23-02-2017

Zuiveren van 2,5-furaandicarbonzuur: succesvolle GCC-minor

Studenten van Avans Hogeschool in Breda en Hogeschool Rotterdam hebben in januari 2017 succesvol een minorstudie afgerond die in kaart bracht hoe 2,5-furaandicarbonzuur (FDCA) het beste gezuiverd kan worden. FDCA, dat bereid wordt uit suikers, is een belangrijke grondstof voor biobased plastic. Deze minor is een gezamenlijk initiatief van de Green Chemistry Campus en de twee hogescholen.

In 20 weken tijd hebben de studenten Erik Vissers (Avans Hogeschool)) en Ken Franken (Hogeschool Rotterdam) onder begeleiding van de Green Chemistry Campus in kaart gebracht wat economisch aantrekkelijke downstream processing methodes zijn om in Nederland furaandicarbonzuur (FDCA) te produceren op een industriële schaal van ongeveer 50.000 ton per jaar.

Meest geschikte katalysatoren en oplosmiddelen: NaBr/H2SO4, DMAc & Co/Mn/Br

De vorming van FDCA uit suikers vindt plaats in twee stappen: van fructose naar 5-hydroxymethylfurfural (HMF) en vervolgens van HMF naar FDCA. De eerste fase van dit project betrof het in kaart brengen van synthesemethodes, methodes voor downstream processing en specificaties voor de FDCA productie. Uit het onderzoek bleek dat bij de synthese van HMF het beste resultaat werd behaald door NaBr/H2SO4 als katalysator te gebruiken en DMAc als oplosmiddel. Bij de synthese van FDCA bleek Co/Mn/Br de best presterende katalysator.

Bij het toepassen van deze specifieke katalysatoren en dit oplosmiddel kwamen de studenten uit op een prijs van € 11,36 per kilogram voor FDCA uit fructose. Hierbij is bij zowel de vorming van HMF als FDCA rekening gehouden met de volgende factoren:

de kosten van de verschillende katalysatoren en oplosmiddelen
de mogelijkheid om de katalysatoren te recyclen
de kosten van de verschillende recyclingopties
de schadelijkheid van zowel de katalysatoren als de oplosmiddelen
de opbrengst van de reacties
de reactietijd van het verwarmen en samendrukken

Distillatie meest geschikte methode voor downstream processing

Na de synthese van HMF en FDCA is er gekeken naar de meest geschikte methode voor downstream processing. Dit proces omvat vier stappen:

het scheiden van vaste en vloeibare stoffen
het isoleren van stoffen
het zuiveren van stoffen
het afwerken van stoffen

Voor de downstream processing van zowel HMF als FDCA bleek distillatie de meest geschikte technologie te zijn. Voor HMF omdat de andere methodes minder geschikt bleken voor toepassing op industriële schaal. Voor HDMF omdat de kristallisatiemethode enorme hoeveelheden oplosmiddelen verbruikte doordat FDCA niet gemakkelijk oplost in water.

Lagere kostprijs voor FDCA haalbaar?

De studenten hebben op basis van publieke literatuur becijferd dat voor de destillatie van HMF en FDCA op industriële schaal een investering benodigd is van € 45 miljoen. Daar bovenop komen bij de downstream processing van FDCA de kosten voor het component trioctylamine en die bedragen € 73 miljoen per jaar.

Uit de massa- en energiebalansen concluderen de studenten dat op basis van technologische kennis zowel de katalysatoren als de oplosmiddelen na de reactie kunnen worden hergebruikt. Dat zorgt voor een aanzienlijke kostendaling. Daarnaast kan de warmte die vrijkomt bij de exotherme reactie gebruikt worden om de reactor voor de HMF-synthese voor te verwarmen. Op basis van deze data hebben de studenten een economische analyse gemaakt en hun conclusie is dat het binnen hun voorstel mogelijk moet zijn om de productiekosten aanmerkelijk te verlagen en FDCA op industriële schaal te produceren voor € 4,62 per kilogram t.o.v. de eerder genoemde € 11,36, een kostendaling van 60%!

Samenwerking GCC met Avans Hogeschool en Hogeschool Rotterdam

Dit minorproject is een onderdeel van de samenwerking tussen de Green Chemistry Campus, Avans Hogeschool en Hogeschool Rotterdam. Doel is om een brug te slaan tussen concrete en actuele vragen vanuit het bedrijfsleven en de behoefte van studenten om een aantrekkelijke minor te kiezen die hen voorbereid op een baan in de (biobased) chemie.

Meer informatie

Wilt u meer weten over dit onderzoek of over de mogelijkheid om úw onderzoeksvraag te laten beantwoorden door studenten? Neem dan contact op met Peter van der Ham via p.vanderham@greenchemistrycampus.com of +31 (0)6 53 76 09 46

NB: zie ook het artikel over een andere succesvolle GCC-minor rond het maken van nieuwe chemische grondstoffen uit pyrolyse