Download het artikel in 
ENGINEERINGNET - Voor een volgende generatie gingen researchers op zoek naar plantensoorten die (nog) niet echt tot ons dieet behoren, zoals zeewier. Een derde generatie grondstoffen wordt gevonden in afvalproducten van planten maar nu ook van... dieren.
Het Europese onderzoeksproject Animpol demonstreerde de haalbaarheid van een proces dat biokunststoffen wint uit slachtafval. Het leunt daarbij nauw aan bij de productieketen voor biodiesel. EngineeringNet sprak met projectleider Martin Koller van de Technische Universiteit van Graz in Oostenrijk.
Het Animpol-project verzamelde data voor een proeffabriek van PHA -polyhydroxyalkanoaten- biopolyester uit dierlijke afvalstoffen. PHA’s zijn een familie biopolymeren die gewonnen wordt uit hernieuwbare grondstoffen.
PHA heeft thermoplastische eigenschappen zoals polypropyleen en latex-achtige materialen. Deze materialen bleken niet alleen ‘ecologisch’ maar ook ‘bio-afbreekbaar’ en ‘biocompatibel’ (o.a. met voeringcellen), bijvoorbeeld voor implantaten of hechtingen in de chirurgie.
Kostprijsberekeningen op basis van de experimentele data gaven aan dat de ANIMPOL-PHA geproduceerd kan worden tegen €2 per kilogram. Dat is alvast heel wat minder dan andere productiemethodes voor PHA. «Daarmee kunnen we nog niet concurreren met kunststoffen uit petroleum maar we zitten in de goede richting», zegt Martin Koller.
«Het is echter wel belangrijk de productie van deze polymeren te integreren in bestaande productielijnen van grote biodieselfabrieken.» Daar worden met de dierlijke afvallipiden namelijk grote hoeveelheden van de gesatureerde fractie biodiesel geproduceerd. Hij benadrukt echter dat de economische efficiëntie in grote mate zal afhangen van de ontwikkelingen zowel in de petroleum- àls de biodieselmarkt. En die zien er vandaag misschien niet zo rooskleurig uit.
Betere biodiesel én PHA-biokunststof
De Europese vleesindustrie produceert jaarlijks zo’n 500.000 ton aan dierlijke afval of lipiden. Als je die allemaal omzet naar biodiesel (esters van vetzuren of FAE) door transesterificatie bekom je een FAE-massa van zo’n 490.000 ton per jaar. Die FAE-massa bevat een esterfractie van zo’n 55 % verzadigde vetzuren (SFAE) dat minder goede brandstofeigenschappen heeft. Mits het scheiden van die SFAE valt een biobrandstof te produceren die enkel bestaat uit de onverzadigde FAE-fractie.
Deze SFAE kan anderzijds wel aangewend worden als koolstofvoeding bij de biosynthese van PHA. Tijdens de transesterificatie ontstaat ook glycerol, zo’n 10% van de input. Glycerol is een laagwaardig bijproduct in de biodieselproductie maar is in het Animpol-proces nog een bijkomende koolstofbron. Het PHA-productieproces omvat meerdere stappen: hydrolyse, rendering (hittebehandeling), de productie van biodiesel en fermentatie maar ook microfiltratie, homogeniseren bij hoge druk en centrifugeren.
De productie van de PHA loopt dus parallel met de productie van biodiesel, vlees- en beendermeel. Micro-organismen produceren PHA’s als koolstof- en energieopslagmateriaal van koolstofsubstraten zoals suikers, organische zuren, alkoholen of lipiden. Het gaat om een aërobisch proces. PHA heeft de eigenschappen van elastomeren, rubbers of latex afhankelijk van de precieze samenstelling van de PHA op moleculair niveau. Dat hangt op zijn beurt weer af van het gebruikte koolstofsubstraat en de microbiële productie.
Tijdens het project leerden de partners het biotechnische productieproces van PHA uit slachtafval te optimaliseren. «Het oogsten van PHA uit cellen is verbeterd. Er komen geen gevaarlijke solventen aan te pas. Er werden nieuwe formuleringen van PHA ontwikkeld evenals nieuwe PHA-gebaseerde composietmaterialen.»
Uit de verschillende grondstoffen werden prototypes in PHA geproduceerd. De industriële partner in het project, Termoplast, produceerde PHA op laboschaal, op ‘kilogram-schaal’. Maar nu de haalbaarheid is aangetoond in het Animpol-project, plant het consortium een pilootfabriek te bouwen.
Beduidend kleinere voetafdruk
In een recent artikel berekenden hij en anderen dat de productie van een ton PHA een ecologische voetafdruk heeft van 372.950 m² tot 956,060 m² ‘energetische oppervlakte’, afhankelijk van de gebruikte energiemix. In vergelijking zou de productie van een ton LDPE (low density polyethyleen) 2,5 tot 7 keer meer vergen (2.508.409 m2).
Die berekening bouwde op een proces dat ontwikkeld werd voor een productie van 10.000 ton PHA per jaar met slachtafval als grondstof. Geen wonder dat er heel wat onderzoek gebeurt naar het produceren van PHA met restproductenstromen -zoals lactose maar ook (melk)wei, melasse, e.a.- als koolstofbron.
(foto's: Technische Universiteit van Graz)
door Luc De Smet, Engineeringnet
Kader 1:
Soylent green?
Uiteraard stellen zich een aantal ethische vragen bij deze nieuwe ontwikkelingen. Velen vinden het verwerpelijk ‘voedsel’ te gebruiken om er kunststoffen van te maken. Uit maïs, bijvoorbeeld.
Het stoot heel wat minder tegen de borst als men kunststoffen kan produceren uit ‘afvalproducten’ zoals houtresten, stro, wei,... Maar wat als daarvoor dierlijke resten - kadavers - gebruikt worden? Vandaag worden die resten al aangewend om ‘biodiesel’ te maken. Waarom zou je die ‘grondstoffen’ dan alleen maar verbranden als je er meer waarde kunt uithalen?
Het omgaan met die bepaalde reststroom wordt voortdurend gesofisticeerder en men kan zich best wel indenken dat er in de toekomst hele industrieën op gebouwd worden. Maar wat als die bevoorrading opdroogt? Omdat de consument ‘vegetariër’ wordt, bijvoorbeeld. Zullen deze industrieën dan voor hun voortbestaan dergelijke stromen aan de gang houden en een beroep doen op ‘virgin material’? Al was het maar om ‘tijdelijke tekorten’ uit te balanceren? Vragen die ons vandaag wellicht nauwelijks wakker houden. En morgen? Waarom denk ik dan onwillekeurig aan de filmklassieker ‘Soylent green’?
(lds)
Kader 2:
In een ander EU-onderzoeksproject WHEYPOL ging men na welke mogelijkheden ‘wei’ heeft als grondstof voor PHA. Jaarlijks produceren melk- en kaasfabrieken in Europa meer dan 40 miljoen ton wei waarvan vandaag zowat de helft -45 procent- wordt weggegoten. De lactose in wei kan echter als een substraat gebruikt worden in het bioproces om PHA te produceren.
In een derde EU-onderzoeksproject -WHEYLAYER- ontwikkelden onderzoekers met de proteïnen uit wei een biodegradeerbare bekleding die verpakkingsfolie luchtdichter maakt. De ‘weidichting’ resulteerde in een 30 keer kleinere Oxygen Transmission Rate (OTR) -de mate waarin zuurstof doorheen de folie migreert. Daardoor oxideren verpakte producten minder snel en blijven ze dus langer houdbaar. De zuurstofbarrière biedt een bijkomende bescherming tegen vocht en oxidatie.
Wei bevat zo’n 6,5 gram proteïnen per liter. Die lange proteïne moleculen vormen een ‘zuurstofdichte’ laag wanneer ze drogen. In verpakkings-toepassingen komt de weilaag tussen twee kunststoflagen zonder de soepelheid of mechanische sterkte van de meerlagenfolie -die al dan niet uit biokunststof opgebouwd is- aan te tasten. De wei kan naderhand met speciale enzymen of biokatalisatoren -proteazen en alcalazen- van de kunststoflagen gewassen worden waarna het uiteenvalt.
Het WHEYLAYER-projectteam telde 14 industriële en academische partners uit Spanje, Duitsland, Hongarije, Italië, Slovenië en Ierland. PIMEC, de KMO-vereniging van Catalonië, coördineerde het project dat liep van november 2008 tot oktober 2011 op een EU-subsidie van €2.8 miljoen. In augustus 2012 startte het opvolgingsproject WHEYLAYER 2 dat de technologie moet opschalen en op industrieel niveau tillen en commercialiseren. Het mikt daarbij zowel op verpakkingsproducenten als KMO’s die voeding verpakken maar ook farma- en cosmeticabedrijven.
(lds)
