Naast vast, vloeibaar en gasvorming kan een stof – onder relatief hoge druk en temperatuur – ook een vierde fasetoestand hebben: superkritisch. “Technisch gezien luidt de definitie: een stof die boven zijn kritische temperatuur zit”, legt Francesco Picchioni, hoogleraar Chemische Technologie aan de Rijksuniversiteit Groningen (RUG), uit. “Elk gas dat gecomprimeerd wordt verandert in een vloeistof, maar als dat gebeurt boven een bepaalde – kritische – temperatuur, wordt die vloeistof superkritisch en heeft dan eigenschappen van beide: het is een beetje vloeistof en een beetje gas.”

Kooldioxide (CO₂) wordt bij een druk van minimaal 73 atm en een temperatuur hoger dan 34  graden Celsius superkritisch en is in die toestand goed bruikbaar om stoffen van elkaar te scheiden of in op te lossen. Superkritische CO2 (scCO₂) wordt al lang gebruikt om cafeïne uit koffie te extraheren (voor cafeïnevrije koffie). De scCO₂ wordt door de koffie geleid, wat vanwege de lage weerstand van de scCO₂ makkelijk gaat, waarbij de cafeïne oplost, en vervolgens wordt de druk verlaagd, waardoor de CO₂ weer gas wordt en de cafeïne neerslaat. “Superkritische CO₂ wordt ook gebruikt voor extracties van biomassa, om waardevolle producten eruit te halen”, weet Picchioni.

Dat juist CO₂ wordt gebruikt, komt doordat de benodigde druk- en temperatuurwaarden van CO₂ relatief laag zijn. “Voor bijvoorbeeld superkritisch water heb je een veel hogere druk en temperatuur nodig.” Daarnaast is CO₂ inert: het gaat niet makkelijk een reactie aan met andere moleculen. Verder is CO₂ ook relatief goedkoop, goed beschikbaar èn veilig. “Het kan goed alle hydrofobe oplosmiddelen vervangen, zoals de gevaarlijke hexaan, tolueen en xyleen.”

Expertisecentrum

Picchioni, die samen met het bedrijfsleven al jaren onderzoek doet naar scCO₂, nam in 2020 het initiatief tot een onderzoekscentrum. De provincie Groningen en het Samenwerkingsverband Noord-Nederland kenden (onder het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling, EFRO) een subsidie toe van 3,8 miljoen euro, dankzij hulp van ASQA, dat ondernemingen helpt met het vinden van de juiste subsidie. Daarmee is een expertisecentrum voor superkritische CO₂ opgezet bij de Zernike Advanced Processing-faciliteit op de Campus Groningen, een semi-industriële omgeving waar kennisinstellingen en het bedrijfsleven samenwerken aan oplossingen voor de biobased economy. De Hanze Hogeschool, ook aanwezig op de Campus Groningen, is ook bij het scCO₂-project betrokken.

Er nemen inmiddels zeven bedrijven aan deel, waaronder Dynaplak (producent van onder andere biobased lijm), VNCI-lid Avebe (zetmeelproducent), Longbloom (droogt planten met scCO2), Syncom (spin-off van RUG op het gebied van organische chemie) en Foamplant (biobased schuim).

Picchioni: “We hebben apparatuur aangeschaft waarmee we allerlei zaken rond superkritische CO2 kunnen meten en we zijn een onderzoeksprogramma gestart bij de deelnemende bedrijven. Daarbij kijken we naar extractie, de klassieke toepassing van superkritische CO₂, en naar extrusie, wat mijn specialiteit is. Extrusie is door de Italianen in de negentiende eeuw uitgevonden om pasta te maken, maar wordt nu ook toegepast bij het vormen van bijvoorbeeld kunststoffen. Met extrusie onder superkritische CO₂ kun je sommige polymeren makkelijker vormen. Je zou kunnen zeggen dat superkritische CO₂ hierbij fungeert als een weekmaker, die het materiaal zachter en flexibeler maakt. Het voordeel is dat de temperatuur relatief laag kan blijven, want bij hogere temperaturen kun je allerlei ongewenste reacties krijgen.” Volgens Picchioni is superkritische CO2 ook toepasbaar voor plasticrecycling, om de vervuilingen eruit te halen.

De toegevoegde waarde van het Groningse expertisecentrum voor bedrijven is dat ze er hun onderzoek kunnen doen zonder de hoge investeringen die nodig zijn voor de aanschaf van de benodigde dure apparatuur. Die apparatuur is beschikbaar in het expertisecentrum. “Welk bedrijf gaat een paar miljoen investeren terwijl er helemaal geen zekerheid is dat ze met superkritische CO₂ gaan werken?” zegt Picchioni. “Daarom zijn wij er. Bedrijven kunnen bij ons aankloppen met de vraag: kunnen jullie iets betekenen voor ons? En dan gaan we meten, dingen proberen. En als het blijkt te werken, kan er geïnvesteerd worden.”

Optimalisatie

Wat is de stand van zaken drie jaar na het toekennen van de subsidie en wat is er tot nu toe ontdekt? Picchioni: “Heb je een paar dagen? Ik kan niet in detail praten over de projecten met bedrijven, maar ik kan wel zeggen dat we een aantal manieren hebben gevonden om de technologie en de processen beter te maken. Daar zijn we ook een universiteit voor, om te kijken of dingen beter kunnen. Daarnaast hebben we voor een aantal bedrijven een optimalisatie gedaan: welke temperatuur en druk moet je gebruiken voor dat specifieke proces? We hebben ook ontdekt dat behandeling met superkritische CO₂ iets doet met de structuur van biomassa. Het wordt makkelijker toegankelijk voor andere chemicaliën, maar specifieker dan dit kan ik niet zijn. We zijn nu een aantal modellen aan het schrijven over extractie en extrusie, zeg maar een wiskundige beschrijving van het proces, die je kan gebruiken als je wilt opschalen. Met een aantal projecten zitten we in hooguit TRL 3, bij twee bedrijven zitten we in TRL 4 en staan we op het punt om een pilot te bouwen. Bij een ander project zitten we al in TRL 7. Omdat de fabriek er al stond ging dat heel snel.”

Zeven promovendi, een aantal postdocs en veel studenten hebben inmiddels in het expertisecentrum gewerkt aan allerlei toepassingen. “Studenten willen iets doen dat relevant is, en dit is relevant. Ze zijn er heel blij mee.” Gevraagd naar het vervolg van het project, zegt Picchioni: “We zijn nu een beetje bij een scheidsweg aanbeland. De kennis die we hebben ontwikkeld heeft nieuwe onderzoeksvragen gegenereerd.” Om de antwoorden daarop te vinden wordt nu gekeken naar nieuwe subsidiemogelijkheden. Het is uiteindelijk ook de bedoeling dat het expertisecentrum een spin-off, een nieuw bedrijf, oplevert.

Foamplant

“Wij maken volledig circulair en biologisch afbreekbaar schuimmateriaal”, vertelt Martin Tietema, CEO van de scale-up Foamplant. Waar het traditionele polyurethaanschuim moeilijker is te recyclen, gebruikt Foamplant biopolyesters als grondstof, is het materiaal biologisch afbreekbaar en makkelijk te hergebruiken. De schuimen zijn enerzijds bedoeld voor de glastuinbouw, om er planten, kruiden en andere gewassen in te kweken. Anderzijds richt Foamplant zich op de meubelindustrie, voor bijvoorbeeld vullingen in zitbanken en matrassen.

“Aan het einde van de levensduur nemen we het schuimmateriaal weer terug en verwerken we het tot nieuw schuim”, aldus Tietema. Hij hoopt de ontwikkelingsfase voor het meubelschuim binnenkort af te ronden, waarna het product in 2024 beschikbaar komt.

Vooralsnog worden zowel fossiele als biobased polyesters gebruikt, “maar we kiezen wel bewust polymeren die nu in een transitie zitten om ook naar een volledig biobased oorsprong te gaan. We zijn daarin afhankelijk van het tempo van de rest van de keten.”

Gevraagd naar de rol van superkritische CO₂ bij Foamplant, zegt Tietema: “Bij ons is alles gericht op volledig groene chemie: dat je grondstoffen gebruikt die niet schadelijk zijn voor mens en natuur, dat ze biobased zijn en volledig circulair. Superkritische CO₂ is hier voor ons een ultiem voorbeeld van én een bouwsteen én een procesplatform waarmee je die duurzaamheidsaspecten kan realiseren. Een onderdeel van het onderzoek aan de RUG is bijvoorbeeld om het gebruik van isobutaan als blowing agent (stof die via een schuimproces een cellulaire structuur kan vormen in allerlei materialen die verharding of faseovergang ondergaan - red). Voor Foamplant levert dit de mogelijkheid om ons proces vergaand te vergroenen.”

Enkele jaren geleden was concurreren met traditioneel polyurethaanschuim volgens Tietema onmogelijk geweest. “Nu hebben we met de transitie die de hele industrie maakt de wind mee. Er komen circulaire recycling-standaarden, er komt vraag uit de markt. Een aantal koplopers herkent dat het grip houden op je materialen key wordt.” Volgens Tietema biedt scCO₂ heel veel kansen op het gebied van verduurzaming. “Met name in de plastic-verwerking en -recycling.” Hij wil de chemische industrie dan ook oproepen om de mogelijkheden verder te onderzoeken. “Waarvan je nu denkt dat het niet mogelijk is, is dat wellicht wel mogelijk onder condities van superkritische CO².”