liter ethanol dan de Amerikaaanse ethanol productie die op een 200 x grotere schaal opereert. Protein Feed/food Corn oil

29 Byosis/Zeafuels (Lelystad, Netherlands)

30 Integratie gras & mais bioraffinage voor rund en varken Materialen/Energie Import uit Brazilie import vezels Eiwit Biorefinery Mais Situatie sinds 1975 Mest mest mest Gras akker z akker Verhoging veld opbrengst grasland, Regionale werkgelegenheid, drastische verlaging mest

31 Combinatie van sterktes plaatst NL in unieke positie Grote zeehavens Rotterdam, Amsterdam, Terneuzen, Delfzijl Sterke chemische industrie Sterke akkerbouw inclusief verwerking (bioraffinage) Mengvoeder industrie: 40 M ton/ jaar (grootste dichtheid biomassa per inwoner of per hectare!) Goede afzetkanalen voor droge en natte producten biobased Sterke kennis-basis Echter overheid die bestaande belangen beschermt met beleid dat geen gelijke kansen voor ondernemers biedt

32 Earthscan, ISBN Veel uitdagingen geadresseerd: De gecombineerde waarde van biomassa componenten maakt concurrentie mogelijk met fossiele grondstoffen en Braziliaanse grondstoffen. Biomassa als grondstof biedt forse uitbreiding van werkgelegenheid. Hoe benutten we de unieke combinatie van sterktes ondanks de korte termijn belangen van bedrijven en overheid? Kleine schaal processen verlagen vernieuwingsbarriere en bieden ook kansen aan 3e wereld en regionale ontwikkelingen.

33 From: PBL, the Protein Puzzle, 2011