Een beter voorbeeld van een milieuvriendelijk, kortcyclisch proces is moeilijk te bedenken: bacteriën die groeien in proceswater van een papierfabriek, produceren de basis voor een biologisch afbreekbaar alternatief voor plastics. De papierfabriek kan die biopolymeren weer toepassen in papiercoatings voor boekomslagen of puzzels. Intensieve samenwerking tussen de TU Delft en de industrie levert Nederland wereldwijd een voorsprong op in de productie van duurzame biobased en biologisch afbreekbare plastics.
De proeffabriek van Paques Biomaterials op het terrein van GETEC Park Emmen bewees dit najaar dat het proces werkt, niet alleen op laboratoriumschaal maar ook voor de productie van grote volumes PHA (polyhydroxyalkanoaat). Dit is de grondstof voor een breed scala aan biologisch afbreekbare producten.
Kort door de bocht werkt het zo: bacteriën halen massaal organische verontreinigingen uit het afvalwater en bouwen daarmee in de cel een energievoorraad op in de vorm van PHA, vergelijkbaar met de vetreserves bij vogels en zoogdieren. Onder de juiste condities proppen de bacteriën zich vol met PHA, tot wel 90 procent van hun totale biomassa. De bacteriën worden uit het water gefilterd, dat vervolgens als industriewater opnieuw in het fabrieksproces kan worden ingezet. Uit de bacteriën in het filtraat wordt het PHA gehaald waarmee een gespecialiseerde producent, zoals Helian Polymers uit het Limburgse Belfeld, diverse soorten bioplastics kan maken.
Bioplastic kan jaren meegaan
De meeste mensen hebben ervaring met bioplastics in de vorm van de composteerbare afvalzakjes voor GFT, waar de bodem uitvalt als je na een paar dagen de pedaalemmer wilt legen. Dat beeld is herkenbaar maar zeker niet volledig, vindt Ruud Rouleaux, CEO van Helian Polymers. “De afbraak van PHA hangt helemaal af van het type bioplastic, de omstandigheden van het gebruik en vooral de aanwezigheid van microbiële activiteit. We hebben proefstaafjes van 4 mm bij Bretagne in de Atlantische Oceaan liggen die er tien jaar over doen om afgebroken te worden. Maar dan zijn ze ook helemaal geconsumeerd en blijven er geen microplastics over.”
Het tegengaan of vermijden van microplastics is een belangrijke drijfveer voor de ontwikkeling van biologisch afbreekbare plastics. Vorig najaar toonden wetenschappers nog met een artikel in Science aan dat de hoeveelheid plastic in oceanen in twintig jaar tijd met 50 procent is toegenomen. Microplastics worden nu overal in ons voedsel aangetroffen, zoals in mosselen, oesters, bier, zeezout en kraanwater. Ze zijn zelfs al aangetoond in menselijk weefsel en er zijn aanwijzingen dat microplasticdeeltjes zorgen voor ontstekingen en orgaanschade.
Geen microplastics met PHA
PHA-gebaseerde materialen hebben dat probleem niet (zie kader). De koolstofketens waaruit deze plastics zijn opgebouwd, kunnen dienen als voedsel voor bacteriën die ze uiteindelijk helemaal omzetten in kooldioxide en water. Veel van de bioafbreekbare plastics worden nu gemaakt uit gewassen die speciaal voor dit doel worden gekweekt. Rouleaux: “Deze plastics zijn wel afbreekbaar maar niet geheel duurzaam, want je hebt er land, water, mest en energie voor nodig.” Het proces dat Paques Biomaterials heeft ontwikkeld omzeilt dat probleem. Door afvalwater in te zetten, slaat het bedrijf twee vliegen in één klap: het afvalwater wordt gezuiverd en het bacterieslib levert een zeer waardevolle grondstof. “Sinds mei kunnen we in de proeffabriek tientallen kilo’s PHA per dag produceren”, vertelt René Rozendal, CEO bij Paques Biomaterials. “Dat is nu voldoende om afnemers in de gelegenheid te stellen materiaaltesten te doen en levert ons ervaring op om de commerciële opschaling voor te bereiden.”
Sinds mei kunnen we in de proeffabriek tientallen kilo’s PHA per dag produceren.”
De basis van het proces werd gelegd op de TU Delft waar de afdeling Biotechnologie al sinds de eeuwwisseling onderzoek doet naar microbiële processen om afvalwater te zuiveren. De universiteit werkt daarbij al lange tijd nauw samen met het waterzuiveringsbedrijf Paques, het voormalig moederbedrijf van Paques Biomaterials. De groep van Robert Kleerebezem, universitair docent aan de TU Delft, onderzoekt vooral de ecologische processen en de biologie van de organismen in het afvalwater. Paques brengt industriële expertise in en zoekt naar toepassing en opschaling van de resultaten van het wetenschappelijk onderzoek.
Opschalen was een zoektocht
Dat sommige bacteriën PHA’s maken was al lang bekend, maar de optimalisatie van dat proces was nog een jarenlange zoektocht. Onder ideale laboratoriumomstandigheden was het mogelijk één type bacterie tot 90% PHA-verzadiging te brengen. Om die situatie te creëren, is het wel nodig dat alles verder steriel gebeurt en bij de juiste temperatuur. Dat maakt het proces complex en minder duurzaam. Kleerebezem: “We hebben ontdekt dat wanneer je een mengpopulatie PHA-producerende bacteriën eerst traint, ze ook tot die 90 procent kunnen komen in minder gecontroleerde omstandigheden. In een aantal cycli laten we ze eerst maximaal voedingsstoffen opnemen en PHA aanmaken, daarna hongeren we ze uit waardoor ze al hun PHA verbruiken en vervolgens voeden we ze weer met voedselrijk afvalwater. Daarbij is het ook toevoegen van een optimale hoeveelheid stikstof belangrijk zodat ze ook de eiwitten kunnen maken die ze nodig hebben om te groeien.”
In Italië en Spanje werken er ook groepen aan PHA-productie uit afvalwater, maar die zijn nog lang niet zo ver als hier.”
De groeiomstandigheden zijn ook van belang voor de samenstelling van PHA. Rouleaux: “PHA is eigenlijk een familie van verschillende bouwstenen. Het zijn copolymeren, ofwel ketens van verschillende lengtes en samenstelling. De variatie van ketens in PHA bepaalt de eigenschappen van de bioplastics die je ermee kunt maken.” Het gaat dan om eigenschappen als verwerkbaarheid en stabiliteit, maar ook de mate waarin de moleculen een kristal kunnen vormen. De omstandigheden waaronder de bacteriën de PHA produceren, zijn van invloed op de ketenlengtes die ze aanmaken. De intensieve samenwerking tussen de TU Delft en de industriële partners maakt Nederland tot een koploper op dit gebied. Kleerebezem: “In Italië en Spanje werken er ook groepen aan PHA-productie uit afvalwater, maar die zijn nog lang niet zo ver als hier.”
Plannen klaar voor uitbreiding
Rozendal vertelt dat de samenwerking met papierfabriek Eska in Hoogezand al in 2015 is gestart met een pilotproject. Daarin zijn de processen van de papierfabriek en de PHA-productie inmiddels heel goed op elkaar afgestemd. De bedrijven hebben een joint venture opgericht die uiteindelijk de volledige proceswaterstroom moet gaan verwerken. De komende maanden valt de investeringsbeslissing om de productie-installatie op te zetten.
Rozendal werkt ook plannen uit voor een veel grotere productielocatie in Emmen met GETEC en Looop, een bedrijf dat zich richt op ‘closing the loop’. Deze PHA-fabriek krijgt een beoogde productiecapaciteit van 6.000 ton per jaar ofwel vier keer zo veel als de Eska-fabriek in Hoogezand. Het plan is om deze PHA-fabriek te voeden met bijproducten uit de voedingsmiddelenindustrie. “Het investeringsbesluit daarover verwachten we eind 2026 of begin 2027 te nemen.”
Regelgeving werkt niet mee
De wereldwijde productie van PHA bedraagt nu ongeveer 100.000 ton per jaar. Naar verwachting groeit die hoeveelheid in vijf jaar tijd naar een miljoen ton. “Op dit moment bedraagt het totale gebruik van standaard plasticsoorten ongeveer 1 miljoen ton per dag”, stelt Rouleaux. “De PHA-productie is dus voorlopig slechts een druppel in de oceaan.” Hij ziet dat het onderwerp bioafbreekbare plastics niet erg leeft onder consumenten en industrie. “Cash is king. Mensen zijn toch vaak hebberig, om het zo maar te zeggen. Dan doen ze maar een oogje dicht als het gaat om het milieu. In de regel is PHA nu twee tot zes keer zo duur in vergelijking met standaard plastics.” Dat prijsverschil komt doordat de bioplastics-industrie de schaalvoordelen mist die de fossiele plasticindustrie wel heeft. Bovendien is de aardolielobby erg sterk waardoor de overheid niet erg meehelpt die situatie te veranderen, constateert Rouleaux.
Zonder overheidsingrijpen blijft de transitie naar bioplastics een nichemarkt.”
Rozendal wijst daarbij op inconsistentie in de Europese regelgeving. “In de Single Use Plastic Directive (SUPD) bijvoorbeeld wordt PHA geclassificeerd als plastic omdat het materiaal industrieel wordt geproduceerd, ondanks dat het 100% biologisch afbreekbaar is. Het gevolg is dat PHA niet gebruikt mag worden in toepassingen voor eenmalig gebruik, waar het juist door de biologische afbreekbaarheid de meest duurzame oplossing zou zijn.” Tegelijk stimuleert zowel de nationale overheid als de EU de ontwikkeling van biogebaseerde materialen via subsidies en innovatieprogramma’s, zoals het BioBased Circular-programma, gefinancierd uit het Nationaal Groeifonds. Rouleaux: “Zonder overheidsingrijpen blijft de transitie naar bioplastics een nichemarkt. De overheid moet zorgen voor duidelijke regels, handhaving en ondersteuning van duurzame ketens – anders verandert er te weinig en te langzaam.”
Bioplastics vs biologisch afbreekbare plastics
Er bestaan heel veel soorten plastics en bioplastics. Van oudsher zijn plastics een aardolieproduct en slecht afbreekbaar. Grotere plastic voorwerpen breken in de natuur tot steeds kleinere fragmenten zodat uiteindelijk microplastics overblijven die vaak ophopen in organismen. Bioplastics zijn daarentegen gemaakt van natuurlijke grondstoffen zoals maïs, aardappelen, suikerriet of hout. Het voordeel van bioplastics is dat de gewassen al CO2 opgenomen hebben. Ze hebben daardoor een gunstige CO2-voetafdruk. Toch zijn lang niet alle bioplastics in de natuur afbreekbaar, ondanks hun biologische oorsprong. Bioplastics gemaakt van polymelkzuur (PLA) bijvoorbeeld breken alleen af in industriële composteringsinstallaties bij hoge temperatuur en vochtigheidsgraad. In de natuur breken ze echter heel slecht af en vormen dan nog steeds microplastics.
Bioplastics gemaakt van PHA (polyhydroxyalkanoaat) zijn juist heel goed biologisch afbreekbaar. Voor echte duurzame bioplastics is het dus belangrijk te zoeken naar polymeren gemaakt van biologische grondstoffen en met eigenschappen waardoor ze geschikt zijn voor specifieke toepassingen, maar met een eindige levensduur zodat ze uiteindelijk afbreken volgens natuurlijke processen.
Slapende reus
De markt voor bioplastics op basis van PHA bevindt zich nog in de opstartfase. Zowel de productiecapaciteit als de kosten en de marktvraag horen daarbij. Toch ziet Ruud Rouleaux van productiebedrijf Helian Polymers al twintig jaar de kansen van dit milieuvriendelijke alternatief voor fossiele plastics en steekt zijn nek uit voor de ontwikkeling ervan. Toepassingsgebieden zijn onder meer:
- 3D-printing waarbij de focus ligt op printbare duurzame producten op basis van afval.
- Verpakkingen voor groenten, fruit en cosmetica van merken die duurzaamheid serieus nemen.
- Evenementenbekers, want PHA is sterk genoeg voor meerdere wasbeurten.
- Designartikelen zoals woonartikelen, vazen en dergelijke waarbij duurzaamheid, esthetiek en gewicht belangrijk zijn.
