De landbouw is met haar hernieuwbare grondstoffen, materialen, textielvezels, voedingsproducten en heilzame planten al duizenden jaren lang de leverancier geweest voor de dagelijkse levensbehoeften van de mensheid. Door innovaties zal de landbouw deze rol opnieuw op zich gaan nemen en op deze manier de biobased economy opbouwen.
Tot aan de Tweede Wereldoorlog leverde de landbouw inderdaad vrijwel alle dagelijkse levensbehoeften. Die oorlog leidde tot een innovatiegolf door het gebruik van aardolie voor transportbrandstof, ammonia en munitie, en als grondstof voor kunststoffen zoals nylon en PVC. De innovaties versnelden de wederopbouw, die ook weer werd gevoed door fossiele energie. Het visioen van een modern gebruik van hernieuwbare grondstoffen sneuvelde in de eerste jaren van de Tweede Wereldoorlog. Zo heeft de ‘car that grew from the soil’ van Henry Ford, gemaakt van plantaardige grondstoffen, het in het fossiele oorlogsgeweld niet gered (Popular Mechanics Magazine, Vol. 76, No. 6, December, 1941).
Biobased innovaties krijgen echter 60 jaar na Henry Fords hernieuwbare auto weer nieuwe impulsen door het schaarser worden van olievoorraden, klimaatverandering en geopolitieke overwegingen. Opnieuw wordt de waarde van hernieuwbare grondstoffen zoals suiker, zetmeel, eiwitten, vetten/oliën en vezels onderzocht voor maatschappelijke toepassingen. De landbouw produceert deze grondstoffen – en nog veel meer – met behulp van water, zon en kunstmest. Groene grondstoffen worden inmiddels toegepast in farmacie, cosmetica, voeding, fijnchemicaliën, constructiematerialen, textiel, chemische bouwstenen en uiteindelijk voor energie in de vorm van transportbrandstof of grondstof voor elektriciteit.
Waardepiramide
Waardecreatie met groene grondstoffen is duidelijk te maken volgens het biocascaderingsprincipe of door de waardepiramide. Farmaceutische toepassingen creëren veel waarde per eenheid product met een relatief klein volume, energietoepassingen creëren weinig waarde per eenheid product maar dat met grote volumina.
Land- en tuinbouw en veehouderij produceren grondstoffen en producten voor de gehele waardepiramide. Biobased innovaties zijn te vinden in iedere laag van de piramide. De Nederlandse agro-sector investeert in groene vernieuwingen voor de gehele biocascade. Het EU-project Phytosana ontwikkelt grondstoffen voor chemotherapie van kanker uit de wortel van fluitekruid (Anthriscus sylvestris). Na de fermentatie blijft er 97% van de biomassa als restfractie over. Die is rijk aan vezels en zeer geschikt voor vergisting tot biogas. (Dergelijke bio-actieve inhoudsstoffen uit planten zijn beschreven in de Community Herbal Monographs en de toepassing daarvan in de European Pharmacopoeia van de European Medicines Agency, een goudmijn van hoogwaardige toepassingen).
Neutraceuticals
Plantaardige inhoudsstoffen werken ook als nutraceutical. De firma’s Meatless en de Vegetarische Slager werken samen in een klinisch onderzoek voor de mogelijke LDL-cholesterol verlagende werking van lupine-eiwitten. Dit onderzoek vindt plaats in het EU project LUPICARP waarin de academische ziekenhuizen van Milaan en Helsinki samen onderzoek doen voor het indienen van een door EFSA erkende gezondheidsclaim. Prebiotische voedingsvezels die geschikt zijn als suiker- en/of vetvervangers zijn eveneens afkomstig van plantaardige of dierlijke grondstoffen. Sensus produceert bijvoorbeeld de voedingsvezels inuline en oligofructose uit de wortels van aardperen. Oplosbare voedingsvezels en eiwitten uit lupine vormen de basis voor producten die ondervoeding bij oudere mensen zouden kunnen voorkomen. Dit is een onderzoek binnen het, door de Provincie Groningen gefinancierde project LupinSilver. De firma Color&Brain ontwikkelt samen met molenaar LIFrank en BCM woon-zorggroep uit Stadskanaal smakelijk en voedend lupine-brood en prebiotische lupine-drinks.
Pure plantaardige ingrediënten in cosmetica zijn een opkomende trend. Zuivere groene grondstoffen zoals oliën/vetten en bioactieve plantaardige inhoudsstoffen vormen de basis voor veel groene cosmetica. Extractie met schone technologie, zoals met superkritische CO2, levert pure grondstoffen die oplosmiddelvrij zijn. De firma’s Emonta, Medex en Color&Brain ontwikkelen in het kader van het project Phytosana nieuwe cosmeticaproducten, gebaseerd op bioactieve inhoudsstoffen uit kruiden. Veel agro-grondstoffen worden verwerkt tot voedings- en veevoederproducten. Dit is de grootste markt voor agro-grondstoffen. Een innovatief voorbeeld is de complete verwaarding van vezels, eiwitten en zetmeel uit de zetmeelaardappel. AVEBE is er in geslaagd iedere aardappelfractie om te zetten in ingrediënten voor voeding en veevoeder. Recent is de ontwikkeling van eiwitraffinage uit het aardappelvruchtwater door Solanic (een dochteronderneming van AVEBE). Met een milde scheidingtechnologie op industriële schaal is Solanic in staat eiwitfracties met functionele werking te winnen. De aardappel, die meer dan 300 enzymen bevat, is hiermee de basis voor een complete portfolio aan bioactieve componenten die de vergroening van de chemische sector kan versnellen. Naast eiwitten kan men ook carotenen winnen, bijvoorbeeld de stof luteïne die als essentieel ingrediënt aan varkensvoer wordt toegevoegd en die mogelijkerwijs een rol speelt bij de preventie van netvliesslijtage bij veroudering (Age related Macula Degeneration (AMD)).
Vezels
Plantaardige vezels, zoals vlas, hennep, jute en katoen zijn grondstoffen voor textiel, maar ook voor versterkte biobased materialen zoals hernieuwbare auto-onderdelen. De firma Hempflax produceert uit hennep componenten voor betonwapening. Een belangrijke ontwikkeling is de vervanging van glasvezel door biocomposieten. Dat zijn materialen van woven of non-woven natuurvezels als wapening voor bijvoorbeeld bio-epoxy harsen. High-performance toepassingen zijn mogelijk zoals ontwikkeld door de firma NPSP. Een ander voorbeeld wordt gevormd door de professionele racefietsen van de firma Museeuw waar carbon- en vlasvezels gecombineerd worden tot stijve fietsframes die trillingen absorberen.
Bijna 9.000 Nederlandse akkerbouwers verbouwen jaarlijks meer dan 5 miljoen ton suikerbieten op bijna 70.000 ha voor de verwerkende industrie. Suikerunie produceert daaruit kristalsuiker (sacharose) en specialties voor de voedingsmiddelenindustrie. Suiker is een uitstekende grondstof voor fermentatie tot bio-ethanol of tot chemische bouwstenen als melkzuur, isobutanol en furanen. Melkzuur is de grondstof voor bioplastics, isobutanol is inzetbaar als biobrandstof of als uitgangsstof voor chemische bouwstenen, furanen zijn grondstoffen voor biokunststoffen, coatings en lijmen. Een voordeel is dat suiker niet helemaal zuiver hoeft te zijn voor fermentatie, juist de micronutriënten in het ongezuiverde suikersap zijn essentiële voedingsstoffen voor de bacteriën en gisten die de (bio)chemische reacties uitvoeren. Suikerunie ontwikkelt speciaal daarvoor een suikerdiksap dat enerzijds grondstof is voor chemische bouwstenen en anderzijds voor kristalsuiker. Suikerdiksap is zodoende de biobased ‘olie’ van de toekomst en de suikerfabriek de biobased hub. De suikerbiet wordt geheel tot waarde gebracht door voor iedere component een toepassing te vinden. Ook hier is de laatste stap weer de vergisting van de niet meer voor andere toepassingen bruikbare biomassa tot biogas.
Lignocellulosevezels uit hout vormen de grondstof voor de papier- en kartonindustrie alsmede voor cellulose en lignine. Cellulose is biochemisch om te zetten in ethanol (nog een moeizaam proces), lignine is een aromaat en daarmee grondstof voor de ligninebioraffinage die producten gaat leveren als Methanol/Dimethyl ether (DME), het oplosmiddel DMSO (dimethylsulfoxide) en BTX (Benzeen, Tolueen en Xyleen), en synthetische smaakstoffen als vanilline.
Brandstoffen
Anaerobe vergisting van biomassa levert biogas; maar dit proces kan ook anders worden geoptimaliseerd zodat naast biogas tamelijk vluchtige vetzuren als azijnzuur en propionzuur geproduceerd kunnen worden. Vluchtige vetzuren zoals deze zijn grondstoffen voor bioplastics. Het Finse VTT doet samen met TUDelft en Attero onderzoek naar de mogelijkheden. Met deze technologie kan zelfs een van de laatste trappen in de biocascade nog tot hogere waarde worden gebracht.
Voordat biomassa echt opgestookt wordt in elektriciteitscentrales kan men er met thermische conversietechnieken nog waardevolle producten uit verkrijgen. Onder hoge druk en tot ca. 200 oC is er met hydrothermale carbonisatie een scala aan koolstof-nanostructuren te ontwikkelen met nog onbekende toepassingen (de onderzoeksgroep van prof. Antonietti van het Max Planck instituut in Potsdam doet hier onderzoek naar). Bij hogere temperatuur spreekt men van torrefactie, pyrolyse en uiteindelijk van vergassing. Biomassa is dan gradueel omgezet in verkoolde biomassa (biochar), pyrolyse-olie en syngas. Biochar is een mogelijke bodemverbeteraar, pyrolyse-olie is na hydrodeoxygenering (HDO, het verwijderen van oxide-groepen) te gebruiken als transportbrandstof of te raffineren tot geselecteerde componenten. Syngas (mengsel van koolmonoxide (CO) en waterstof (H2)) is een bouwsteen voor de chemische industrie.
Als er uiteindelijk echt geen toepassingen met biomassa te bedenken zijn is de allerlaatste mogelijkheid deze te verbranden als bijstook in een elektriciteitscentrale of voor het maken van gezellige warmte bij een haardvuur.
Plantenvoedingsstoffen
Groene grondstoffen zijn gegroeid op een levende bodem die planten en gewassen voorzien hebben van (micro)nutriënten. De elementen stikstof, fosfor en kalium zijn essentiële elementen voor plantengroei. Deze elementen zijn in de vorm van ammonium-, nitraat- of fosfaatmeststoffen beschikbaar voor de plant. Deze meststoffen moeten teruggewonnen worden om de natuurlijke kringloop te sluiten en milieuvervuiling door deze meststoffen te voorkomen. Fosfaat is een eindige grondstof met een winbare voorraad genoeg voor nog 20-40 jaar. Terugwinnen van fosfaat uit afvalstromen is essentieel voor het behoud van duurzame gewasproductie. Die terugwinning is mogelijk met verschillende technologieën zoals de struviettechnologie, die al door aardappelverwerker en fritesfabrikant Lamb-Weston Meijer wordt toegepast. De ontstane struvietmeststof wordt door de firma Duynie verder bewerkt voor landbouwkundige toepassingen.
De innovaties in de biobased economie tonen een dynamisch beeld. De komende jaren zijn er vele nieuwe biobased producten te verwachten nu bedrijven op grote schaal in groene innovaties investeren. Wellicht komt de droom van Henry Ford dan alsnog uit en krijgen we een auto die uit de bodem is gegroeid, die zijn brandstof krijgt uit bodem en zon en, het allermooiste, na gebruik opnieuw weer uit de bodem groeit voor de volgende generatie!