Paques Biomaterials, producent van PHA’s (polyhydroxyalkanoaten), heeft € 14 miljoen gekregen om zijn technologie te commercialiseren. De ontwikkeling van dit materiaal genaamd Caleyda® gaat plaats vinden in Emmen. PHA’s zijn aantrekkelijke biologisch afbreekbare plastics – maar waarom duurt de ontwikkeling zo lang? We zijn al veel meer dan 10 jaar bezig en weer is er een fors bedrag aan subsidie nodig om een paar stappen verder te komen.
De beloftes zijn groot
In eerdere artikelen op onze site hebben we meermaals de voordelen en de potentie van de PHA’s besproken. PHA’s zijn duurzame materialen, want afbreekbaar tot onschuldige componenten. Ze laten geen micro-plastics of schadelijke nanodeeltjes achter en zullen de oceanen en waterwegen niet verder vervuilen. Ze zijn te maken uit organische afvalstromen: tot aan rioolwater toe. Daar zullen de kosten dus niet liggen. Alhoewel, hoe constant van samenstelling zijn dergelijke stromen en hoeveel m3 moet je verwerken voor een ton eindproduct? Dat zal ongetwijfeld aanzienlijk meer zijn dan voor alle fossiele alternatieven; en ook meer dan bij bestaande bioplastics zoals PLA van Corbion en PEF van Avantium. De marktverwachtingen zijn hoog en Nederland speelt goed mee in het internationale veld.
De problemen zijn wellicht groter dan verwacht
Nieuwe materialen op de markt brengen blijkt al tientallen jaren een zaak van lange adem te zijn. De markt is al behoorlijk voorzien, met een scala aan producten. En zolang de fossiele materialen kunnen profiteren van de schaalgrootte van de energiemarkten is het bijzonder lastig om met een nieuw product verder te komen dan een nichemarkt. De kans is groot dat de PHA’s ook zo’n toekomst te wachten staat.
Want er is meer aan de hand. Er zijn uitdagingen op alle onderdelen van de processen waarmee PHA’s gemaakt worden. De grote hoeveelheid te verwerken grondstof is al genoemd. Waar gaan de reststromen daarvan naartoe? En zijn daar kosten aan verbonden? Hoe gevoelig zijn de micro-organismen die de PHA’s aanmaken voor schommelingen in de samenstelling van de invoer? Het zijn immers afvalstromen, waarbij kwaliteitsgaranties lastig zullen zijn. De grootste hobbels liggen echter in de geringe industriële ervaring met de gehanteerde procestechnologie; en ook in het downstream proces.
Onontgonnen procestechnologisch terrein
Voor alle polymere materialen is de start van het proces vrijwel altijd een groot en geconcentreerd aanbod aan monomeer, dat resulteert in een zo hoog mogelijke output/l/hr. De atoom-economie en de procesproductiviteit zijn meestal bijzonder hoog. Alle fossiele polymeren en ook de bioplastics PLA en PEF volgen dit principe.
Bij de PHA’s starten we met zeer verdunde oplossingen. De PHA procestechnologie lijkt meer op een fermentatieproces, waarbij een micro-organisme zijn nutriënten uit het medium haalt, zichzelf in leven houdt en daarnaast een gewenst eindproduct maakt. Industrieel gezien hebben we met fermentatieprocessen ook erg veel ervaring. Maar vrijwel nooit maken we op die manier polymeren. De meeste fermentatieprocessen, zeker als het om grote commodity’s gaat, betreffen de productie van monomere stoffen waarvan de winning en eventuele zuivering voor de hand liggende bewerkingen zijn. Maar bij PHA’s zal de productwinning uitgevonden moeten worden; en ook ligt de vraag op tafel hoe het geheel reproduceerbaar steeds hetzelfde polymeer maakt. Vooral de polymerisatiegraad zal kunnen variëren, met alle gevolgen voor de winbaarheid van het betreffende PHA, en alle toepassingsmogelijkheden van dien.
Het downstream proces is de echte bottleneck
Over de winning van de PHA’s uit de celmassa is al heel veel gepubliceerd. Kenmerkend voor de taaie problematiek. De celmassa moet worden afgebroken om de PHA’s vrij te maken. Dat kunnen we doen met oxidatiemiddelen als hypochloriet of bleekloog, met kans op nadelige beïnvloeding van de kwaliteit van het PHA. De afvalstroom die hierbij ontstaat zal tegen kosten verwerkt en afgevoerd moeten worden. Als alternatief of in combinatie hiermee kunnen we organische oplosmiddelen inzetten om de PHA’s uit de celmassa te extraheren. Als geschikte oplosmiddelen worden zelfs gehalogeneerde koolwaterstoffen genoemd.
Ten opzichte van de bekende procestechnologie van polymeren moeten we hier werken met verdunde processtromen waaruit het product gewonnen moet worden; daarna moet ook nog eens het oplosmiddel teruggewonnen worden. Dit zijn veel processtappen; elke stap kan iets aan de kwaliteit van het polymeer veranderen. Reproduceerbaarheid is bij het hanteren van polymere materialen een zeer kritisch punt, en dat zal hier heel vaak een probleem kunnen zijn. Gevoeligheid voor schaalvergroting ligt op de loer.
Duur of duurzaam?
Dat de doorbraak van de PHA’s zo lang op zich laat wachten is hiermee wel verklaard. De vraag is zelfs of die er wel echt eens gaat komen. Vooral de bewerkingskosten voor de productie zullen hoog zijn. Deze maken de PHA’s duurder dan de meeste klassieke materialen, of de eerder genoemde bioplastics PEF en PLA. Dat wijst richting toepassing in niches; en daarmee worden de hoge marktpotenties onwaarschijnlijk.
En in hoeverre zijn de PHA’s duurzaam te noemen? Ook daar is het laatste woord nog niet over gezegd. Gezien de vele bewerkingen is de uitkomst van sommige LCA-analyses dat de ecologische voetafdruk van de PHA’s groter zal zijn dan die van de grote fossiele polymeren. Daar staat tegenover dat de grondstofkosten voor PHA’s laag zijn – en dat bij verdere optimalisaties in de bewerkingen veel te verbeteren valt. Het laatste weten we uit de praktijk van de fijnchemie. Maar misschien kan bij PHA’s een kleine proceswijziging de kwaliteit van het eindproduct alweer veranderen.
Problemen die vragen om een oplossing
De weg is nog niet vrij voor massale toepassing van PHA’s. Het vrijmaken uit het cytoplasma van de cel is niet eenvoudig. Chemisch moeilijk en qua kosten tot nu toe een probleem. Veel technieken worden momenteel onderzocht; aan ideeën geen gebrek, tot nu toe wel aan succes. Vaak maakt men gebruik van organische oplosmiddelen – maar dat is voor industriële toepassing nu juist niet aantrekkelijk. Voor medische toepassingen bijvoorbeeld moet het PHA absoluut vrij zijn van oplosmiddelen. Hoewel dat weer minder nodig is als we er plastic zakken van gaan maken. Bovendien breken veel bewerkingen de lange ketens op, wat voor toepassing als plastic niet gunstig is. En bovenal: de kosten van zulke extracties zijn vaak hoog – wat ook al toepassing in de weg staat.
Daarom zoeken onderzoekers naar nieuwe wegen. Bij een van deze onderzoeken gebruikt men bijvoorbeeld oplosmiddelen om PHA’s uit cellen van Ralstonia eutropha en Escherichia coli te isoleren. In een ander onderzoek worden meelwormen (larven van de meelwormkever, Tenebrio molitor) gebruikt. Zij scheiden het PHA in vrijwel zuivere vorm af in de ontlasting. Innovatieve methoden, maar toch niet echt geschikt voor massaproductie.
Hoe nu verder?
Er is nog geen licht aan het einde van de tunnel. De activiteiten om fossiele plastics uit het milieu te houden nemen bijna dagelijks toe. De installaties voor recycling van klassieke plastics zijn vele malen groter dan de huidige en geplande PHA capaciteit. Weliswaar hebben de ondernemers in hergebruik het moeilijk op dit moment – omdat de lage olieprijs nog steeds het maken van virgin materiaal bevoordeelt. Maar de infrastructuur om plastics uit het milieu te houden in opbouw; al met al met een aanzienlijke voorsprong op de introductie van PHA’s.
Interessant? Lees dan ook:
Marktintroductie van PHAs
PHA’s doen het goed: voor het eerst is de vraag groter dan het aanbod
PHA: veelbelovend, veelzijdig, biologisch afbreekbaar