Je leest:

Bio als basis

Bio als basis

Auteur: | 22 juni 2012

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.

Wikimedia Commons / Daniel Schwen

De Bio Base Europe Pilot Plant opende 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.

Virtueel de lucht in

Samen met de Pilot Plant opent net over de Belgische grens, in Terneuzen, een nieuw opleidingscentrum de deuren. Studenten zullen er onder meer met behulp van simulatoren worden opgeleid tot procesoperatoren, die in de biofabrieken alles in goede banen moeten leiden. ‘Ze zullen er een fabriek virtueel in de lucht kunnen laten vliegen’, lacht Soetaert. Het Bio Base Europe Training Centre moet een belangrijke hindernis op de weg naar de biogebaseerde economie uit de weg ruimen: personeelstekort. ‘Zelfs in gevestigde sectoren zoals de chemische en de voedingsindustrie is het vandaag moeilijk om gekwalificeerd personeel te vinden’, weet Soetaert. ‘In een ontluikende en groeiende sector zoals de biogebaseerde industrie wordt dat probleem nog veel nijpender.’ In het trainingscentrum is ook plaats gemaakt om scholen te ontvangen. Een tentoonstelling, een film en workshops moeten de jeugd warm maken voor wetenschappelijke studiekeuzes. Pilot Plant en trainingscentrum kosten samen 21 miljoen euro. België, Nederland en Europa betalen daarvan elk een derde.

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 opgezuiverd.

In de proeffabriek werd op vraag van een producent van ecologische was- en schoonmaakmiddelen al een proces ontwikkeld om een biologisch afbreekbaar wasmiddel te produceren. Dat gebeurt op basis van koolzaadolie en glucose uit tarwe of mais, die door micro-organismen worden 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 wordt vandaag vaak gebruikt om salades en groenten en fruit te verpakken.
AGF

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 ‘peffles’, 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.

Bioplastic schroeven en pinnen van polymelkzuur voor in de chirurgie.

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 maïs, 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 − maïs, 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.

Wikimedia Commons

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.

Zijn voorganger, de Zwitser Jean Ziegler, noemde de brandstoffen in 2007 nog “een misdaad tegen de menselijkheid.” Soetaert vindt de brandstof versus voedseldiscussie 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 en 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.”

In hout en oogstresten zit veel moeilijk afbreekbaar cellulose.
Galyna Andrushko / Fotolia

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.”

Biobrandstoffen onder vuur

De huidige biobrandstoffen hebben door de discussie rond het gebruik van voedselgewassen al een deel van hun glans verloren. Maar ook de bijdrage die bepaalde brandstoftypes leveren aan een reductie van onze broeikasgasuitstoot, wordt in twijfel getrokken. De grondstoffen voor biobrandstoffen moeten natuurlijk ergens geteeld worden, en dat leidt tot veranderingen in landgebruik. Wordt de CO2-uitstoot die daarmee gepaard gaat in rekening gebracht, dan smelt het milieuvoordeel in sommige gevallen als sneeuw voor de zon. Wetenschappers van de KU Leuven berekenden de ‘koolstofschuld’ van drie gewassen: soja, oliepalm en jatropha (een tropische plant met oliehoudende zaden). In verschillende situaties, want de CO2-uitstoot is afhankelijk van de oorspronkelijke bestemming van de gebruikte gronden zoals bos, grasland of landbouwgrond.

Zaden van de jatropha-plant bevatten veel olie.

Wikimedia Commons

De koolstofschuld bleek te schommelen tussen 39 tot 1.744 ton CO2 per hectare, met oliepalmplantages in voormalig veenbos − met veel koolstof in de bodem − als slechtste optie. De tijd die nodig was om door het gebruik van de biobrandstof in kwestie een netto uitstootreductie te realiseren, varieerde van 30 tot meer dan 300 jaar. De onderzoekers hielden ook rekening met indirecte veranderingen in landgebruik (‘Indirect LandUse Change’ of ILUC): wanneer je je energiegewas verbouwt op landbouwgrond, waarbij niet zoveel CO2 vrijkomt, kan daardoor voedselproductie uitwijken naar gebieden waar wél veel koolstof in het ecosysteem is opgeslagen. “Om een positief effect te hebben op de klimaatverandering kan je die eerste generatie biodieselgewassen dus het best verbouwen op plaatsen die niet voor landbouw worden gebruikt én waar het ecosysteem weinig koolstof bevat”, zegt Wouter Achten van de onderzoeksgroep duurzaam materialenbeheer aan de KU Leuven. “Dat beperkt de opties wel enigszins.”

Europa aan zet

Europa wil dat tegen 2020 10 procent van de voor transport gebruikte energie uit hernieuwbare bronnen komt, en hoogstwaarschijnlijk zullen dat in de eerste plaats biobrandstoffen zijn. Voor de productie van die brandstoffen mag van de Europese Commissie geen bos, heide, moeras of beschermd natuurgebied gesneuveld zijn, en ze moeten in vergelijking met gewone brandstof minstens tot een uitstootreductie van 35 procent leiden, op te trekken naar 50 procent in 2017 en 60 procent in 2018. Brandstoffen die zo’n reductie niet realiseren, worden niet verboden, maar tellen niet mee voor het behalen van de Europese doelstellingen.

De Europese Commissie heeft nog niet beslist of, en zo ja hoe, rekening moet worden gehouden met ILUC’s. Het persagentschap Reuters pakte halfweg vorig jaar al uit met gelekte cijfers uit een studie die de commissie hierover liet uitvoeren. Daaruit bleek dat wanneer rekening wordt gehouden met ILUC’s, biodiesel uit palm-, soja- en koolzaadolie tot meer uitstoot leidt dan gewone brandstof. Biodiesel uit zonnebloemolie doet het weinig beter. Wel goed scoren onder meer bio-ethanol uit stro, suikerbiet en -riet, en mais. Milieuverenigingen kijken dan ook uit naar welke stappen Europa zal ondernemen.

“Biodiesel is vandaag goed voor 80 à 90 procent van de biobrandstofmarkt”, zegt Mathias Bienstman van Bond Beter Leefmilieu. “We subsidiëren dus een systeem dat net het tegenovergestelde doet van waarvoor het bedoeld is.” De impact van ILUC berekenen is geen sinecure. Met behulp van agro-economische modellen en gegevens over onder meer landgebruik en bodemkwaliteit kan worden ingeschat tot welke verschuivingen een biobrandstofbeleid zal leiden. “Het klopt dat daarbij veel afhangt van wat je in die modellen stopt”, zegt Nuša Urbancic van Transport & Environment, een organisatie die zich inzet voor duurzaam transport. “Maar het is duidelijk dat veranderingen in landgebruik een belangrijke factor zijn. Daarom is het belangrijk dat Europa hier rekening mee houdt. Alleen zo worden investeringen in brandstoffen met een echt lage koolstofvoetafdruk gestimuleerd.”

Dit artikel verscheen in het juninummer van Eos Magazine.

Lees meer over biomassa op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/biomassa.atom", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Lees meer over biotechnologie op Ditisbiotechnologie.nl

Dit artikel is een publicatie van EOS Magazine.
© EOS Magazine, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 juni 2012

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.