Goedkope bioplastics van micro-organisme, zeewater en afvalstromen

Onderzoek VUB

Volgens de onderzoeksgroep microbiologie, onder leiding van professor Eveline Peeters, van de Vrije Universiteit Brussel zijn bioplastics dé toekomst. Weliswaar zullen verschillende types naast elkaar moeten worden gebruikt om de enorme hoeveelheid traditionele kunststoffen te vervangen. 

Onderzoeker Brendan Schroyen verwacht alvast veel van de bioplastics die met het micro-organisme/de microbe Haloferax mediterranei worden geproduceerd. De reden? Een enorme reductie van de productiekosten. Dit micro-organisme doet immers zijn ‘werk’ in een uiterst zout milieu waardoor er quasi geen maatregelen moeten worden genomen om contaminatie tegen te gaan.

Niet van de laatste jaren

Bioplastics met micro-organismen maken, lijkt misschien een uitvinding van de laatste jaren, maar niks is minder waar. “De eerste sporen van dit ‘biologische productieproces’ zijn al in 1900 terug te vinden,” vertelt Schroyen. “Weliswaar wordt pas de laatste decennia onderzoek gedaan naar technieken en micro-organismen om op grote schaal bioplastics te produceren. Zo werd het micro-organisme/de microbe Haloferax mediterranei oorspronkelijk in een zoutmeer in Alicante geïsoleerd en zijn Spaanse kennisinstellingen er enkele jaren geleden in geslaagd om er effectief meerdere varianten van bioplastics mee te maken. De enige grote uitdaging bestaat er nu in om de groei van dit micro-organisme te versnellen en dus de productie van de bioplastics te verhogen. Precies dit struikelblok willen we met de onderzoeksgroep microbiologie van de VUB proberen weg te werken, weliswaar naast soortgelijke projecten met andere micro-organismen. Een enkele stam zal immers nooit voldoende zijn om op termijn voldoende bioplastics te produceren om de toepassing van olie voor de aanmaak van kunststoffen volledig een halt toe te roepen.”

Gerecycleerd zeewater

Dat Schroyen zich met zijn doctoraat specifiek op het micro-organisme/de microbe Haloferax meditteranei focust, is echter geen toeval. “Het is een micro-organisme dat het perfecte antwoord biedt op de barrière bij uitstek waarom bioplastics momenteel niet echt doorbreken: de kostprijs van productie”, verduidelijkt hij. “Haloferax mediterranei is een zogenaamde extremofiel, wat betekent dat het in extreme omstandigheden kan overleven. Concreet voelt het zich kiplekker in een erg zout milieu. Dit biedt meerdere voordelen. Eerst en vooral kunnen we zee- in plaats van drinkwater gebruiken, wat een niet te verwaarlozen pluspunt is in een wereld waar drinkwater een schaars goed wordt. Weliswaar moeten we de concentratie zout vijf keer verhogen, wat een bepaalde ecologische voetafdruk met zich meebrengt. Toch maken we ons sterk dat het gebruikte water - na zuivering - steeds weer opnieuw zal kunnen worden gebruikt. Met andere woorden: elk productieproces zal maar een kleine extra hoeveelheid zout vereisen.”

Weinig risico contaminatie

Dat Haloferax meditteranei in een zout milieu gedijt, brengt echter ook een enorm economisch voordeel met zich mee. “De productie van bioplastics met andere micro-organismen moet onder enorm steriele en geconditioneerde omstandigheden gebeuren,” vertelt Schroyen. “Eén enkele bacterie uit de lucht die in het water valt, kan voldoende zijn om het volledige proces te verstoren, met niet-bruikbare bioplastics als gevolg. Het vermijden van dergelijke contaminaties is precies wat het productieproces zo duur maakt. Met Haloferax mediterranei zijn dergelijke voorzorgen niet meer nodig: geen enkele andere bacterie die in de lucht voorkomt, kan immers overleven in het zoute milieu waarin dit micro-organisme zijn werk doet. Niet alleen reduceert dit de kostprijs van de productie van bioplastics. Ook kan het productieproces in een brede waaier van locaties worden opgezet.”

Afvalstromen voedingsbodem

Een derde voordeel is dat Haloferax mediterranei op een brede range van industriële afvalstromen kan groeien. “Op die manier wordt de productie van bioplastics écht circulair”, aldus Schroyen. “Zo vormt glycerol een perfecte bodem voor het micro-organisme. Dit is een belangrijke afvalstroom in de aanmaak van biodiesel. Beide geïntegreerd in één site produceren, is een toonvoorbeeld van circulariteit. Daarnaast kan Haloferax mediterranei onder meer ook groeien op molasse - een afvalstroom van de suikernijverheid - en op wei - een restproduct uit de kaasindustrie.”

Harde en flexibele plastics

Concreet heeft de onderzoeksgroep Haloferax mediterranei intussen in het labo gecultiveerd op een brede range van grondstoffen. Dit resulteerde in de natuurlijke productie van een soort polyesterachtige polymeer. “Het betreft een lange keten van koolwaterstoffen die - eenmaal uit het organisme geïsoleerd - nogal wat plastiekachtige eigenschappen vertoont,” vertelt Schroyen. “Deze bioplastics behoort tot de familie van de polyhydroxyalkanoaten. Met Haloferax mediterranei kunnen co-polymeren worden aangemaakt die uit twee bouwstenen bestaan: polyhydroxybutyraat-co-hydroxyvaleraat, of kortweg PHBHV. Wanneer je de ratio’s van die bouwstenen gaat aanpassen - wat mogelijk is op basis van de voeding die de micro-organismen krijgen voorgeschoteld - kunnen er bioplastics met uiteenlopende eigenschappen worden gemaakt. En dit van harde tot erg flexibele plastics. Dit zorgt ervoor dat we met dit micro-organisme dus oplossingen voor een brede waaier van toepassingen kunnen fabriceren. We zien onder meer veel potentieel voor de verpakkingsindustrie omwille van de materiaaleigenschappen die gelijken op de verpakkingen die vandaag de dag worden gebruikt. Bovendien kunnen we folies maken met impermeabiliteit voor gassen en water, wat opportuniteiten biedt voor verpakkingsfolies en -films van voedingswaren. Ook in de markt van ‘single use’ bestek, borden en bekers liggen de mogelijkheden voor het grijpen.”

Doorbraak nog niet meteen

Toch verwacht Schroyen de eerste grote doorbraak in de ‘high value’ markten, zoals de medische wereld. “Daar speelt kostprijs een minder grote rol dan in de verpakkingsindustrie. Zo zijn onze bioplastics uiterst geschikt voor het gebruik als ‘dragers’ van nieuwe huidcellen tijdens huidtransplantaties bij slachtoffers met brandwonden. Omdat de ‘plastic’ biologisch afbreekbaar is, verdwijnt de drager op natuurlijke wijze nadat de huidcellen zijn aangehecht. Succesverhalen als deze zullen zonder twijfel voor een doorbraak van bioplastics in andere sectoren zorgen. Want er is nog een lange weg te gaan, zeker wat betreft de types die met micro-organismen worden geproduceerd. Naast de hoge kostprijs zijn er immers nog heel wat mythes over incompatibiliteit van bioplastics en het verwerkingsproces van traditionele kunststoffen. Het zijn echt wel mythes, omdat de benodigde aanpassingen aan het productieapparaat vaak veel kleiner zijn dan algemeen wordt aangenomen. In feite is er vandaag nog één groot obstakel dat de doorbraak van bioplastics tegenhoudt: het gebrek aan een afzonderlijk sortering/ophaling/recyclagesysteem. Deze kunststoffen mogen immers niet met de conventionele plastics worden verwerkt. Toch is het niet onmogelijk om dit op te zetten, dat wordt in Japan al op grote schaal bewezen.”

Industriële schaal

De hoofddoelstelling van het huidige onderzoek van Schroyen is de moleculaire mechanismen achter de natuurlijke bioplastic-accumulatie van het micro-organisme te begrijpen. “Bedoeling is om deze kennis aan te wenden om uiteindelijk te komen tot hogere opbrengsten en betere fysicochemische eigenschappen van de ‘bioplastic’ die met Haloferax mediterranei worden geproduceerd. We hebben er goede hoop op dat we binnen afzienbare tijd een oplossing vinden zodat dit type bioplastic op grote schaal kan worden toegepast. In elk geval kunnen we al rekenen op een vrij grote interesse vanuit de industrie.”

Foto's: VUB