Het is zo sterk als kevlar, zo stevig als aluminium, licht en volledig biobased. Eigenschappen die ervoor zorgen dat verschillende sectoren en bedrijven serieus onderzoeken hoe zij nanocellulose kunnen gebruiken in hun producten. In de proeffabriek van houtvezel-, papier- en pulpgigant Sappi op Brightlands Chemelot Campus in Geleen wordt met verschillende bedrijven gewerkt aan vernieuwende toepassingen zoals het consistenter en beter vloeibaar maken van beton, het verdikken van voedingsmiddelen, cosmetica of verf, nieuwe verpakkingen en lichtere composieten.

De mogelijkheden van nanocellulose zijn volgens Math Jennekens, directeur R&D van Sappi Europa en projectleider van de proeffabriek, onbegrensd. ‘Er zijn maar weinig biobased materialen met de unieke combinatie van eigenschappen van nanocellulose. Het is niet alleen sterk en licht maar ook zeer duurzaam. Het is het materiaal van de toekomst.’ Hij verwacht dat in 2020 de eerste resultaten op de markt zullen komen.

Verfijning

Jennekens startte zijn onderzoek naar nanocellulose acht jaar geleden. Hieraan vooraf ging een wijziging in de strategische doelstellingen van Sappi waarin werd gesteld dat de onderneming zijn kennis en kunde op het gebied van cellulose, en meer algemeen biomassa, actief zou gaan aanwenden voor innovatieve oplossingen in andere sectoren dan de papier- en pulpindustrie.

‘We vonden dat cellulose veel meer toegevoegde waarde kan hebben dan alleen te worden gebruikt in papier of allerlei non-wovens. We zagen de speciale eigenschappen van nanocellulose die in veel opzichten totaal anders zijn dan de cellulose zoals we die kennen. Samen met de Edinburgh Napier University hebben we de basistechnologie ontwikkeld om van hout afkomstige cellulose door te ontwikkelen tot ultra-fijne cellulose, en hebben we tevens een nieuwe technologie ontwikkeld om cellulose te drogen. Nadat het fundament stond, zijn we als bedrijf zelfstandig verder gegaan met het onderzoek naar verfijning van de technologie en toepassingen.’

tekst gaat verder onder de afbeelding

Jennekens: ‘We hebben de installaties in ons bedrijf in Maastricht omgebouwd en gaan ons helemaal focussen op verpakkingsmaterialen.’

Volledig herbruikbaar

Sappi is niet de enige die onderzoek doet naar nanocellulose. Er zijn meerdere partijen in de wereld die de bijzondere eigenschappen van het materiaal en de mogelijke toepassingen op waarde weten te schatten. Volgens Jennekens is de nanocellulose van de papierproducent, die onder de naam Valida op de markt wordt gebracht, echter uniek. ‘We spreken niet over nanocellulose, maar over cellulose die is aangepast aan de specifieke eisen en eigenschappen van nieuwe toepassingen. We zijn in staat om met derden de eigenschappen van het materiaal zodanig in te stellen dat de beoogde toepassing optimaal werkt.’

Daarnaast heeft Sappi de technologiein huis om de nanocellulose volledig te kunnen drogen, iets dat volgens de projectleider tot nu toe, zonder de oppervlaktechemie aan te passen, onmogelijk was. ‘Papier wordt bij elkaar gehouden door waterstofbindingen van vezels. Naarmate die vezel kleiner wordt, neemt het specifieke oppervlak toe en zullen er meer waterstofbruggen worden gemaakt. Dat betekent als je de vezels steeds kleiner maakt, je op een punt belandt waarop drogen letterlijk onmogelijk is’, legt Jennekens uit.

Andere partijen die bezig zijn met nanocellulose komen volgens hem niet verder dan een gel die tussen de twee en tien procent droge stof bevat en voor 98 tot 90 procent bestaat uit water. ‘Wij zijn in staat om het water helemaal te verwijderen en een soort poeder te maken. Dat heeft enorme logistieke voordelen. De omvang neemt af, je hoeft geen water mee te slepen, het wordt lichter en de dichtheid van Valida is vrij laag.’

Omdat de oppervlaktechemie niet verandert, kan het product volledig worden hergebruikt. ‘We kunnen het materiaal drogen en daarmee een volledig nieuw in vloeistof oplosbaar (dispergeerbaar) materiaal maken met dezelfde toepassing als het oorspronkelijke watergebaseerde materiaal. We zijn de eerste ter wereld die dit kunnen doen. Dat hebben we inmiddels op pilotschaal laten zien.’

Andere branches

Terwijl de mogelijkheden onbeperkt lijken, is het motto van de producent: schoenmaker blijf bij je leest. Jennekens: ‘Afhankelijk van hoe een nieuwe toepassing aansluit bij de huidige activiteiten, wordt bepaald of Sappi zelfstandig doorgaat met de ontwikkeling of dat ze een partner zoekt. Onze competentie is voornamelijk cellulose en daarvan afgeleid stoffen als nanocellulose. We hebben beperkte kennis en kunde van cosmetica, de voedingsindustrie of andere branches. Er lopen in de proeffabriek een aantal onderzoeken die we samen met voedingsfabrikanten, de betonindustrie en de cosmetica-branche doen.’

Potentieel

Jennekens verwacht dat in de toekomt Valida ook ter versterking kan worden toegevoegd aan andere biobased grondstoffen om nieuwe composieten te maken voor bijvoorbeeld de auto- of luchtvaartindustrie. ‘Op het moment dat je dit materiaal gaat gebruiken in transportindustrie, kun je eenzelfde sterkte en stijfheid bereiken met een lager gewicht. Dat heeft grote voordelen voor het brandstofverbruik. Kijk naar wat de luchtvaart en auto-industrie allemaal moet doen om één procent brandstof te besparen. Dit zijn middelen die daarbij kunnen helpen.’

De mogelijkheden voor Valida zijn volgens Jennekens onbegrensd. ‘We staan pas aan de vooravond van deze ontwikkeling. Als je kijkt naar het aantal patenten op het gebied van nanocellulose is duidelijk zichtbaar dat het snel gaat. Was het een paar jaar geleden nog iets waar vooral over werd gesproken, zie je nu steeds meer partijen die actief worden in onderzoek. Ik vermoed dat het steeds sneller zal gaan.’

Het is volgens hem ook een kwestie van momentum. ‘Grote concerns, vooral in de voedingsmiddelenindustrie, hebben de doelstelling om in 2025 geen conventionele plastics meer te gebruiken in hun verpakkingen. De techniek om dit mogelijk te maken ontstaat nu. Er is echter haast geboden, ze hebben nog maar zeven jaar. Investeringstrajecten lopen al snel twee jaar en niet alleen de grote concerns moeten deze investeringen doen, maar al hun toeleveranciers moeten ook mee. Nadat de investeringsbeslissing is genomen, moeten er nog allerlei toepassingsonderzoeken worden gedaan voordat je de productie kunt starten. De tijd begint te dringen.’

Snelle link

Op de vraag waarom Sappi, dat actief is in de hele wereld, nu juist heeft gekozen om de proeffabriek te vestigen op de Brightlands Chemelot Campus, antwoord de projectleider: ‘Dat is vrij voor de hand liggend. We zoeken naar toepassingsmogelijkheden op gebieden waar ons bedrijf op dit moment nauwelijks kennis of kunde heeft of actief is. Je zoekt dan een omgeving die de infrastructuur heeft om de proeffabriek indien en waar nodig te ondersteunen. Soms loop je in een pilot tegen fundamentele vragen aan waarbij kennis moet worden aangeboord die wij niet hebben. De campus is een plek bij uitstek waar ongelooflijk veel disciplines beschikbaar zijn die je nodig kunt hebben. Je hebt een complete infrastructuur en allerlei aanvullende diensten en onderzoeksinstituten die je uit dat dal kunnen trekken als het nodig is.’

tekst gaat verder onder de afbeelding

‘Het moet de cradle-to-cradle-analyse doorstaan, anders is het geen materiaal van de toekomst.’

Daarnaast biedt de campus de mogelijkheid om direct in contact te komen met een groeiend aantal ondernemingen die actief zijn en baanbrekend werk doen in advanced biodevelopment. ‘Dat is precies waar wij een belangrijk deel van onze toepassingen zien. Het zwaartepunt op de campus verschuift steeds meer richting biobased. Je hebt hoogwaardige analytische en fundamentele ondersteuningscapaciteit en een directe en snelle link naar een aantal universiteiten (Maastricht, Aken, Eindhoven) en samenwerkingsverbanden in het Maastricht-Aken consortium.’

Jennekens benadrukt ook de rol van de provincie Limburg die veel moeite doet om de campus te laten groeien. ‘Subsidies spelen ook een rol. De provincie Limburg heeft een deel van het onderzoek meegefinancierd omdat het product belangrijk is voor de versterking van de campus maar ook voor de regio. We hebben de installaties in ons bedrijf in Maastricht omgebouwd en gaan ons helemaal focussen op verpakkingsmaterialen. Valida gaat daar een grote rol in spelen. We werken met man en macht om de eerste te zijn die Valida toepassen in verpakkingen. Er lopen al grootschalige testen.’

Duurzame grondstoffen

Met het toenemende succes van de proeffabriek zijn er plannen om een grotere fabriek te bouwen, maar deze plannen zijn volgens Jennekens nog niet zover dat er een investeringsvoorstel ligt. Het is volgens hem nog te vroeg. ‘Eerst moet de technologie verder worden geoptimaliseerd.’

Als de fabriek er komt, zal deze zo duurzaam mogelijk zijn, verzekert Jennekens. In de jaren tachtig zijn er eerdere onderzoeken naar nanocellulose geweest die zijn stopgezet omdat het zeer veel energie kostte om nanocellulose te produceren. ‘Dat is nu anders. Onze doelstelling is het proces zo op te zetten dat het zo weinig mogelijk energie verbruikt. De inzet is ook gebruik te maken van duurzame grondstoffen. Het moet binnen de principes van de biobased circulaire economie passen. Daarin past niet dat je iets maakt wat vreselijk veel energie verbruikt en waarin je veel chemicaliën toepast. Het moet de LCE- (Life Cycle Engineering red.) of cradle-to-cradle-analyse kunnen doorstaan, anders is het geen materiaal van de toekomst.’

Voor Jennekens, die sinds 1989 bij Sappi werkt, zijn het mooie tijden. ‘Ik heb vanuit mijn onderzoeksfunctie de tijd van papier en karton nog in volle omvang meegemaakt. Een transitie naar nieuwe materialen is fascinerend. Ik ben heel erg blij onderdeel van deze ontwikkeling te mogen zijn. Ik heb een team van jonge goede wetenschappers om me heen die alles met enthousiasme aanpakken en oplossingen vinden die je niet zou vermoeden. Je ziet ook steeds meer belangstelling van studenten en pas afgestudeerden om onderdeel te mogen zijn van dit soort ontwikkelingen.’