Iedereen die cellulose uit biomassa wil halen, stuit al snel op lignine. Dit stugge polymeer heeft diverse vormen (zie kader onderaan), maar het zit altijd op de een of andere manier aan cellulose gebonden. En hoewel sommige onderzoekers ook mogelijkheden zoeken om lignine te benutten, zijn de meeste vooral bezig om dit molecuul zo efficiënt mogelijk uit de weg te ruimen zodat ze de cellulose kunnen gebruiken, bijvoorbeeld voor papier, textiel of als grondstof voor fermentaties.

Ook voor de verteerbaarheid van biomassa is lignine niet echt handig, vertelt Wout Boerjan, hoogleraar aan de Universiteit Gent en groepsleider aan het VIB Centrum voor systeembiologie van planten. ‘We gebruiken mais veel als veevoer. Bacteriën in de maag van de koe breken de cellulose in de mais af en zetten dit om in energie, maar ook zij hebben daarbij last van de lignine.’ Het zou daarom handig zijn als mais minder lignine zou bevatten. ‘Dan is het beter verteerbaar door koeien en halen ze meer energie uit hun voer, en dat is weer gunstig voor de melkproductie.’

In de weg

Om biomassa beter op dit soort toepassingen af te stemmen, onderzoekt Boerjan de genetica van planten. ‘Wij bestuderen de biosynthese van lignine, hoe de cellen deze stoffen maken en ze uiteindelijk inbouwen in de celwand.’ Door deze analyse heeft Boerjan al een aantal genen gevonden die een grote rol spelen.

Het gen caffeoylshikimate esterase (coderend voor het eiwit CSE) bepaalt voor een groot deel hoeveel lignine de plant afzet, en de genen die coderen voor de productie van ferulaat-5-hydroxylase (F5H) en coniferylaldehyde-O-methyltransferase (COMT) hebben ook effect. ‘We kunnen inmiddels bepaalde genen uitschakelen waardoor de hoeveelheid of samenstelling van lignine verandert, en de plant bijvoorbeeld alleen maar coniferylalcohol als bouwsteen gebruikt.’

Gewapend met deze kennis is de groep van Boerjan bezig met een aantal praktijktests op onder andere zandraketten, populieren en mais. ‘Natuurlijk kun je niet alle lignine weghalen, dan is de plant niet stevig genoeg. Maar een maisplant lijkt er geen last van te hebben als we het gehalte lignine met 10 % verminderen.’ Ook proberen de onderzoekers slim te sturen op de locatie van lignine: ‘Als we de genen zo aanpassen dat de lignine de vaten nog stevig en waterdicht maakt, heeft de plant minder lignine nodig in de vezels.’

Deze ontwikkelingen hebben onlangs geleid tot een populier met 10 % minder lignine, als model voor toepassingen in de bioraffinaderij en papierindustrie. ‘Deze populier groeide in de serre prima’, zegt Boerjan. ‘Binnenkort willen we deze variant ook in het veld planten, om te kijken of het ook natuurlijke omstandigheden aankan.’

Dit soort initiatieven bekijkt de papierindustrie met interesse, vertelt Annita Westenbroek, innovatiemanager bij de Vereniging van Nederlandse Papier- en Kartonfabrieken (VNP). ‘Het zou mooi zijn als we de samenstelling van hout kunnen aanpassen naar onze wensen. Maar je moet het wel balanceren, het moet natuurlijk niet ten koste gaan van de cellulosekwaliteit – daar gaat het ons uiteindelijk om.’

Deep eutectic solvents

Op dit moment verwijdert de pulpindustrie lignine uit hout met een proces genaamd kraft pulping. Hiervoor verkleinen ze het hout en laten ze het vervolgens op 180 °C een aantal uur koken met natriumsulfide en natriumhydroxide. Wat overblijft zijn cellulosevezels – die worden verwerkt tot papier – en een mengsel van oplosmiddel en lignine. ‘De lignine uit dit mengsel verbranden ze om de anorganische pulpchemicaliën terug te krijgen’, vertelt Boelo Schuur, hoogleraar scheidingstechnologie aan de Universiteit Twente. ‘Deze verbranding levert energie op, genoeg om het hele proces draaiende te houden.’

Zowel energetisch als CO₂-technisch gezien is het dus een prima neutraal proces, maar toch onderzoekt de papierindustrie alternatieven. Binnen de komende 25 jaar willen ze de CO₂-uitstoot van de papierindustrie met 80 % reduceren en hopen ze ook hun reststromen hoogwaardiger te benutten. ‘Wij zoeken een methode waarvoor we mildere chemicaliën nodig hebben en op lagere temperaturen kunnen werken’, zegt Westenbroek.

Hiervoor kijken ze met name naar een nieuw proces met behulp van natuurlijke deep eutectic solvents (DESs). ‘Een DES is een mengsel van twee vaste stoffen’, legt Schuur uit. ‘Dit zijn vaak kristalpoeders die vast zijn bij kamertemperatuur, maar na mengen samen een smeltpunt hebben dat meer dan honderd graden lager kan zijn dan smeltpunten van de oorspronkelijke componenten. Wij gebruiken een mengsel van melkzuur met cholinechloride, cholinebromide of natriumchloride.’

Hoe DESs precies werken, weten de onderzoekers eigenlijk nog niet, al heeft Schuur wel een aanknopingspunt gevonden toen hij verschillende DESs uitprobeerde. ‘De traditionele reactie bij pulping is een nucleofiele substitutie, waarbij de sulfide aan de lignine bindt. Bij de DES lijkt de chloride of bromide een soort katalysator die een eliminatiereactie in gang zet.’

De reactie werkt redelijk goed bij 120 °C, dus dat is al een winst op het gebied van temperatuur en energie. Al is het nog wel zoeken naar de optimale omstandigheden. Schuur: ‘We moeten een goede manier vinden om als het ware al dente te koken. Bij het afbreken van de lignine-cellulosebindingen breek je ook de bindingen in de celluloseketens, en dan verlies je kwaliteit.’

Bruikbaar

Inmiddels is het gelukt om een proces te vinden dat redelijk goede cellulose oplevert. Schuur hoopt dit proces binnenkort op pilotschaal te testen met tanks van ongeveer 300 l. ‘Onze cellulose is nog niet goed genoeg voor hoge kwaliteit papier, maar het kan zeker voor andere toepassingen van meerwaarde zijn. Dus ik verwacht dat het in eerste instantie naast de huidige pulping processen ingezet gaat worden.’

Westenbroek ziet ook dat er nog veel uitdagingen zijn: ‘We hebben een werkend totaal proces nodig waarin ook het oplosmiddel wordt gerecycled en alle overige houtcomponenten zo efficiënt mogelijk worden geïsoleerd en benut.’ Maar toch is ze optimistisch over de kansen als het DES-proces eenmaal werkt: ‘Als het proces minder energie kost, hoeven we minder lignine te verbranden en houden we ook wat over om hoogwaardiger te valoriseren. De voorwaarde is dan wel dat het proces de lignine niet onbruikbaar maakt.’

Boerjan is er in ieder geval van overtuigd dat we met nieuwe technologieën en zijn genetica op termijn in staat zullen zijn om lignine beter af te stemmen op onze wensen. ‘We leren de biologische processen steeds beter kennen. Het zou mooi zijn als we de lignine uiteindelijk niet alleen makkelijker kunnen verwijderen, maar dat het daarna ook nog beter bruikbaar is.’