Biopolymeren uit zuiveringsslib
Afvalwater bevat een grote hoeveelheid verschillende organische verbindingen. Die verbindingen zijn er individueel niet eenvoudig uit te halen. Bacteriën kunnen dat wel en zetten die gelijk om in andere nuttige verbindingen.
Een electronenmicroscopieopname van bacteriële cellen met een zeer grote hoeveelheid biopolymeer PHA (de witte bollen) opgeslagen in de cellen.
Prof. dr. ir. Mark van Loosdrecht , TU Delft
Afvalwater bevat een grote hoeveelheid verschillende organische verbindingen. Die verbindingen zijn er individueel niet eenvoudig uit te halen. Bacteriën kunnen dat wel en zetten die gelijk om in andere nuttige verbindingen. Omdat afvalwater erg verdund is, is het belangrijk dat deze nieuwe verbindingen niet in water oplossen, zodat ze eenvoudig af te scheiden zijn als gas of als vaste stof.
In het eerste geval kan methaan (biogas) gevormd worden. Vanuit duurzaamheidsoogpunt is terugwinning als materiaal echter beter. Het maken van biopolymeren is dan een interessante optie omdat polymeren vaak niet goed in water oplossen en makkelijk met een filter of centrifuge uit het water kunnen worden gehaald.
Polymeren in de bacteriecel
Bacteriën maken twee varianten: de intracellulaire polymeren en de extracellulaire polymeren. Intracellulaire polymeren dienen voor bacteriën doorgaans als voedselopslag. Op elektronenmicroscopische foto’s zijn ze zichtbaar als grote vetbollen in de cellen. Voorbeelden van biopolymeren zijn glycogeen (soort zetmeel), olie (vergelijkbaar met palmolie) en polyhydroxyalkanoaat (PHA). De laatste is een interessante verbinding omdat het na opzuivering sterk lijkt op bekende plastics zoals polyetheen (PE) en polypropeen (PP). Het verschil is dat het niet uit aardolie is gemaakt en dat het plastic biologisch afbreekbaar is.
Wanneer bacteriën niet continu maar alleen af en toe voedsel (afvalwater) krijgen, ontwikkelen ze een handig overlevingsmechanisme. In voedselrijke tijden slaan ze de voedingsstoffen eerst snel in de cel op in de vorm van het biopolymeer PHA, zodat ze daarna de periodes zonder voedsel kunnen overleven. Door voor industrieel afvalwater een proces te ontwerpen die deze situatie nabootst, worden de bacteriën die het beste PHA maken sterk bevoordeeld.
Tijdens onderzoek werd zo een nieuwe bacterie ontdekt die gespecialiseerd is in het opslaan van PHA. Deze bacterie kan sneller dan elke andere bacterie voedsel opnemen en in grote hoeveelheden in de cel opslaan. In een proces ontworpen op deze strategie kan het bacterieslib wel tot 90 procent PHA bevatten. Deze technologie wordt momenteel door de TU Delft en het Friese bedrijf Paques verder ontwikkeld en is reeds bij diverse bedrijven uitgetest.
Voor huishoudelijk afvalwater kan bovenstaande proceswijze niet gebruikt worden. Het bevat ten opzichte van industrieel afvalwater te weinig afvalstoffen. Echter, ook de bacteriën in een stedelijke afvalwaterzuivering worden periodiek gevoed, omdat we vooral overdag actief zijn (toiletgebruik, douchen, wassen etc.), waardoor er ’s nachts niet veel afvalwater bij de waterzuivering aankomt.
Hierdoor hebben nog steeds bacteriën die veel reservestoffen opslaan een voordeel. Alleen is de selectie minder sterk, omdat de afwisseling van voedselrijke en honger periodes minder drastisch is. In dit geval zal het bacterieslib dat wordt geproduceerd, 40-60 procent bioplastic kunnen bevatten. In de huishoudelijke afvalwaterzuivering wordt het afvalwater zeer vergaand gezuiverd zodat het op een rivier of sloot kan worden geloosd. De Nederlandse waterschappen hebben deze technologie om biopolymeren te produceren, het zogenaamde Phario-project, uitgetest bij de afvalwaterzuivering in Bath in Noord-Brabant.
Links een oesterschelp, rechts een materiaal met vergelijkbare eigenschappen, gemaakt uit toiletpapier en biopolymeren.
Prof. dr. ir. Mark van Loosdrecht , TU Delft
Polymeren aan de buitenkant
Bacteriën beschermen zich tegen een vijandige omgeving door zich te omhullen met een slijmkapsel dat uit extracellulaire polymeren bestaat. Dit is een verzameling van veel verschillende en uiteenlopende verbindingen. Deze gelvormende polymeren kunnen alleen biologisch geproduceerd worden en zijn maar beperkt beschikbaar. Een voorbeeld van een gelvormende polymeer uit een geheel ander branche is gelatine, dat afkomstig is uit de botten van geslachte dieren.
Het slib uit een afvalwaterzuivering kan wel tot 30 procent van dit soort polymeer bevatten. Recent is gebleken dat het korrelslib van de nieuw ontwikkelde Nereda-technologie een polymeer bevat dat qua eigenschappen sterk lijkt op alginaat, alhoewel de chemische samenstelling niet gelijk is. Alginaat wordt nu nog geproduceerd uit zeewier dat in de natuur geoogst wordt.
Met dit polymeer kunnen nieuwe en ook zeer sterke materialen worden gemaakt vooral als het gecombineerd wordt met bijvoorbeeld kleideeltjes of vezels, de zogenaamde composietmaterialen. Deze materialen kunnen in de toekomst chemische producten zoals vezelversterkte polyester gebaseerde materialen vervangen. Momenteel wordt de eerste proeffabriek voor de extractie van biopolymeren gebouwd in Zutphen. Daar werken de waterschappen, TU-Delft en de bedrijven RoyalHaskoningDHV en Chaincraft samen om te komen tot een waardeketen waarin afvalwater uiteindelijk wordt omgezet in een hoogwaardig product.
