Bioraffinage van Agrarische Residuen en Hout mbv Organosolv

Transcriptie

1 Bioraffinage van Agrarische Residuen en Hout mbv rganosolv W.J.J. Huijgen June 2013 ECN-L

2 Bioraffinage van Agrarische Residuen en Hout mbv rganosolv W.J.J. Huijgen Technologie Kring Paper & Board Industry Beekbergen 26 juni

3 Inhoud ECN Introductie Bioraffinage ECN organosolv proces Project KCPK ntsluiting alternatieve vezels voor papier applicatie Toekomst organosolv proces Technisch economische evaluatie Lignine applicaties Lopend onderzoek 2

4 Energieonderzoek Centrum Nederland Missie: Met en voor de markt ontwikkelen wij kennis en technologie die een transitie naar een duurzame energiehuishouding mogelijk maken. Business units: Biomass & energy efficiency Solar energy Wind energy Policy studies Environment & energy engineering ECN nafhankelijk onderzoeksinstituut ~600 medewerkers Locaties: - Petten - Amsterdam - Eindhoven - Brussel - Peking 3

5 Introductie

6 Bioraffinage The sustainable processing of biomass into a spectrum of marketable products (food, feed, materials, chemicals) and energy (fuels, power, heat) (definitie IEA Bioenergy taak 42) 5

7 Lignocellulose Raffinage mbv rganosolv Primary biorefinery Paper & cellulosic materials Secondary biorefinery Ethanol Lignocellulosic biomass Fractionation (organosolv) Cellulose Hemicellulose (Enzymatic) hydrolysis Fermentation Chemical conversion Butanol Lactic acid... Furfural HMF Lignin Thermochemical depolymerisaton Phenolics Fuel additives... Filler, adhesives,... CHP Electricity Heat Algemene informatie: Reith et al. (2011) A step towards the development of a biorefinery, NPT procestechnologie, 18(1),

8 Waarom rganosolv? Doelen ECN ontwikkeling: Fractionering van alle hoofdbestanddelen met voldoende kwaliteit voor valorisatie. Inclusief extractie van hoogwaardige lignine (bv voor productie van chemicaliën). Focus op toepassing suikers voor biotransportbrandstoffen en chemicaliën. Verbetering enzymatische hydrolyse voor productie glucose. Voornaamste ontsluitingsroutes (pilot-schaal): Mild zure voorbehandeling & stoom explosie. Routes effectief voor cellulose. Maar lignine meestal slechts bruikbaar voor WKK (procesresidu met niet-omgezette suikers, proces chemicaliën, mineralen, ). Alternatief: Afscheiding lignine voorafgaande aan enzymatische hydrolyse. Behoud van de natuurlijke functionaliteit lignine. rganosolv 7

9 ECN rganosolv Proces Solvent recycling Lignocellulose Solvent Water (+ catalyst) Si,K rganosolv Lignin separation Solvent separation K Hemicellulose (derivatives) Si Cellulose (S) (to enzymatic hydrolysis) Lignin (S) Lab-schaal experimenteel onderzoek in batch autoclaven (tot 20L). Focus op agrarische residuen zoals tarwe, gerst en rijst stro. Daarnaast ook ruime ervaring met loofhout (wilg, populier, beuk, berk). Typische procescondities: Ethanol-water (50-70% w/w), H 2 S 4 (0-5% w/w biomassa), C, min. 8

10 Project KCPK ( )

11 Project in opdracht van KCPK Project doel: rganosolv fractionering agrarische residuen Cellulose pulp toepassen voor papier. Activiteiten: 5 Agrarische residuen geselecteerd en geoogst (KCPK in samenwerking met de Energieboerderij). Grondstoffen gedroogd, verkleind en gezeefd (ECN). Productie cellulose pulp mbv organosolv proces (ECN). Bestudering pulpen en testen met proefblaadjes (papier- en kartonfabrieken). penbaar eindrapport: R. van Boxtel (2012) Alternatieve vezels ontsloten met rganosolv-proces, toegepast voor papier, Energietransitie Papierketen, Kenniscentrum Papier en Karton. Verkrijgbaar bij M. Adriaanse, KCPK, m.adriaanse@kcpk.nl. 10

12 Grondstoffen Geselecteerde grondstoffen: Tarwe stro. Gras. Mais stengels. Koolzaadstro. Deder stro (Camelina Sativa). Deder stro Mais stengels Biomassa Vocht (%) Deeltjesgrootte (cm) Fractie uitgezeefd (%) ntvangst / na drogen ntvangst / na verkleinen <0.5mm c Tarwe stro nvt / 8.5 nvt / <2 a 4.6 Gras ~30 / 8.5 ~10 / <5 b 7.1 Mais stengels ~73 / / <1 a 17.8 (zand) Koolzaadstro ~15 / / <5 a 3.1 Deder stro ~15 / / <5 a 3.3 a) Snijmolen. b) Knippen. c) Kleinste fractie uitgezeefd, niet de grove delen.

13 rganosolv Proeven ptimum procescondities tarwe stro voor enzymatische hydrolyse toegepast: Geen optimalisatie per grondstof en/of naar papier toepassing verricht. ok overige bewerkingen, zoals drogen grondstof, verkleinen, reinigen, mechanisch fractioneren, bleking en drogen cellulose fractie niet toegepast / geoptimaliseerd voor papiertoepassing. rganosolv proeven in 20L batch autoclaaf mbv EtH en katalytisch H 2 S 4. Pulp yield: dw%. Pulp tarwe stro 12

14 Bevindingen Papierfabriek 1 Producent wit papier. Vezels: ongebleekt (bruin). Kappagetal aan hoge kant, maar geen no-go op voorhand bleektesten. Literatuur: organosolv pulp hoog kappa getal, maar gemakkelijk te bleken. Pulpen: Vezels met onnatuurlijke uiteinden. Te veel verontreinigingen (oa zand) voor verdere testen. Alternatieve vezel Kappagetal Tarwestro 25,3 Maïsstro 45,9 Gras 65,6 Dederstro 47,2 Koolzaadstro 30,2 Tarwe stro pulp Tarwe stro pulp met scheven 13

15 Bevindingen Kartonfabriek A Pulp losgeslagen mbv Frank desintegrator. Microscopie: Tarwestro, maïsstro en gras zijn redelijk ontsloten (dwz losse vezels). Dederstro en koolzaadstro niet goed ontsloten. Vezelafmetingen tov referentie pulp: Tarwe stro langere vezels dan de referentie, overige korter. Alle alternatieve vezels dunner dan de referentievezels. Pulpen acceptabel en goed mengbaar met recycled pulp. Tarwe stro pulp Grondstof Lengte (μm) Dikte (μm) ntsloten Referentie pulp ± 1000 ± 40 Losse vezels Dederstro ± 900 ± 20 Nog niet-ontsloten brokjes Tarwestro ± 1100 ± 25 Redelijk ontsloten Gras ±700 ± 10 Redelijk ontsloten Koolzaadstro ± 900 ± 25 Kluwen vezels aanwezig Maïsstro ± 800 ± 25 Redelijk ontsloten 14

16 Bevindingen Kartonfabriek A Proefblaadjes gemaakt met 5, 10 en 20% substitutie van regulier oudpapier pulp (±120 g/m 2 ). Karakteristieken tov referentie obv oud papier: Dichtheid (g/m 3 ). Porositeit (ml/min). Breeklengte (km): voor de meeste toevoeging (zeker bij 20% substitutie). Stijfheid (kn/m): dederstro en gras. verige: tot 15% (5% koolzaadstro). Malen mbv PFI molen maakte de vezels kapot. Vezels waarschijnlijk te droog en daarmee bros. KCPK: alternatieve vezels vergen (tov houtvezels) een subtielere vezelbehandeling. Subtiele vezelmaling (compressiemaling) in ontwikkeling. 15

17 Conclusies Project KCPK Project : Eerste verkenning geschiktheid van alternatieve vezels afkomstig uit organosolv voor papiertoepassing. Richtinggevend voor verdere technologie ontwikkeling, set aanbevelingen, oa: Goede (voor)uitwassing van zand, grond e.d. Verkleining biomassa met behoud van natuurlijke vezellengte. Aanpassing droogprocedés na het organosolv proces (minimalisatie invloed droging op kwaliteit vezels). rganosolv literatuur : Duidelijke potentie voor productie goede kwaliteit papiervezels mbv organosolv. Verdere ontwikkeling voor productie alternatieve vezels mbv organosolv binnen het bioraffinage concept. 16

18 Toekomst rganosolv Proces

19 Technisch Economische Evaluatie TEE organosolv bioraffinaderij: Schaal: 150 kton dw/jaar, West-Europa. Biomassa: tarwe stro ( 70/ton dw). Producten: cellulose pulp, furfural en lignine. Energie: Recycling organisch oplosmiddel cruciaal. Energieverbruik: ~20% energie-inhoud stro. Economie: Economische marge tussen producten en biomassa cruciaal combinatie grondstofprijs en waarde cellulose en lignine. Stro: afzet lignine a 750 /ton en cellulose pulp a 350 /ton pay-back time 7 jaar. Goedkope biomassa voeding (= residuen) (<50 /ton) (mits schaal minimaal gelijk). Van der Linden et al. (2012) Ethanol-based rganosolv Biorefineries, Nordic Wood Biorefinery Conference, Helsinki (FIN). 18

20 Karakteristieken rganosolv Lignine Commercieel aanbod en applicaties lignines beperkt: Lignosulfonaten (Borregaard) Kraft lignine (LignoBoost) Substantiële toename lignine aanbod in toekomst: Papierindustrie. 2 de generatie biotransportbrandstoffen / bioraffinage. Eigenschappen en toepassingsmogelijkheden lignines zeer divers. Karakteristieken organosolv lignine: Licht bruin tot zwart gekleurd poeder. Niet water-oplosbaar. Hoge zuiverheid (>>90 wt%). Voornaamste verontreiniging oligomeer xylose (hemicellulose). Lignine zwavel- en asvrij (max 0.1 wt% S). Moleculair gewicht: relatief laag ( g/mol). 19

21 Lignine Applicaties low volume - high value market /t specialty chemicals for food, fragrance and pharmaceuticals bio-plastics bio-resins for wood-adhesives additives for flooring material alkylphenols H H activated carbon, carbon-fibres and carbon-black H H H H catechols fuel-additives guaiacols bio-bitumen for green asphalt H H H H bio-char for soil improvement bio-fuel for CHP high volume - low value market 100 /t H H H H syringols

22 Fenol-Formaldehyde Harsen Geslaagde directe vervanging van fenol door lignine in fenol-formaldehyde harsen (iig tot 20% w/w, hogere substitutie in onderzoek). Markt: ~2 Mton fenol (~output 10 raffinaderijen). Testing according to the EN314.1 standard Sample PF std PFL10 PFL20 Immersion in water of 20 C for 24h Shear strength, N/mm h boiling - 16h drying at 60 C- 4h in boiling water - 1h in cool water Shear strength, N/mm Formaldehyde emissions (test method: JIS A 1460), mg/l Papadopoulou et al. (2012) Thermosetting adhesives with renewable raw materials for wood-based products, UBICHEM-III, Thessaloniki, Greece. 21

23 Lopend nderzoek

24 Focus onderzoek Lignine applicatietesten met industriële partners. ntwerp en bouw bench-scale continue organosolv reactor. Consortium voor verdere technologieontwikkeling & commercialisatie L 20 L 0.5 & 2 L Continue biomassa ontsluitingsreactor (biocpr) 23

25 TKI YXY fuels Het gebruik van lignocellulose en papierresiduen als grondstof voor de productie van YXY bouwstenen (= furanen). Papierindustrie: Toepassing residuen als C6 suiker bron. Productie cellulose pulp mbv organosolv. Partners: Avantium (coördinator) ECN WUR - Food & Biobased Research IFC/TFC Smurfit-Kappa Parenco Progression Industry 24

26 Dank voor uw aandacht! Voor meer informatie: Met dank aan: Kennis Centrum Papier en Karton, Agentschap NL, Europese Commissie en Ministerie van Economische Zaken. ECN Westerduinweg 3 P.. Box LE Petten 1755 ZG Petten The Netherlands The Netherlands T F info@ecn.nl 25

27 ECN Westerduinweg 3 P.. Box LE Petten 1755 LG Petten The Netherlands The Netherlands T F info@ ecn.nl 8