Ionic liquid driven esterification of aqueous fermentation products
Valorisatie van organisch afval voor een meer rendabele en duurzame bio-economie
De voorlopige achterstand van de bio-gebaseerde op de petrochemische industrie is, naast de duurdere grondstoffen, te wijten aan een aantal uitdagingen waar de bio-gebaseerde industrie mee worstelt. De competitiviteit wordt kunstmatig in stand gehouden door subsidiëring en er rijzen vragen over het gebruik van landbouwgrond voor de productie van materialen en brandstof. Bovendien wordt bij het verwerken van biomassa een grote hoeveelheid afvalwater geproduceerd, die een aanzienlijke fractie van de biomassa bevat. Dit is een verliespost, enerzijds als kost voor het behandelen van het afvalwater, anderzijds in het minder efficiënt benutten van de grondstof. Recent werd een proces ontwikkeld om het organisch materiaal in deze afvalstromen om te zetten tot chemische bouwstenen. In deze thesis wordt een strategie onderzocht om de bouwstenen te valoriseren. De co-productie van duurzame chemicaliën uit afvalwater kan de rendabiliteit van bioraffinaderijen verhogen en competitiviteit aan de bio-gebaseerde nijverheden verstrekken.
Afvalwater verwerken 3.0
Op heden worden organisch belaste afvalwaterstromen doorgaans behandeld in een actief slib waterzuivering. Het organisch materiaal wordt door micro-organismen verademd waarbij het deels als CO2 vrijkomt en deels in het slib terechtkomt. Dit is een eenvoudige manier om het water te zuiveren, maar het is een economische kost en het organisch materiaal gaat uiteindelijk verloren. Een alternatieve methode is het vergisten tot biogas, wat verbrand wordt om stoom of elektriciteit op te wekken om de kosten van de waterzuivering te dekken. Bij verbranding wordt echter opnieuw CO2 vrijgesteld aan de atmosfeer. Een superieure route, zowel vanuit economisch als milieuperspectief, is het omzetten van het organisch afval tot bioproducten. Hiervoor wordt een microbiële mengcultuur aangewend die de complexe afvalstroom omzet tot een aantal eenvoudige korte-keten vetzuren, zoals azijnzuur en boterzuur. Dit zijn chemisch reactieve verbindingen, van waaruit een hele reeks producten gemaakt kan worden. Het is daarom belangrijk dat deze vetzuren na productie uit het medium geoogst worden. Dit gebeurt door een membraanscheiding die resulteert in een zuivere stroom van vetzuren in water, echter in lage concentraties. Een verdere afscheiding is vereist voor omzetting van de vetzuren naar hoogwaardige producten. Dit is een technisch moeilijk proces door de hoge affiniteit van vetzuren voor water, waardoor veel moeite nodig is om ze uit het water te halen, maar ook economisch moeilijk door de lage concentraties en de relatief lage waarde van de vetzuren. Het klassieke opzuiveringsproces, verdampen van water zodat enkel de zuren overblijven, vereist een te grote energie-input, wat economisch niet interessant is. Het is van vitaal belang om een superieure afscheidingsmethode te ontwikkelen om deze waste-to-product technologie economisch haalbaar te maken.
Vloeibare zouten
In deze thesis wordt een methode voorgesteld die zowel het afscheiden van de vetzuren uit de waterige stroom als de omzetting tot hoogwaardige bioproducten in een éénstapsproces combineert, gebruik makende van een ionische vloeistof. Ionische vloeistoffen zijn vloeibare zouten, die dankzij hun unieke eigenschappen als potentiële innovators voor de chemische industrie worden gezien. Hun voornaamste eigenschappen zijn dat ze erg stabiel en niet vluchtig zijn, waardoor ze in theorie oneindig lang opnieuw kunnen gebruikt worden; een basisprincipe van duurzaamheid. Hun niet-vluchtige karakter is specifiek voor deze toepassing erg aantrekkelijk, omdat de vetzuren worden omgezet naar vluchtige esters die geïsoleerd kunnen worden door te verdampen. Een tweede reden voor het gebruik van een ionische vloeistof is dat een substantieel lagere energie-input vereist is. Wanneer de waterige stroom verdampt wordt om de vetzuren over te houden, zoals in een klassieke distillatie het geval is, is een gigantische hoeveelheid energie nodig om het water te verdampen. Door de vetzuren eerst in de ionische vloeistof te trekken, om te zetten tot meer vluchtige esters en dan enkel de esters te verdampen, is er tot 90% energie-reductie mogelijk.
Van ranzige boter naar ananas
Esters worden op vandaag uit fossiele grondstoffen geproduceerd in enkele miljoenen tonnen per jaar. Ze kennen vooral toepassingen als oplosmiddelen en verdunners, en als aromacomponenten vanwege hun karakteristieke fruitige geur. Via deze methode zouden ze volledig uit hernieuwbare bouwstenen kunnen gemaakt worden, namelijk bio-alcohol en vetzuren, die typisch een erg onaangename geur hebben. Zo werd in de thesis vanuit boterzuur, wat de geur van ranzige boter veroorzaakt, ethylbutyraat gemaakt, wat de aromacomponent van ananas is. Esters worden gevormd in de veresteringsreactie, wat een evenwichtsreactie is die uitgevoerd wordt onder relatief hoge temperatuur en druk. Het doel in deze thesis was deze reactie uit te voeren onder milde condities om de procesinput te minimaliseren.
Van theorie naar praktijk
Deze methode werd succesvol toegepast in de thesis. Gezien het om een verkennend onderzoek ging, werd gestart met vereenvoudigde experimenten om elk procesonderdeel te doorgronden. Finaal werden de onderdelen samengevoegd en werd het proces getest op echt medium dat azijnzuur bevat. Ethylacetaat, een ester van azijnzuur, werd met succes gevormd en geïsoleerd. Het onttrekken van azijnzuur uit het water in de ionische vloeistof bleek de limiterende stap, maar eens in de ionische vloeistof werd het snel en nagenoeg volledig omgezet in ethylacetaat en afgescheiden door verdamping. Bovendien was het mogelijk dit uit te voeren onder milde condities.
Eén voor allen, allen voor één
Het grote voordeel van dit proces is dat het voor verschillende vetzuurstromen kan toegepast worden. Gezien vetzuren typische microbiële afbraakproducten zijn, zijn meerdere toepassingen denkbaar. Een interessant voorbeeld is een technologie die ontwikkeld wordt voor de omzetting van CO2 naar azijnzuur met behulp van micro-organismen en elektriciteit, waarbij dankzij deze methode van CO2 tot bijvoorbeeld ethylacetaat zou kunnen gegaan worden.
Het onderzoek in deze thesis was slechts van verkennende aard en er is nog veel werk vooraleer er een volwassen technologie uit kan komen. Door de milde condities ziet het er echter naar uit dat het proces volledig op nevenstromen kan gevoerd worden: ruwe bio-ethanol, vetzuren uit organisch afval en gerecupereerde restwarmte. Op die manier is de co-productie van hoogwaardige esters potentieel niet invasief en kan het de rendabiliteit van bestaande bio-gebaseerde bedrijven sterk verhogen. Dit kan tenslotte een positief effect hebben voor aanverwante sectoren, niet in het minst de landbouw en het leven in landelijke regio’s.
