Technologie
Bio als basis
20 mei 2012 door DDCEen nieuwe proeffabriek en een opleidingscentrum in Gent moeten die biogebaseerde economie een stap dichterbij brengen.
Als de olie op is, zullen we voor de productie van brandstof, plastics en chemicaliën uit een ander vaatje moeten tappen. Eentje dat is gevuld met houtchips, stro, bieten of een andere hernieuwbare grondstof. Een nieuwe proeffabriek en een opleidingscentrum moeten die biogebaseerde economie een stap dichterbij brengen.
In de oude brandweerkazerne in de Gentse haven hebben brandweerwagens plaatsgemaakt voor reactorvaten, fermentoren en centrifuges. In wat vroeger de garage was, worden vandaag bieten, granen, houtpellets en ander plantenmateriaal verwerkt. In een tweede fabriekshal, waar zich vroeger het privézwembad van de brandweerlui bevond, staan tanks in uiteenlopende formaten, waarin micro-organismen met de suikers uit de biomassa aan de slag gaan. Omdat een goede conditie belangrijk is voor de brandweerman, beschikte de kazerne ook over een eigen sporthal. Daar wordt vandaag met groene chemische processen geëxperimenteerd.
De Bio Base Europe Pilot Plant opent op 11 juni officieel de deuren, al is ze al bijna een jaar operationeel. ‘Het schip vaart al, maar is tegelijk nog in opbouw’, vertelt Wim Soetaert, verbonden aan de vakgroep Microbiële en Biochemische Technologie aan de Universiteit Gent en bezieler van het project. Over enkele maanden moet de proeffabriek volledig klaar zijn. Ze moet de kloof dichten tussen mooie resultaten in het lab en de productie van een nieuwe biobrandstof of een nieuw biomateriaal op industriële schaal. Bedrijven kunnen er enkele kilo’s tot enkele honderden tonnen van een nieuw product laten produceren om het potentieel van hun uitvinding te testen. Confidentialiteit gegarandeerd. De proeffabriek is zo gebouwd dat ze met diverse grondstoffen aan de slag kan. Machines zijn verplaatsbaar en kunnen naar believen met elkaar worden verbonden of van elkaar losgekoppeld. ‘Net zoals je in een keuken met dezelfde potten en pannen verschillende gerechten kan bereiden, kunnen wij met onze machines een breed scala producten maken’, zegt Soetaert.
Pef vervangt pet
Het draait in die biogebaseerde economie immers om veel meer dan de bekende biobrandstoffen. Plastics, chemische grondstoffen, vitamines, kleurstoffen en enzymen: zowat alles kan uit biomassa worden gepuurd. In de proeffabriek werd op vraag van een producent van ecologische was- en schoonmaakmiddelen al een proces ontwikkeld om een biologisch afbreekbaar detergent te produceren. Dat gebeurt op basis van koolzaadolie en glucose uit tarwe of mais, die door micro-organismen wordt verwerkt. ‘Het is bio tot de derde macht’, glundert Soetaert. ‘De grondstof, het productieproces met micro-organismen én het eindproduct zijn groen.’ Micro-organismen spelen in de biogebaseerde economie vaak een sleutelrol. Ze kunnen koolhydraten uit plantenmateriaal omzetten in een breed scala producten. ‘Er zijn vele soorten micro-organismen en we kunnen ze bovendien makkelijk genetisch modificeren’, zegt Soetaert. ‘Daardoor kunnen we ze laten doen wat we maar willen.’
Polymelkzuur (PLA) produceren bijvoorbeeld, een van de belangrijkste bioplastics van het moment. Micro-organismen zetten suikers om in melkzuur, waarvan dan via een polymerisatiereactie een lange keten wordt gemaakt. PLA zit als vezel in matrassen en kleding en wordt als plastic gebruikt voor voedselverpakkingen. Albert Heijn verpakt er biologische aardappels, paprika’s en avocado’s in, Delhaize onder meer zijn verse salades en sandwiches.
En er is meer. Styreen is een van de meest gebruikte bulkchemicaliën ter wereld. Polystyreen wordt gebruikt in plastic bekertjes en verpakkingen, isolatieschuim, lijmen en plexiglas. Wetenschappers van Wageningen Universiteit onderzoeken samen met bedrijven hoe je styreen uit biomassa kan produceren.Dat leverde al een proces op dat vertrekt van de eiwitten die overblijven bij de productie van bio-ethanol. Ook polyethyleen, onder meer gebruikt voor plastic zakken, flessen en gaspijpen, kan uit biomassa worden gewonnen, net als ethyleenglycol, dat in de ‘plantbottle’ van Coca Cola het uit aardolie afgeleide ethyleenglycol vervangt. Het resultaat is een petfles die voor ongeveer een derde ‘bio’ is – pet staat voor polyethyleentereftalaat, en voor het tereftalaat bestaat vooralsnog geen alternatief productieproces. De volgende stap is een pef-fles, van polyethyleenfuraan, dat volledig uit suikers kan worden geproduceerd. Het Nederlandse bedrijf Avantium produceert in een proeffabriek enkele tientallen tonnen pef per jaar voor onderzoek.
‘Het zwaartepunt in het onderzoek naar biomaterialen ligt bij de productie van basisbouwstenen waarmee je vervolgens een product naar keuze kan maken’, vertelt Harriette Bos van de afdeling Food and Biobased Research aan Wageningen Universiteit. Maar het kan ook anders. PHA’s of polyhydroxyalkanoaten zijn kunststoffen die door micro-organismen zelf al tot kant-en-klare lange ketens aan elkaar worden geregen. ‘Met genetische modificatie kunnen de micro-organismen zo worden gewijzigd dat ze nieuwe stoffen in zo’n keten inbouwen, waardoor je een product met andere eigenschappen krijgt’, vertelt Bos. Door de hoge kostprijs zijn er nog geen PHA’s op de markt. Medische en farmaceutische producten zoals schroeven en stents lijken een veelbelovend toepassingsgebied.
Het draait in die biogebaseerde economie immers om veel meer dan de bekende biobrandstoffen. Plastics, chemische grondstoffen, vitamines, kleurstoffen en enzymen: zowat alles kan uit biomassa worden gepuurd. In de proeffabriek werd op vraag van een producent van ecologische was- en schoonmaakmiddelen al een proces ontwikkeld om een biologisch afbreekbaar detergent te produceren. Dat gebeurt op basis van koolzaadolie en glucose uit tarwe of mais, die door micro-organismen wordt verwerkt. ‘Het is bio tot de derde macht’, glundert Soetaert. ‘De grondstof, het productieproces met micro-organismen én het eindproduct zijn groen.’ Micro-organismen spelen in de biogebaseerde economie vaak een sleutelrol. Ze kunnen koolhydraten uit plantenmateriaal omzetten in een breed scala producten. ‘Er zijn vele soorten micro-organismen en we kunnen ze bovendien makkelijk genetisch modificeren’, zegt Soetaert. ‘Daardoor kunnen we ze laten doen wat we maar willen.’
Polymelkzuur (PLA) produceren bijvoorbeeld, een van de belangrijkste bioplastics van het moment. Micro-organismen zetten suikers om in melkzuur, waarvan dan via een polymerisatiereactie een lange keten wordt gemaakt. PLA zit als vezel in matrassen en kleding en wordt als plastic gebruikt voor voedselverpakkingen. Albert Heijn verpakt er biologische aardappels, paprika’s en avocado’s in, Delhaize onder meer zijn verse salades en sandwiches.
En er is meer. Styreen is een van de meest gebruikte bulkchemicaliën ter wereld. Polystyreen wordt gebruikt in plastic bekertjes en verpakkingen, isolatieschuim, lijmen en plexiglas. Wetenschappers van Wageningen Universiteit onderzoeken samen met bedrijven hoe je styreen uit biomassa kan produceren.Dat leverde al een proces op dat vertrekt van de eiwitten die overblijven bij de productie van bio-ethanol. Ook polyethyleen, onder meer gebruikt voor plastic zakken, flessen en gaspijpen, kan uit biomassa worden gewonnen, net als ethyleenglycol, dat in de ‘plantbottle’ van Coca Cola het uit aardolie afgeleide ethyleenglycol vervangt. Het resultaat is een petfles die voor ongeveer een derde ‘bio’ is – pet staat voor polyethyleentereftalaat, en voor het tereftalaat bestaat vooralsnog geen alternatief productieproces. De volgende stap is een pef-fles, van polyethyleenfuraan, dat volledig uit suikers kan worden geproduceerd. Het Nederlandse bedrijf Avantium produceert in een proeffabriek enkele tientallen tonnen pef per jaar voor onderzoek.
‘Het zwaartepunt in het onderzoek naar biomaterialen ligt bij de productie van basisbouwstenen waarmee je vervolgens een product naar keuze kan maken’, vertelt Harriette Bos van de afdeling Food and Biobased Research aan Wageningen Universiteit. Maar het kan ook anders. PHA’s of polyhydroxyalkanoaten zijn kunststoffen die door micro-organismen zelf al tot kant-en-klare lange ketens aan elkaar worden geregen. ‘Met genetische modificatie kunnen de micro-organismen zo worden gewijzigd dat ze nieuwe stoffen in zo’n keten inbouwen, waardoor je een product met andere eigenschappen krijgt’, vertelt Bos. Door de hoge kostprijs zijn er nog geen PHA’s op de markt. Medische en farmaceutische producten zoals schroeven en stents lijken een veelbelovend toepassingsgebied.
Beter en goedkoper
‘De prijs van de meeste bioplastics moet nog verder naar beneden’, zegt Bos’ collega Christiaan Bolck. ‘We kunnen vandaag al veel maken, maar tegen een hoge prijs. Om met de bestaande producten te kunnen concurreren, mag die toch niet veel hoger liggen dan het dubbele van de huidige kunststofprijs.’
‘Daarnaast is de uitdaging in het onderzoek naar bioplastics vooral om materialen te ontwikkelen die net zo goed of beter zijn dan gewone plastics. Met name de water- en hitteresistentie van een aantal materialen laat nog te wensen over. Het is niet handig als je plastic fles niet tegen water kan of tegen de hoge temperaturen tijdens het pasteuriseren. Daar kun je op dit moment dus niet om het even welk materiaal voor gebruiken.’
Ook het populaire PLA is nog voor verbetering vatbaar. Het is bros, breekt snel en laat zuurstof, waterdamp en koolzuur door, waardoor het niet geschikt is om er koolzuurhoudende dranken in te bewaren. Onderzoekers proberen daar iets aan te doen door de structuur van PLA aan te passen. Ze proberen de stof ook taaier te maken, zodat ze kan worden gebruikt voor bijvoorbeeld autobumpers en het omhulsel van laptops en telefoons.
Bioplastics hebben niet alleen als troef dat ze uit hernieuwbare grondstoffen worden gewonnen. Chemiereus Dupont maakt propaandiol, een grondstof voor kunststof, uit mais, en beweert dat dat 40 procent minder energie kost.
Bos en haar collega’s gingen in een onderzoek naar de duurzaamheid van bioproducten na hoeveel broeikasgasuitstoot er wordt vermeden door bioplastics en biobrandstoffen te maken van een aantal gewassen − mais, tarwe, suikerbiet, suikerriet en miscanthus, een grassensoort. Bioplastics bleken telkens voor de grootste uitstootreductie te zorgen, in het bijzonder de vervanging van pet door PLA. ‘Bij de productie van pet uit aardolie moet je zuurstofmoleculen inbouwen, en dat kost veel energie’, legt Bos uit. ‘Gebruik je biomassa als grondstof, dan heeft de plant die moleculen er voor jou al ingestopt. De productie van benzine is wel een vrij efficiënt proces, waardoor de milieuwinst beperkter is.’ In Nederland bleek zowel voor de productie van biobrandstof als bioplastics de suikerbiet, met haar hoge opbrengst per hectare, de meest aangewezen grondstof.
‘De prijs van de meeste bioplastics moet nog verder naar beneden’, zegt Bos’ collega Christiaan Bolck. ‘We kunnen vandaag al veel maken, maar tegen een hoge prijs. Om met de bestaande producten te kunnen concurreren, mag die toch niet veel hoger liggen dan het dubbele van de huidige kunststofprijs.’
‘Daarnaast is de uitdaging in het onderzoek naar bioplastics vooral om materialen te ontwikkelen die net zo goed of beter zijn dan gewone plastics. Met name de water- en hitteresistentie van een aantal materialen laat nog te wensen over. Het is niet handig als je plastic fles niet tegen water kan of tegen de hoge temperaturen tijdens het pasteuriseren. Daar kun je op dit moment dus niet om het even welk materiaal voor gebruiken.’
Ook het populaire PLA is nog voor verbetering vatbaar. Het is bros, breekt snel en laat zuurstof, waterdamp en koolzuur door, waardoor het niet geschikt is om er koolzuurhoudende dranken in te bewaren. Onderzoekers proberen daar iets aan te doen door de structuur van PLA aan te passen. Ze proberen de stof ook taaier te maken, zodat ze kan worden gebruikt voor bijvoorbeeld autobumpers en het omhulsel van laptops en telefoons.
Bioplastics hebben niet alleen als troef dat ze uit hernieuwbare grondstoffen worden gewonnen. Chemiereus Dupont maakt propaandiol, een grondstof voor kunststof, uit mais, en beweert dat dat 40 procent minder energie kost.
Bos en haar collega’s gingen in een onderzoek naar de duurzaamheid van bioproducten na hoeveel broeikasgasuitstoot er wordt vermeden door bioplastics en biobrandstoffen te maken van een aantal gewassen − mais, tarwe, suikerbiet, suikerriet en miscanthus, een grassensoort. Bioplastics bleken telkens voor de grootste uitstootreductie te zorgen, in het bijzonder de vervanging van pet door PLA. ‘Bij de productie van pet uit aardolie moet je zuurstofmoleculen inbouwen, en dat kost veel energie’, legt Bos uit. ‘Gebruik je biomassa als grondstof, dan heeft de plant die moleculen er voor jou al ingestopt. De productie van benzine is wel een vrij efficiënt proces, waardoor de milieuwinst beperkter is.’ In Nederland bleek zowel voor de productie van biobrandstof als bioplastics de suikerbiet, met haar hoge opbrengst per hectare, de meest aangewezen grondstof.
Brandstof én voedsel
Het gebruik van voedselgewassen voor de productie van brandstoffen en plastics is een delicate kwestie. Olivier De Schutter, speciaal rapporteur voor het recht op voedsel bij de VN, nam eind 2011 nog het biobrandstofbeleid van de G20 op de korrel, omdat de prijsstijgingen die er uit volgen, de voedselzekerheid in ontwikkelingslanden in het gedrang kunnen brengen (zie ook ‘Biobrandstoffen onder vuur’). Zijn voorganger, de Zwitser Jean Ziegler, noemde de brandstoffen in 2007 nog ‘een misdaad tegen de menselijkheid.’
Soetaert vindt de brandstof versus voedsel-discussie niet geheel terecht. ‘Een kilogram graan levert ongeveer 0,33 kilogram bioethanol op en 0,33 kilogram eiwitrijk restproduct, dat als veevoer wordt gebruikt. Een kilogram koolzaad 0,4 kilogram biodiesel en 0,6 kilogram veevoer. Het is dus veeleer brandstof én voedsel. Maar toegegeven: het is wel veevoer en de omweg via vleesproductie is zeker niet de efficiëntste manier om de mens te voeden.’
Zowat alle biobrandstoffen die vandaag worden gebruikt, zijn zogenoemde brandstoffen van de eerste generatie: bio-ethanol die door micro-organismen wordt geproduceerd uit tarwe, mais, suikerriet of suikerbiet, en biodiesel op basis van koolzaad-, zonnebloem-, soja- of palmolie. ‘Maar de focus in het onderzoek is nu verschoven naar de brandstoffen van de tweede generatie’, zegt Soetaert. Die worden gemaakt uit afval, oogstresten zoals stro en maiskolven en niet-eetbare gewassen zoals grassen en wilgen of populieren.
Ook in andere sectoren is volgens Christiaan Bolck een verschuiving naar het gebruik van niet-eetbare grondstoffen merkbaar. ‘Al speelt de kwestie daar minder, omdat de hoeveelheid biomassa die je nodig hebt voor de productie van biomaterialen van een andere orde is. Om alle gekende chemicaliën in biovorm te produceren, heb je minder biomassa nodig dan er vandaag opgaat aan de productie van papier en karton.’
Het probleem is dat de koolhydraten in die niet-eetbare grondstoffen minder makkelijk beschikbaar zijn. ‘Daarom eten we brood en geen tarwestro’, zegt Soetaert. ‘Micro-organismen kunnen wel weg met de cellulose die in hout en oogstresten zit, maar die is gebonden aan lignine, dat voor stevigheid zorgt. Daardoor kunnen micro-organismen er niet zo goed bij.’ Dus is er een voorbehandeling nodig: naargelang het uitgangsmateriaal en het beoogde product wordt de biomassa fijngehakt of -gemalen en blootgesteld aan zuren of basen, stoom, hitte, microgolven of enzymen. ‘Net die vaak dure voorbehandelingstechnieken houden de tweede generatiebrandstoffen nog van de markt’, zegt Soetaert.
De meeste brandstoffen van de tweede generatie zitten op dit moment in de demonstratiefase. Volgens Soetaert zit er niets anders op dan in die richting verder te gaan. ‘De invloed van nog te ontwikkelen technologieën is niet te voorspellen. Bovendien hebben we niet veel keus: kijk naar het enorm milieubelastende proces waarmee men nu olie uit teerzanden probeert te winnen. De aardolie raakt vermoedelijk niet zo snel op, je zal er altijd wel nog ergens vinden. De vraag is tegen welke prijs.’
Het gebruik van voedselgewassen voor de productie van brandstoffen en plastics is een delicate kwestie. Olivier De Schutter, speciaal rapporteur voor het recht op voedsel bij de VN, nam eind 2011 nog het biobrandstofbeleid van de G20 op de korrel, omdat de prijsstijgingen die er uit volgen, de voedselzekerheid in ontwikkelingslanden in het gedrang kunnen brengen (zie ook ‘Biobrandstoffen onder vuur’). Zijn voorganger, de Zwitser Jean Ziegler, noemde de brandstoffen in 2007 nog ‘een misdaad tegen de menselijkheid.’
Soetaert vindt de brandstof versus voedsel-discussie niet geheel terecht. ‘Een kilogram graan levert ongeveer 0,33 kilogram bioethanol op en 0,33 kilogram eiwitrijk restproduct, dat als veevoer wordt gebruikt. Een kilogram koolzaad 0,4 kilogram biodiesel en 0,6 kilogram veevoer. Het is dus veeleer brandstof én voedsel. Maar toegegeven: het is wel veevoer en de omweg via vleesproductie is zeker niet de efficiëntste manier om de mens te voeden.’
Zowat alle biobrandstoffen die vandaag worden gebruikt, zijn zogenoemde brandstoffen van de eerste generatie: bio-ethanol die door micro-organismen wordt geproduceerd uit tarwe, mais, suikerriet of suikerbiet, en biodiesel op basis van koolzaad-, zonnebloem-, soja- of palmolie. ‘Maar de focus in het onderzoek is nu verschoven naar de brandstoffen van de tweede generatie’, zegt Soetaert. Die worden gemaakt uit afval, oogstresten zoals stro en maiskolven en niet-eetbare gewassen zoals grassen en wilgen of populieren.
Ook in andere sectoren is volgens Christiaan Bolck een verschuiving naar het gebruik van niet-eetbare grondstoffen merkbaar. ‘Al speelt de kwestie daar minder, omdat de hoeveelheid biomassa die je nodig hebt voor de productie van biomaterialen van een andere orde is. Om alle gekende chemicaliën in biovorm te produceren, heb je minder biomassa nodig dan er vandaag opgaat aan de productie van papier en karton.’
Het probleem is dat de koolhydraten in die niet-eetbare grondstoffen minder makkelijk beschikbaar zijn. ‘Daarom eten we brood en geen tarwestro’, zegt Soetaert. ‘Micro-organismen kunnen wel weg met de cellulose die in hout en oogstresten zit, maar die is gebonden aan lignine, dat voor stevigheid zorgt. Daardoor kunnen micro-organismen er niet zo goed bij.’ Dus is er een voorbehandeling nodig: naargelang het uitgangsmateriaal en het beoogde product wordt de biomassa fijngehakt of -gemalen en blootgesteld aan zuren of basen, stoom, hitte, microgolven of enzymen. ‘Net die vaak dure voorbehandelingstechnieken houden de tweede generatiebrandstoffen nog van de markt’, zegt Soetaert.
De meeste brandstoffen van de tweede generatie zitten op dit moment in de demonstratiefase. Volgens Soetaert zit er niets anders op dan in die richting verder te gaan. ‘De invloed van nog te ontwikkelen technologieën is niet te voorspellen. Bovendien hebben we niet veel keus: kijk naar het enorm milieubelastende proces waarmee men nu olie uit teerzanden probeert te winnen. De aardolie raakt vermoedelijk niet zo snel op, je zal er altijd wel nog ergens vinden. De vraag is tegen welke prijs.’
