DES

Een doorbraak in oplosmiddelen voor papier uit hout

Soms heeft de natuur al oplossingen gevonden voor complexe vragen in de industrie. Minder dan twee decennia geleden ontdekten onderzoekers dat het mengen van twee natuurlijke vaste stoffen bij kamertemperatuur kan leiden tot een vloeistof met uitstekende eigenschappen als oplosmiddel, bijvoorbeeld voor het minder energie-intensief oplossen van lignine uit hout. Sommige planten gebruiken precies deze nieuwe vloeistoffen om bij droogte in leven te blijven.

Het project

Sinds de ontdekking van deze ‘deep eutectic solvents’ (DES) aan het begin van deze eeuw vindt over de gehele wereld onderzoek plaats naar mogelijke nieuwe combinaties en toepassingen daarvan. In dit project gaat het om een innovatieve manier van vezelproductie voor papier. De papierindustrie wint nu cellulose uit hout (of uit oud papier) met behulp van oplosmiddelen zoals natriumsulfide en natronloog, wat veel energie kost. Oplossen van  lignine uit hout met behulp van DES-mengsels van natuurlijke grondstoffen is zeer energiezuinig en bijzonder effectief.

Voor wie

DES-oplosmiddelen worden in dit project specifiek ontwikkeld en getest voor toepassing in de papierindustrie. Bredere toepassing van DES in de chemie ligt ook voor de hand.

Wat is nieuw?

DES oplosmiddelen zijn nog gloednieuw. Ze kunnen uit natuurlijke grondstoffen worden gemaakt. Er zijn vele combinaties mogelijk, die vaak nog moeten worden ontworpen, geoptimaliseerd bij laag energieverbruik, en aangepast aan de stoffen die zij moeten oplossen. Het productieproces van papier met DES-oplosmiddelen ziet er ook behoorlijk anders uit dan de gebruikelijke productiemethoden.

Een belangrijk voordeel van DES is dat ook de lignine in hout— naast cellulose de andere hoofdcomponent, die normaal wordt verbrand—schoon kan worden gewonnen, geschikt is voor  gebruik als hoogwaardige natuurlijke grondstof voor de chemische industrie.

Belangrijkste punten van onderzoek

In eerder laboratoriumonderzoek is de werking van dit energiezuinige soort oplosmiddelen al aangetoond. Speerpunten in dit vervolgonderzoek zijn het de optimale combinaties voor het energiezuinig oplossen van lignine op kamertemperatuur, het ontwerp van het gehele productieproces rondom DES, en tegelijkertijd het diepere inzicht in de reactiemechanismen met deze oplosmiddelen. Dat laatste levert overigens ook weer inzicht op in de klassieke productieprocessen.

Besparing binnen dit project

Ten opzichte van de klassieke oplosmethoden loopt de energiebesparing met DES op tot zo’n 40%. Als de lignine wordt toegepast als biobased grondstof loopt de CO₂-reductie op tot 80%.

Brede toepassing

Momenteel wordt pulp geproduceerd buiten Nederland, in fabrieken die tot 4 miljoen ton cellulose per jaar produceren. De nieuwe technologie zorgt dat ook kleine fabrieken winstgevend zullen zijn. Hiermee kan de Nederlandse papierindustrie zelfvoorzienend worden uit Nederlandse biomassa (circa half miljoen ton verse cellulose per jaar)

Looptijd

01-09-2014 - 31-12-2018

Partners

Altri – Celbi, Buckman, Crown Van Gelder, CTP, DS Smith Paper, ESKA, Essity, Holmen, ISPT, Mayr-Melnhof Eerbeek, Metsä Fibre, Mid Sweden University, Mondi, Omya, Parenco BV, The Navigator Company, Sappi, Smurfit Kappa, Stora Enso, Technische Universiteit Eindhoven, University of Aveiro, University of Twente, UPM, Valmet Technologies Oy, Voith Paper, VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, WEPA en Zellstoff Pöls

Volgende stappen

Terwijl het lopende project nog moet worden afgerond, lopen al de voorbereidingen voor een pilot om de innovatieve DES-oplosmiddelen toe te passen in een pilot-opstelling van het gehele productieproces (rond 2019). Twee tot drie jaar later kan een pilot van start met een productievolume van ongeveer vijftig kilogram. Commerciële toepassing wordt voorzien rond 2030.

A breakthrough in solvents for paper from wood

Sometimes nature has already found solutions for complex questions in industry. Less than two decades ago researchers discovered that the mixing of two natural solids at room temperature can result in a liquid with excellent properties as a solvent, for example for the less energy-intensive dissolution of lignin from wood. Some plants use these liquids to stay alive during drought.

The project

Since the discovery of these 'deep eutectic solvents' (DES) at the beginning of this century, research has been conducted around the world into possible new combinations and applications. This project concerns an innovative way of fiber production for paper. The paper industry now harvests cellulose from wood (or from waste paper) using solvents such as sodium sulphide and caustic soda, which takes a lot of energy. Dissolving lignin from wood using DES mixtures of natural raw materials is very energy efficient and particularly effective.

For whom?

DES solvents are specifically developed and tested in this project for use in the paper industry. Broader application of DES in the chemical industry is also obvious.

What's new?

DES solvents made from natural raw materials are still brand new. Many combinations are possible, which have to be designed, optimized at low energy consumption, and adapted to the substances they have to dissolve. The production process of paper with DES solvents also looks quite different from production methods that are common now.

An important advantage of DES is that the lignin in wood—in addition to cellulose—is also suitable for use as a high-quality natural raw material for the chemical industry.

Key points of research

In previous laboratory research the effect of this energy-efficient type of solvent has already been demonstrated. Key points in this follow-up study are the optimal combinations for the energy-efficient dissolution of lignin at room temperature, the design of the entire production process around DES, and at the same time the deeper insight into the reaction mechanisms with these solvents. The latter also provides insight into the traditional production processes.

Saving in this project

Compared to the traditional dissolution methods, the energy saving with DES amounts to around 40%. If the lignin is used as a biobased raw material, the CO₂ reduction will increase to 80%.

Broad application

Currently, pulp is produced outside the Netherlands, in factories producing up to 4 million tons of cellulose per year. The new technology ensures that small factories will also be profitable. This allows the Dutch paper industry to be self-sufficient from Dutch biomass (about half a million tons of fresh cellulose per year)

Duration

01-09-2014 - 31-12-2018

Partners

Altri - Celbi, Buckman, Crown Van Gelder, CTP, DS Smith Paper, ESKA, Essity, Holmen, ISPT, Mayr-Melnhof Eerbeek, Metsä Fiber, Mid Sweden University, Mondi, Omya, Parenco BV, The Navigator Company, Sappi, Smurfit Kappa, Stora Enso, Eindhoven University of Technology, University of Aveiro, University of Twente, UPM, Valmet Technologies Oy, Voith Paper, VTT Technical Research Center of Finland Ltd, WEPA and Zellstoff Pöls

Next steps

While the current project has yet to be completed, all preparations are under way for a pilot to apply the innovative DES solvents in a pilot set-up of the entire production process (around 2019). Two to three years later, a pilot can start with a production volume of about fifty kilograms. Commercial application is due around 2030.