Aan het begin van de jaren tachtig maakten veel mensen zich druk over de snelheid waarmee de olievoorraden verminderden. Ook Shell. Aan een van de topuitvinders van het Koninklijke Shell Laboratorium Amsterdam, ir. Herman Ruyter, werd daarom gevraagd een methode te bedenken om biomassa te converteren naar een vloeibare brandstof. Na korte tijd lag er een octrooiaanvraag waarin beschreven werd dat een uitstekende dieselolie gemaakt kon worden door als eerste stap hout in verzadigde stoom te verhitten bij een temperatuur boven de 300 °C.
Nieuwe materialen
In 1985 was de olieprijs echter zo laag dat het niet zinvol leek meer tijd in dit proces te stoppen. Wel was er op dat moment een sterke vraag naar nieuwe materialen. Welnu, bij zijn onderzoek had Herman Ruyter een interessante observatie gedaan. Hij vermoedde dat onder mildere condities dan nodig voor het maken van een vloeibare brandstof, hout rotbestendig (duurzaam) kon worden gemaakt. De codenaam voor het project was PLATO. Bij Shell was het gebruikelijk codenamen te hanteren en men was toe aan de Griekse filosofen. Later is daar de afkorting Providing Lasting Advanced Timber Option bij bedacht.
Figuur 1. Voorwaarden voor rotting van hout. Bron: H.A.C. Groeneveld en G.T. Pott/CR & DO BV.
Hemicellulose
De hoofdbestanddelen van hout zijn cellulose, hemicellulose en lignine, ruwweg in een verhouding 2:1:1. Cellulose, een hoofdzakelijk kristallijn polymeer van glucosemoleculen, geeft met zijn rechte ketenstructuur sterkte. Hemicellulose is een polymeer van verschillende C5- en C6- suikermoleculen en gevoelig voor vocht en aantasting door micro-organismen. Lignine is een gecompliceerd macromolecuul met onder andere aromatische ringen en houdt de cellen in hout bij elkaar. Bij rotting wordt eerst hemicellulose ontleed onder vorming van zuren, voornamelijk azijnzuur. Azijnzuur op zijn beurt kan de celluloseketen doorbreken.
Het PLATO-proces maakt de hemicellulose minder herkenbaar voor micro-organismen en onderdrukt zo het rottingsmechanisme. Rotting wordt tevens geremd doordat de celwand na het proces minder water opneemt.
Drie stappen
Het PLATO-proces bestaat uit drie stappen. Tijdens de eerste, de hydrothermolyse wordt het hout als planken of als palen verhit in water of in verzadigde stoom tot een temperatuur van 160 à 180 oC gedurende ongeveer 30 tot 60 minuten, afhankelijk van houtsoort en dikte. Vervolgens wordt het hout zorgvuldig gedroogd, waarbij scheurvorming vermeden moet worden. Tenslotte wordt het gedroogde hout nogmaals, maar nu bij atmosferische druk, onder uitsluiting van zuurstof, verhit tot een temperatuur van 160 à 180 oC.
Tijdens de hydrothermolyse wordt hemicellulose deels afgebroken tot enkelvoudige suikermoleculen en onder invloed van zuur verder tot aldehyden zoals furfural. Een deel van de hemicellulose- producten lost op in water en verlaat het hout. Ook lignine wordt gedeeltelijk ontleed onder vorming van fenolgroepen.
In de droge fase wordt opnieuw verhit waarbij uit de ontledingsproducten een waterresistente hars van het fenol-formaldehyde type wordt gevormd. Dit gebeurt onder condities waarbij de celluloseketens nagenoeg op lengte blijven.
Figuur 2. PLATO-fabriek in Arnhem. Bron: H.A.C. Groeneveld en G.T. Pott/CR & DO BV.
Minder vocht
Een bijkomend en welkom verschijnsel is dat het hout na behandeling minder vocht opneemt en daardoor minder zwelt waardoor tevens het hout minder snel kromtrekt. Dit is voornamelijk het gevolg van de omvorming van hemicellulose, maar komt ook door de toegenomen kristalliniteit van cellulose.
Een eerste resultaat van de selectieve hemicellulose-omzetting is dat schimmels voedingsstoffen missen (fig. 1), want een fenolische hars is voor micro-organismen iets totaal onbekends. Hemicellulose is óók de component die het meeste water uit de omgeving aantrekt. Een tweede effect van de PLATO-conversie is dus dat het hout droger wordt. Het vochtgehalte van het hout blijft altijd onder de 17%, zelfs als de relevante luchtvochtigheid 97% is!
Het hout wordt geproduceerd in planken met een dikte tot ca. 50 mm, die er als normaal hout uitzien en bewerkt kunnen worden (fig. 3). PLATO-hout heeft een levensduur van 15 jaar of meer. Het is duurzaam geworden zonder toevoeging van zware metalen of andere giftige stoffen. PLATO-hout kan aan het einde van gebruik zonder milieuproblemen verwerkt of verbrand worden.
Figuur 3. PLATO-hout. Bron: H.A.C. Groeneveld en G.T. Pott/CR & DO BV.
Een vergelijkbaar proces is ook toegepast op plantaardige vezels zoals hennep, vlas en jute (fig. 4). Het effect van deze zogenaamde Duralin-behandeling is dat de zwel en de rotgevoeligheid door vochtwerking, sterk afnemen. Hierbij moet, om voldoende vezelsterkte te houden, de hele stengel worden behandeld.
De vezels kunnen worden toegepast als versterking in kunststoffen, terwijl van het stengelmateriaal een watervaste spaanplaat kan worden gemaakt.
Figuur 4. Duralin-vlasvezel. Bron: H.A.C. Groeneveld en G.T. Pott/CR & DO BV.
Productie
Nadat er vier octrooiaanvragen waren ingediend, besloot Shell dat het PLATO project interessant was, maar geen onderdeel kon uitmaken van de kerntaken. Twee Shell-managers hebben in 1994 dan ook het initiatief genomen om het project, dat slechts was gedemonstreerd op kleine stukjes hout, buiten Shell verder te ontwikkelen en te commercialiseren. In Wageningen werd een nieuw bedrijf gestart. Zes jaar later, in juni 2000 zijn er drie octrooien toegevoegd en is in Arnhem de eerste fabriek voor de productie van PLATO-hout opgestart, met een capaciteit van 50.000 m3 per jaar.
Zie ook:
Literatuur:
- Het Houtblad, 2-maandelijks tijdschrift
KNAW
Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).