Technologie uit de natuur : Zetten membranen ons op weg naar een duurzame industrie?

(1)

Technologie uit de natuur :

Zetten membranen ons op weg naar een duurzame industrie?

(2)

27/11/2019

©VITO – Not for distribution 2

Wat is een membraan?

(3)

MEMBRAAN

Semi-permeabel materiaal = zeef

(4)

MEMBRAAN

27/11/2019

Poriegroottes : < 1 µm = 1/1000 mm

PERMEAAT

RETENTAAT

FLUX

(5)

MEMBRAAN

Porie-grootte van het membraan bepaalt wat wordt tegengehouden :

(6)

27/11/2019

Membranen deel van ontstaan van leven

(7)

NATUURLIJKE MEMBRANEN

Ontstaan van leven op aarde :

“Hoewel de details van dit proces nog onbekend zijn, stelt de heersende wetenschappelijke hypothese dat

de overgang van niet-levende naar levende systemen geen afzonderlijke gebeurtenis was,

maar een evolutionair proces van toenemende complexiteit dat samenging met moleculaire zelfreplicatie, zelforganisatie, autokatalyse en de ontwikkeling van celmembranen.”

Liposoom of protocel

Membraan = grens

leven/niet leven

(8)

NATUURLIJKE MEMBRANEN

27/11/2019

Menselijke/dierlijke/planten cel :

Transport water, zouten, suikers, zuurstof…

Nagebootst in synthetische membranen !

(9)

Hoe zien ze eruit, en hoe werken ze ?

(10)

SYNTHETISCHE MEMBRANEN

27/11/2019

Vlakke polymere membranen

Assymetrische structuur

in

uit

(11)

SYNTHETISCHE MEMBRANEN

Holle vezel polymere membranen

(12)

SYNTHETISCHE MEMBRANEN

27/11/2019

Buisvormige keramische membranen

(13)

MEMBRAAN PROCESSEN

(14)

MEMBRAAN PROCESSEN

27/11/2019

Gasscheiding

(15)

Membranen niet meer weg te denken !

Wereldwijd gebruikt sinds

de jaren ‘50

(16)

WIST JE DAT?

27/11/2019

Membranen sterk in : nierdialyse sinds de jaren ‘50

Wereldwijd

> 3 000 000

patienten

(17)

WIST JE DAT?

Membranen sterk in :

Ontzouting zeewater → drinkwater (sinds de jaren ‘50)

thermische

processen

(18)

WIST JE DAT?

27/11/2019

Membranen sterk in : Afvalwater behandeling

Meer efficient dankzij membranen

sinds de jaren ‘90 Wereldwijd

> 3000 m

³

/dag

> 3000 plants

(19)

WIST JE DAT?

Eigen ontwikkeling bij VITO voor afvalwater behandeling : IPC membranen (Internal Permeate Channel)

Beduidend

(20)

WIST JE DAT?

27/11/2019

Membranen sterk in : Klaren van wijn

Productie lactosevrije melk met de smaak van melk

bij ~50% van de wijnproducenten

bij 2 op de 3

producenten

(21)

Membranen voor duurzame chemie

Nieuw sinds de Jaren

’90 – ‘00

(22)

MEER DUURZAME CHEMIE

27/11/2019

✓ Minder energie

✓ Minder CO ₂ uitstoot

✓ Minder afval en bij-producten

✓ Recyclage waardevolle materialen

✓ Gesloten kringlopen

✓ Meer produceren met minder

✓ Niet fossiele feedstocks

(23)

MEER DUURZAME CHEMIE

Chemical Industry Vision 2020 study

50 – 90 % productie processen bestaat uit scheidingen

Chemisch productie proces = multistap proces

Verschillende stappen = scheidingsprocessen

(24)

MEER DUURZAME CHEMIE

27/11/2019

+ membranen compatibel met stijgende electrificatie

Huidige energie-intensieve scheidingsprocessen vervangen

Membranen:

laag-energie alternatief

High kWh+CO

₂

Nature, 532, 2016, 435-437

50% scheidingen

80% destillaties, verdampingen, …

(25)

MEMBRANEN VOOR DUURZAME CHEMIE

Behandeling van chemische proces stromen : Meer uitdagend

Meer chemisch resistente

(26)

MEMBRANEN VOOR DUURZAME CHEMIE

27/11/2019

Meer robuuste polymere membranen

Chemische modificatie keramische membranen

FunMem®

Schaal : tussen onderzoek en industriële productie

VL

(27)

MEMBRANEN VOOR DUURZAME CHEMIE

Concentratie Opzuivering Fractionatie

Solvent Solvent

opzuivering

VITO piloten = faciliterend!

membraan

reactor

(28)

27/11/2019

Minder afvalstromen

Recyclage waardevolle materialen

(29)

COMPLEXE PROCES WATERS FARMA

Farma-bedrijf

nx 1000 m ³ / jaar / plant

(30)

COMPLEXE PROCES WATERS FARMA

27/11/2019

Gezuiverd proces water +

On-site WWTP

SuMems project:

(31)

COMPLEXE PROCES WATERS FARMA

GMP!

Typische project tijdslijn

0.2 to 1

1 to 5 L Fase 1

Fase 2

Fase 3

(32)

COMPLEXE PROCES WATERS FARMA

27/11/2019

Concentaat : 540 ppm Pd

Permeaat : < 10 ppm Pd

Resultaten op Lab-schaal

Resultaten bevestigd op piloot schaal

Solvent-rijke water stroom met

(33)

FARMACEUTISCHE COMPONENT UIT DESTILLATIE AFVAL

▪ Teer residu (groot)

▪ API “Statol” (klein) 20 % !

▪ Oplosmiddel : alcohol

On-site recovery in Venlo :

✓ 52 batches of “Statol” behandeld

✓ elke batch 250 kg waardevolle API

✓ 6 maand processing (aug ‘13 – jan ‘14)

✓ 24h/dag + 7 dagen/week

(34)

27/11/2019

Minder energiegebruik

Minder CO ₂ uitstoot

(35)

ACETONE RECYCLAGE IN VOEDINGSINDUSTRIE

Bij productie van verschillende eetbare oliën (o.a. palm olie)

(36)

CO2 CAPTURE

27/11/2019

Verwijdering uit rookgas : slimme procesvoering nodig

MTR, US

(37)

CO2 CAPTURE

Verbranding met zuurstof

Keramisch membraan bij hoge T

Air Products, US

(38)

27/11/2019

Meer produceren met minder

(39)

PRODUCTIE VAN BIOBUTANOL

✓ Productiviteit x 2.5 

✓ Feedstock concentratie x 2.5 

✓ Stabiel proces > 200 h

✓ Butanol prijs > 10 % lager Verhoging productie door in-situ product recovery (ISPR)

suikers Membraan gekoppeld aan reactor

(40)

DRASTISCH MINDER REACTIESOLVENT

27/11/2019

+ X

Meer en meer farmaceutische componenten zijn cyclische moleculen

Groot solvent gebruik !

membraan

(41)

Niet fossiele feedstocks

(42)

NIET FOSSIELE FEEDSTOCKS

27/11/2019

Hout, grassen

algen

insecten

(43)

LIGNINE ALS FEEDSTOCK

bioaromaten Soep van gelijkaardige

moleculen !

(44)

LIGNINE ALS FEEDSTOCK

27/11/2019

LIGNIN ^DEPOLYMER- ISATION

SEPARATION &

PURIFICATION

CHEMICALS

MATERIALS CONSUMERS FEEDSTOCK

LignoValue Pilot (EFRO)

Bio-Polymers development

!

groot potentieel voor membranen

Nieuwe waardeketen faciliteren :

(45)

Conclusies en outlook

(46)

CONCLUSIES

Membranen :

✓ Niet meer weg te denken

✓ zeer flexibele, waardevolle scheidingstool

✓ Robuustheid technologie bewezen in water-gebaseerde scheidingen

✓ Zeer groot potentieel voor meer duurzame chemie

✓ Vlaanderen verschillende gerenomeerde groepen

(47)

OUTLOOK

Nieuwe ontwikkelingen :

✓ Gedreven door industriële noden

✓ VITO kan faciliterende rol spelen voor implementatie

✓ Richting modellen met goede voorspellingskracht

✓ De natuur wijst ons de weg bij innovatieve membranen/processen

✓ Meer scheiding op basis van affiniteit ipv grootte

(48)

27/11/2019

Technologie uit de natuur : Zetten membranen ons op weg naar een duurzame industrie?