Biopolymeren winnen uit water

Wetsus werkt samen met haar partners aan methodes om biopolymeren te maken en vervolgens te winnen uit afvalwater. Biopolymeren (PHA’s) zijn biologisch afbreekbare polymeren die we in kunnen zetten als alternatief voor het gebruik van plastics, onder meer in de landbouw. Biopolymeren vormen zo een belangrijke schakel in de circulaire economie.

Tien jaar geleden toonden vier waterschappen, Veolia Water Technologies, SNB en STOWA (Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer) op pilotschaal aan dat op een efficiënte en controleerbare manier biopolymeren konden worden gemaakt met actief slib uit een rioolwaterzuivering. Veolia besloot zich hierna terug te trekken uit het project, maar de andere deelnemers zagen veel toekomst in de ontwikkeling. Tegelijkertijd waren Paques, TU Delft en een vijfde waterschap bezig met een vergelijkbare ontwikkeling. Uiteindelijk besloten zij om hun krachten te bundelen en hun onderzoek onder de paraplu van Wetsus te brengen. Een nieuw Wetsus-thema, ‘Biopolymeren uit water’ werd gestart.

Trainingscentra voor biopolymeren

Wanneer bacteriën worden blootgesteld aan dynamische omgevingen, ontwikkelen ze een handig overlevingsmechanisme. “In voedselrijke tijden slaan ze de voedingsstoffen eerst snel op in de cel in de vorm van het biopolymeer (PHA)”, aldus Werker. “Dit is een vorm van bacterieel ‘vet’ waarmee ze tijdens periodes zonder voedsel kunnen overleven.” De wetenschappers zetten waterzuiveringsinstallaties in als een natuurlijke plek waar deze bacteriën in overvloed worden geproduceerd. Alan Werker: “Door te spelen met diverse factoren proberen we ideale omstandigheden te creëren voor de optimale ontwikkeling van deze bacteriën en hun productie van PHA. Dat kan bijvoorbeeld door te zorgen dat er zones zijn in de zuivering waar veel voedsel is en zones waar juist weinig voedsel is. De bacteriën die goed presteren in de aanmaak van PHA zullen in zo’n situatie domineren en kunnen vervolgens ingezet worden voor de productie van PHA.”

Opschaling

Tijdens onderzoek ontdekten de wetenschappers dat een biopolymeer kan worden gemaakt van commercieel bruikbare kwaliteit, zelfs met rioolwaterzuiveringsslib en organisch afval als grondstof. Alan Werker: “De bacteriën in rioolwaterzuiveringsslib kunnen PHA opslaan tot meer dan hun eigen gewicht.” De wetenschappers slaagden erin om de kwaliteit van biopolymeren goed te controleren tijdens de productie en extractie. Alan Werker: “Daardoor kunnen we een constante en specifieke kwaliteit produceren. Zo worden waardeketens ontwikkeld voor specifieke toepassingen.” Een belangrijke volgende stap is de opschaling in de vorm van een grote installatie die in Dordrecht zal verrijzen. Alan Werker: “Die grotere schaal heb je nodig om prototypes te ontwikkelingen voor verschillende toepassingen. Als deze opschaling een succes wordt, zal de stap naar grootschalige productie in commerciële vorm naar verwachting over vijf jaar mogelijk zijn.”

Grote winst

De potentie van PHA is bekend en is al geruime tijd een belofte in de biopolymerenmarkt. De productie ervan neemt wereldwijd echter nog maar langzaam toe. Alan Werker: “Dat komt onder meer doordat de conventionele productie ervan veelal duur is omdat men vaak afhankelijk is van een specifieke bacterie. Om die reden kun je alleen zuivere grondstoffen, zoals suikers en palmolie, gebruiken. Vaak concurreren deze grondstoffen ook nog met de productie van voedsel. De grote winst van onze ontwikkeling is dat we biopolymeren kunnen winnen uit laagwaardige afvalstromen en dat we die productie goed kunnen integreren in bestaande rioolwaterzuiveringen.”

Landbouwplastic en zelfherstellend beton

Alen Werker ziet mogelijke toepassingen, vooral daar waar de uitstekende biologische afbreekbaarheid van PHA een belangrijke waarde toevoegt en waar het recyclen feitelijk onmogelijk is. Zo kunnen biopolymeren een belangrijke rol spelen in het functioneren van zelfhelend beton. Alan Werker: ”Wanneer scheuren in het beton ontstaan, zorgt het binnendringen van water in combinatie met een mix van bacteriën en PHA die van tevoren in het beton is gemengd ervoor dat de scheuren helen. Dat gebeurt door de productie van koolstofdioxide die vrijkomt bij de afbraak van het PHA.” Daarnaast ziet Alan Werker de landbouw als een toepassingsgebied met grote potentie. Alan Werker: “Denk aan afbreekbaar landbouwplastic dat gebruikt kan worden om minder water en pesticides te gebruiken of aan coatings van kunstmest die ervoor zorgen dat de nutriënten gecontroleerd vrijkomen op het moment dat de plant het nodig heeft. De biologisch afbreekbare biopolymeren kunnen hier een belangrijk verschil maken en ook nog eens een belangrijke positieve maatschappelijke impact hebben.”