Van afvalwater tot bioplastic

Door Jaap Langenhoff

Heb je je ooit afgevraagd wat er met je uitwerpselen gebeurt na het doorspoelen van het toilet? Het feit dat het een gebruiksklare tandenborstel van plastic zou kunnen worden, zal waarschijnlijk als een verrassing komen. Volgens wetenschappers van het project Wider business Opportunities for raw materials from Wastewater (WOW) bevat rioolwater veel waardevolle componenten die met behulp van de modernste technologieën kunnen worden omgezet in bioplastics.

Maar waarom zouden wetenschappers hun hersens kraken om van afvalwater plastic te maken, terwijl het maken van plastic uit fossiele olie goedkoop, snel en gemakkelijk is? Ze gaan voor een meer circulaire en duurzame toekomst. Aangezien klimaatverandering een onvermijdelijk feit is van de huidige realiteit, zoeken wetenschappers van over de hele wereld naar innovatieve manieren om onze ecologische voetafdruk en de uitputting van de hulpbronnen van de aarde te verminderen. Hergebruik van chemicaliën en materialen afkomstig uit afvalstromen hebben deze potentie. Professor Jappe de Best, docent biobased resources aan Avans Hogeschool, doet met zijn onderzoeksgroep onderzoek naar de benutting van afvalstromen. Een van hun belangrijkste onderwerpen is het gebruik van afvalwater om polyhydroxyalkanoaten (PHA) te produceren. PHA zijn bio-polyesters, een groep bioplastics die qua fysieke propositie variëren om materialen te construeren met een breed scala aan eigenschappen. Het meest voorkomende type PHA is poly-3-hydroxyburaat (P3HB), dat wordt gebruikt in wegwerpservies zoals drinkbekers, bestek, dienbladen, voedselborden en voedselcontainers. Tijdens het afvalwaterzuiveringsproces worden waardevolle chemicaliën uit rioolwater verspild, meestal verbrand. Als gevolg hiervan moeten nieuwe middelen worden benut om aan de vraag van de consument te voldoen. “Jammer dat er waardevolle verbindingen verloren gaan”, zegt Jappe.

“Het is een schande dat waardevolle verbindingen worden verspild.”

In conventionele afvalwaterzuiveringsindustrieën worden bacteriën gebruikt bij rioolwaterzuivering om het volume van slib (een halfvaste slurry die aanwezig is in rioolwater) te verminderen en daaruit methaangas te produceren. Bovendien kunnen deze micro-organismen PHA produceren uit organische verbindingen zoals suikers en vetzuren afkomstig uit rioolwater (Morgan-Sagastume et al., 2014). PHA wordt opgeslagen in microbiële cellen als een reservebron van energie die de bacteriën zelf kunnen consumeren in tijden van voedselschaarste. De productie van PHA is gebaseerd op een gemengde kweek met bacteriën. Omdat dit mengsel varieert in PHA-opslagcapaciteit, is microbiële selectie van micro-organismen met een hoge PHA-opslagcapaciteit vereist (Argiz et al., 2020). Na de microbiële selectie vindt de PHA-productie in twee stappen plaats. Ten eerste zullen bacteriën in een aerobe reactor (in aanwezigheid van zuurstof) organische verbindingen in slib omzetten in PHA. Vervolgens wordt PHA met een milieuvriendelijk oplosmiddel uit de microbiële cellen geëxtraheerd. Dit oplosmiddel kan worden hergebruikt om dit een nog meer circulair proces te maken. Het PHA-productieschema is weergegeven in figuur 1, waarbij slib wordt gewonnen uit het afvalwaterzuiveringsproces.

Figure 1: PHA production scheme

PHA heeft een hoog potentieel voor gebruik in de agrarische sector, vanwege de snelle afbreekbaarheid in de natuur. Amalia et al. (2019) beschrijft drie mogelijkheden voor PHA-gebruik in de landbouwsector: mulchfilms, landbouwnetten en landbouwzakken. Mulchen wordt gebruikt om de kwaliteit van de grond te behouden. Daarom worden er twee soorten mulch gebruikt, namelijk natuurlijke en synthetische mulch. Onder de synthetische mulch wordt veel plastic mulch gebruikt. Gebruikte mulchfolies zullen vaak op het land, in de bodem of met veel vervuiling worden verbrand. Ook zijn landbouwnetten en -tassen gemaakt van conventionele kunststoffen zonder de eigenschappen van natuurlijke afbraak. Het gebruik van PHA, als product uit rioolwater, voor deze toepassingen kan dit probleem oplossen. PHA is volledig composteerbaar en heeft vergelijkbare fysieke eigenschappen als conventionele kunststoffen. Naast de agrarische sector experimenteren onderzoekers met het gebruik van PHA voor alledaagse toepassingen. Japp denkt dat PHA in de toekomst meer geschikte toepassingen zal vinden: “Ze hebben een lamp gemaakt van PHA en sinaasappelschillen.”

“Ze maakten een lamp van PHA en sinaasappelschillen.”

De productie van bioplastic uit rioolwater brengt echter enkele grote uitdagingen met zich mee. Experimenten op kleine schaal zijn succesvol gebleken. Nu is de uitdaging om dit proces te luxe te maken. Een in 2017 uitgebracht rapport introduceerde de resultaten van het Phario Pilot Project (Bengtsson et al., 2017), een PHA-productie-experiment in de afvalwaterzuiveringsinstallatie van Bath. Nadat de pilot was afgerond, richtte het project zich op het opschalen van het proces en het bouwen van een commerciële fabriek voor de productie van 2000 – 2500 ton PHA per jaar, waarbij afvalwater van 500.000 mensenequivalenten wordt gezuiverd. Hoewel dit project hoopvol lijkt voor toekomstige afvalwaterzuivering, voorziet Jappe grote logistieke uitdagingen. Om een ​​levensvatbare hulpbron te zijn, moet het organische afval afkomstig van rioolwater relatief overvloedig, geconcentreerd en gemakkelijk afbreekbaar zijn. Niet elke afvalwaterzuiveringsinstallatie heeft deze capaciteit van hulpbronnen. Laat staan ​​dat afvalwaterzuiveringsinstallaties niet zijn uitgerust met PHA-reactoren en extractietanks. Daarom is transport nodig tussen afvalwaterzuiveringsinstallaties en slibbehandelingsfabrieken. Een efficiëntere aanpak zou zijn om de afvalwaterzuiveringsinstallaties te clusteren. Dit brengt echter grote bouwuitdagingen met zich mee en brengt hoge kosten met zich mee.

Je tanden poetsen met een tandenborstel op basis van afvalwater gemaakt van bio-PHA is mogelijk met de huidige technologieën. Het dagelijkse gebruik van op afvalwater gebaseerde PHA is echter nog niet realistisch. De productiekosten zijn aanzienlijk hoger in vergelijking met kunststoffen op basis van fossiele olie. Dit is voornamelijk het gevolg van het feit dat de industrie niet is aangepast aan de rioolwaterzuivering voor de productie van PHA. Jappe en zijn onderzoeksteam WOW organiseren conferenties om het potentieel van hun onderzoek te promoten bij waterschappen, onderzoekers, plastic leveranciers en Europese en nationale beleidsmakers. Ze moeten allemaal samenwerken om te komen tot een circulaire economie, met bio-PHA als het plastic van de toekomst.

Literatuur

Amelia, T. S. M., Govindasamy, S., Tamothran, A. M., Vigneswari, S., & Bhubalan, K. (2019). Applications of PHA in agriculture. In Biotechnological applications of polyhydroxyalkanoates (pp. 347-361). Springer, Singapore.

Argiz, L., Fra-Vázquez, A., Del Río, Á. V., & Mosquera-Corral, A. (2020). Optimization of an enriched mixed culture to increase PHA accumulation using industrial saline complex wastewater as a substrate. Chemosphere, 247, 125873.

Bengtsson, S., Werker, A., Visser, C., & Korving, L. (2017). PHARIO: stepping stone to a sustainable value chain for PHA bioplastic using municipal activated sludge. Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer.

Morgan-Sagastume, F., Valentino, F., Hjort, M., Cirne, D., Karabegovic, L., Gerardin, F., … & Werker, A. (2014). Polyhydroxyalkanoate (PHA) production from sludge and municipal wastewater treatment. Water Science and Technology, 69(1), 177-184.