HybSi-membraan robuust bij gas- en vloeistofscheiding in chemie ‘Het lukt ons wel om het stuk te maken, maar we moeten ontzettend ons best doen.’ Het kantoor van Plant One is schaars gemeubileerd. Wat lage kastjes onder het raam, waar een witte veiligheidshelm op ligt. Een eenzame laptop op het bureau. ‘Ik ben er net ingetrokken,’ zegt Karin Husmann verontschuldigend. Ze is directeur van deze testfaciliteit in procestechnologie. Veelbelovende procesverbeteringen in het laboratorium kunnen op pilot en demonstratie schaal worden getest en uitontwikkeld voor toepassing in de industrie. We zijn hier voor zo’n product dat getest wordt: het HybSi-membraan.
Wat is HybSi? HybSi is een organisch-anorganisch, hybride, op silica gebaseerd membraan voor gas- en vloeistofscheidingen in chemische processen. Het membraan is hybride doordat elke siliciumatoom niet alleen gebonden is aan zuurstofatomen zoals in puur silica, maar ook gebonden is aan een koolwaterstof groep. In het HybSi-membraan gedragen die organische delen zich daardoor als integrale verbindingsfragmenten waar organische en anorganische delen effectief samenwerken. Hierdoor is het membraan uitstekend geschikt voor pervaporatie toepassingen: het selectief verdampen van één component uit een vloeibaar mengsel. HybSi is niet het enige pervaporatiemembraan op de markt; er zijn er meerdere, alle met hun eigen voor- en nadelen. Bij gangbare pervaporatiemembranen moet echter een nauwkeurige keus worden gemaakt en er is veel kennis van het proces nodig. Door de hoge stabiliteit in zure, waterrijke en agressieve oplosmiddelen heeft HybSi een veel breder toepassingsgebied. Een prototype van het membraan is getest en heeft 1000 dagen lang stabiel gefunctioneerd in een industrieel interessant pervaporatieproces (zie Journal of Membrane Science referentie boven). De meting vond plaats bij een temperatuur waar de bekende membranen een levensduur van slechts uren of dagen hebben. Er zijn verschillende patent verleend op deze vinding en ECN zal als patenthouder de verdere ontwikkeling en vermarkting van het membraan ter hand nemen. De eigenschappen van HybSi kunnen worden toegesneden op de toepassingen en naast pervaporatie zijn ook gasscheidingen en nanofiltratie toepassingen denkbaar (zie Adv Func Mater). Verdere ontwikkeling en optimalisering van het materiaal en de depositietechniek zal dit moeten uitwijzen. (foto of infographicNV) Veel uitzicht heeft het kantoor van Plant One wel. Ramen naar twee kanten en het ligt op de eerste verdieping. Zo kijk je over een groot deel van het enorme Botlekgebied, dat er vandaag
grauw bij ligt door de hevige regen van de Nederlandse zomer. Onder de wolken staan imposante gebouwen en installaties zover het oog reikt. ‘Zullen we naar even beneden gaan?’ Karin Husmann diept uit een kast een tweede helm voor de interviewer op en we lopen de stalen trappen af, een grote hal in. ‘Dit was vroeger een perspexfabriek,’ zegt ze, ‘het gebouw is aangepast aan de eisen van de tijd.’ We lopen onder de hoge spanten door naar een ingewikkeld uitziend apparaat met buizen. Hier staat het HybSimembraan, opgeschaald vanaf laboratoriumgrootte naar een “vierkante meter” schaalmodel.
Jaap Vente is de man achter HybSi. Als ECN’er is hij vanaf het begin bij het door STW gefinancierde onderzoek op de Universiteit Twente en de Universiteit van Amsterdam betrokken geweest. We bezoeken hem thuis. Hij blijkt een vriendelijke, enthousiaste prater. Wat was het uitgangspunt voor het onderzoek? Vente: ‘We begonnen met de vraag: wat voor materiaal is het meest stabiel voor een scheidingsmembraan? We hadden al membranen gemaakt met prima scheidingseigenschappen. De stabiliteit was lange tijd onderbelicht geweest. We besloten de vraag om te draaien en te beginnen met een stabiel materiaal. De uitdaging was om daar een goed membraan van te maken’ Hij lacht even bij de herinnering. ‘In het STW-project zijn ze daarmee begonnen. Het was een lange zoektocht en daar is toen één recept uitgekomen. “We hebben iets dat op een membraan lijkt.”’ De promovenda is toen meteen naar Petten gekomen om het op een buis te coaten zodat we het onder relevante omstandigheden konden testen.’ Schudt het hoofd. ‘Het membraan verslechterde gedurende de eerste drie weken. We hebben het toen laten zitten, maar wel de lange duur meting door laten lopen. En wat bleek, na drie maanden was het membraan, als vanzelf, stabiel geworden. Toen dachten we: dat moeten we gaan patenteren.’ En toen? ‘Het eerste jaar was gericht op het verkennen van de mogelijkheden van dit type membraan. We hebben met UT en de UvA samengewerkt en hebben toen 10 verschillende soorten smaken gemaakt. Daar kwamen nieuwe membranen uit die 1000 dagen tot volle tevredenheid hebben gedraaid.’ Eén ervan was HybSi? Geestdriftig: ‘Ja! En nu testen we bij Plant One een één “vierkante meter” opstelling. Dat is echt een hele pot groter! Een factor 100, en dat is ons ambitieniveau! We komen er trouwens steeds
meer achter dat er niet één HybSi membraan is. Het is een hele familie aan membranen waarvan de eigenschappen nauwkeurig afgestemd kunnen worden op de toepassing. Dit wordt o.a. gedaan in een tweede STW project op dit onderwerp.’ Hoe lang gaan jullie testen? Haalt schouders op. ‘Misschien gaat hij acht tot tien weken draaien om het vereiste watergehalte te halen. Het is dus meer een systeemtest.’ Welk resultaat verwacht je? Serieus: ‘We streven de standaard te worden op de pervaporatie markt. HybSi moet het merk worden waar de concurrentie zich mee vergelijkt.’ Is er concurrentie? ‘O ja, gelukkig wel. Maar de zeoliet A membranen hebben een beperkte zuurstabiliteit en polymeren hebben problemen met sommige vele oplosmiddelen. HybSi wordt de standaard door de grotere stabiliteit en bredere toepassingsgebied.’ Dus HybSi is robuust? ‘Het lukt ons wel om het stuk te maken, maar we moeten ontzettend ons best doen.’
Welke toepassingen zie je? ‘Het ontwateren van organische oplosmiddelen. Wat op korte termijn echt booming zou kunnen worden is ethanol. Per liter ethanol kun je een kostenbesparing van 2 à 3 cent behalen en ik denk dat dat nog een onderschatting is. En zuiverder water natuurlijk. Een moleculaire zeef heeft ook meer last door vervuiling van bijproducten uit de fermentatie.’
Hoe zie je de toekomst? Ad rem: ‘Je bouwt geen plant voor bioethanol meer zonder een HybSi-membraan.’ Trots op het product Het bedrijf Pervatech brengt het HybSi-membraan op de markt. Vente: ‘Pervatech was één van de andere leden van de gebruikerscommissie van het project, en nu hebben ze een licentie op het eerste commerciële product. Ze zijn trots op het product. Nadat ze HybSi zijn gaan produceren is de belangstelling voor het bedrijf sterk gegroeid.’ Het streven is om het membraan ook door een internationale partij te laten aanbieden, en uiteindelijk ook door een derde partij. Wij denken dat dit nodig is om voldoende vertrouwen in de markt te generen. Reactie op het onderzoek per mail van directeur Pervatech, Frans Velterop: ‘Dit soort fundamenteel onderzoek, zoals gefinancierd door STW, is onmogelijk uit te voeren door MKB bedrijven, en ik denk dat dat ook moeilijk is voor grotere bedrijven. Door de samenwerking van Universiteit Twente, Universiteit Amsterdam, ECN en vanuit de industrie o.a. Pervatech BV, is het mogelijk om beschikbare kennis vanuit diverse invalshoeken te bundelen, hiermee nieuwe producten en processen te ontwikkelen, te meten wat er is gevonden (voor het kleinere MKB onmogelijk) en door te ontwikkelen tot bruikbare productietechnologie. Voor Pervatech was de implementatie van de HYbSi membraan technologie vrij eenvoudig, omdat wij al productiemethodologie hebben ontwikkeld voor de 1e en 2e generatie silicagebaseerde keramische membranen. Hierin zijn wij tot een zeer hoge graad van perfectie gekomen, met een “yield” in productie van 99+%. De implementatie voor de productie van HybSi vereiste van onze kant uit slechts overzetten van de solpreparatie en aanpassen van de coatmethodologie. Verder moest er wel in productieapparatuur geïnvesteerd worden. De samenwerking met ECN in het kader van de HybSi licentie, werkt ook heel erg goed uit richting markt, de gecombineerde PR en marktbewerking van ECN en Pervatech levert meer op dan “een plus een is twee”. Dat gaat meer richting 1 + 1 = 32. Marktontwikkeling is een traag proces, maar de introductie en daarmee het succes van HybSi is mijns inziens niet meer te stoppen. Naar mijn mening hebben we met HybSi een superieur product, dat slechts nog tijd nodig heeft om een dominante positie in scheidingsprocessen te veroveren, te starten met het ontwateren van agressieve oplosmiddelen en condensatiereactiemengsels.’ Een laatste vraag aan Jaap Vente: Dit proces kun je wel innovatie noemen. Maar hoe stuur je dat? ‘Hoe je innovatie krijgt? Moeilijk, als de plantmanager ook eens verantwoordelijkheid krijgt voor innovatie, als hij nou eens ook daarop wordt afgerekend....’ Met een grijns: ‘En koppigheid en volharding is belangrijk: je moet ervan overtuigd zijn dat het werkt en bereid om af en toe tegen de stroom in te roeien.’ Tegelijkertijd is een degelijke patentstrategie een noodzaak. Er wordt veel over R & D (Research en Development) gesproken. En ja dat is belangrijk voor het doen van uitvindingen. Voor innovatie is de D & D (Development and Demonstration) echter essentieel, en voor de laatste D is Pilot One.
Dat brengt ons terug op de betonnen fabrieksvloer. Karin Husmann: ‘Plant One is er voor alle bedrijven die een pilot willen testen op het gebied van duurzame innovaties. Dat zullen vooral innovaties in de procesindustrie zijn, maar ook apparatenbouwers kunnen bij ons testen. Elke partij die een installatie heeft maar geen locatie om hem te testen, hetzij vanwege milieu eisen, ruimtegebrek, personeelsgebrek of een consortium dat graag een neutrale plek wil, kan hier terecht. Onze milieuvergunning biedt ruimte voor pilots waarvoor normaal gesproken een eigen milieuvergunning verplicht is. Wij hebben een zogenaamde koepelvergunning en daardoor is de procedure voor vergunningverlening slechts 6 weken in plaats van minimaal 6 maanden, maar meestal meer dan een jaar.’ We staan bij het ingewikkeld uitziende apparaat met buizen dat de pervaporatie test opstelling is. Een technicus sleutelt aan de opstelling. Er moet iets afgesteld worden. Dat moet buiten gebeuren wegens veiligheidsvoorschriften. We kijken naar de hemel en Husmann zegt: ‘Het is droog, we rijden hem naar buiten.’ www.hybsi.com www.plant-one.nl www.pervaporation-membranes.com Recente publicaties: J. Mem Sci http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2011.06.040 Adv. Func. Mater http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201002361
Update januari 2012: ECN verkoopt licentie HybSi® membraantechnologie aan marktleider Ceramiques Techniques Industrielles
De Franse marktleider voor de fabricage van keramische membranen, Ceramiques Techniques Industrielles (CTI), heeft van ECN de rechten verworven voor de vermarkting van het HybSi® membraan. Met behulp van deze HybSi® nanozeef is het mogelijk om diverse industriële oplosmiddelen te zuiveren tegen lagere kosten en met een hogere energie efficiency. In dit membraan komen uitstekende prestaties en een ongekende stabiliteit bij elkaar. Link naar volledige bericht: http://www.ecn.nl/news/item/date/2012/01/18/ecn-verkoopt-licentie-hybsiRmembraantechnologie-aan-marktleider-ceramiques-techniques-industrielle/
