Bio-economie

Bio-economische waardeketens?

Biomassastromen transformeren niet vanzelf tot nieuwe grondstoffen of afgewerkte producten. Het is een proces met heel wat tussenstappen dat afstemming en samenwerking tussen heel uiteenlopende partners vraagt. Om biogebaseerde toepassingen economisch, ecologisch en sociaal duurzaam te maken, is het van belang om in complete waardeketens te denken: hoe beter de biomassakwaliteit afgestemd is op de volgende conversietechnologieën, hoe hoger de opbrengsten. Als je de waardeketen(s) doorgrondt, begrijp je de noden van de andere partners. Met makkelijk inzetbare nieuwe bouwstenen of vermarktbare producten én efficiënter energie- en/of materiaalverbruik als gevolg.

bio-economische waardeketen

Twee principes

Bij dat proces om van biomassastromen hoogwaardige producten te maken, zijn er twee heel belangrijke principes. 

Ten eerste het ‘Do no Significant Harm’-principe, door Europa in het leven geroepen. Het houdt in dat je met je goed bedoelde ingrepen geen schade mag toebrengen aan andere pijlers van een gezonde leefomgeving (water, lucht, …). 

Ten tweede houd je het best rekening met het cascadesysteem. Een prioriteitenvolgorde op basis van economische, sociale en ecologische criteria. Kostbare akkergronden dienen in de eerste plaats om voeding te produceren. Voor biomassatoepassingen kies je vervolgens voor maximale economische en maatschappelijke meerwaarde. Concreet betekent dat dat je de biomassa zo lang mogelijk in je productieketen houdt en eerst zo hoogwaardig mogelijk inzet. Dat kan door hergebruik, door de biomassa op te splitsen in verschillende fracties of door reststromen te benutten. Pas in laatste instantie benut je de overschot als energiebron.

Cascadesysteem

Input: biomassastromen uit nieuwe en oude gewassen

Een bio-gebaseerde economie heeft biomassastromen nodig. Die vind je in de natuur, natuurlijk. Waar anders. Van akkergewassen over insecten tot slachtafval, zowat alles vormt een potentiële biomassastroom. 

Bekijk een plant eens met een andere blik. Niet als geheel, maar als een ingenieuze combinatie van bruikbare (chemische) componenten. Door ze uit elkaar te rafelen, ontdek je misschien wel componenten die hun nut hebben in de cosmetica, de farmaceutische of chemische industrie. Zijn de plantaardige varianten een valabel alternatief voor de chemisch gesynthetiseerde?   

Neem olie uit planten. Een waardig alternatief voor fossiele olie. Het Interregproject ‘Growing a Green Future’ (partners: Proefcentrum Herent (Provincie Vlaams-Brabant), ILVO, Karel de Grote Hogeschool, De Rusthoeve, en Delphy) onderzocht verschillende gewassen met oliehoudende zaden (o.a. hennep, deder en pompoenpitten). Naast toepassing in de voeding, kan je ze bv. ook als lippenbalsem gebruiken. 

Andere partners binnen datzelfde Interregproject (CradleCrops, Rusthoeve, Herent en Delphy) namen Miscanthus onder de loep als natuurlijk biocide en onkruidonderdrukker. In Herent, Beitem en op Proefboerderij Rusthoeve legden ze daarvoor innovatietuinen aan.

Dubbelteelten

Om de rendabiliteit van een teelt te verhogen, kijkt men naar ‘dubbelteelten’ (meerdere toepassingen uit één teelt). Goudsbloem bv. is een gewas dat in het Middellands zeegebied etherische bloemolie oplevert voor cosmetische of farmaceutische doeleinden. Diepgaandere analyse leert dat je ook het pigment uit de bloem als natuurlijke verf in de textielindustrie kan gebruiken. De zaden van de plant bevatten ook nog eens olie die je voor industriële verven kan benutten. Het VLAIO project GOGO (partners: Praktijkpunt Landbouw, ILVO, @essence) onderzocht de raskeuze voor deze dubbelteelt. Tegelijkertijd ontwikkelde men er een prototype van een performante oogstmachine. Handmatige oogst is immers arbeidsintensief en dus duur.

Een ander gewas met verschillende interessante toepassingen is de rubberpaardenbloem. Deze bloem bevat zowel natuurlijk rubber als inuline. De productie van natuurlijk rubber kan de import (en afhankelijkheid) vanuit Azië doen dalen. Insuline is o.a. een grondstof voor bioplastics. In het Europees onderzoeksprogramma “Drive4EU”, met als Vlaamse partner ILVO, werd het potentieel van dit gewas onderzocht. 

Goudsbloemen

Oude gewassen

Om de teelt te rentabiliseren kijkt men ook voor oude gewassen naar meerdere toepassingen. Zo is hennep zowel in de bouw, in de textielsector of als veevoeder interessant. Teelt, ras en oogstmethoden bepalen vaak de toepassing. In de Hemp4all en Hemp4textile projecten (partners: HoGent, UGent, Inagro) bestudeert men al deze aspecten om lange-vezels over te houden. Ook de optimalisatie van de primaire verwerking (duurzaam water- en energieverbruik) krijgt heel wat aandacht. Een basisvoorwaarde om op relatief korte termijn een rendabele en duurzame, lokale productieketen mogelijk te maken. De reststroom - de kalkhennep - kan men als thermische isolatie in de bouw gebruiken (EXIE).

Vlas, een ander oud gewas, levert nuttige vezels op voor lichte biocomposieten. Iets dat het Interreg-project Biocompal (partners: Inagro, Centexbel, Materia Nova, Armines Douai) onderzocht. Extra interessant aan deze gewassen: je kan ze ook tijdelijk op braakliggende grond telen. De oogst zet je nadien als isolatiemateriaal in.

Cultivering

Onderzoek richt zich ook op het potentieel om componentrijke biomassa te cultiveren. Mooi voorbeeld is de kweek van insecten zoals de zwarte soldatenvlieg, meelworm of krekels die heel wat voedzame eiwitten opleveren (zie ook dossier circulaire economie). In Entomoponics zoekt men naar een nieuwe symbiose waarbij serre- en insectentelers hun productie integreren. 

En wat dan te denken van eendenkroos, het snelst groeiende drijvende plantje ter wereld? Zijn hoge eiwitgehalte stoot zowaar soja van zijn troon. Tegelijkertijd verwerkt het met plezier reststromen uit de mestverwerking. LemnaPro (LA-traject: partners: Inagro, Flanders’ FOOD, VIVES, UGent) onderzoekt momenteel de opschaling en economische haalbaarheid.

Algen en micro-algen zijn ook druk onderzochte biomassastromen omdat ze tal van bruikbare componenten bevatten. Grootste struikelblok: de teelt ecologisch en economisch haalbaar maken. In een Interreg IDEA project (Belgische partners: Innovatiesteunpunt voor landbouw en platteland, Thomas More Kempen en Value for Technology) gaan onderzoekers en ondernemers op zoek naar de oplossing. Het project Grass2Algae (partners: UGent, Thomas More, AnKo Projects en United experts) bekijkt hoe grassap voor de teelt van microalgen een extra bron van inkomsten kan zijn voor boeren.

Algen

Input: biomassastromen uit neven- of reststromen… 

Zoals eerder vermeld, streeft bio-economie naar circulariteit. In die optiek bestaan afvalstromen niet langer, maar zijn ze neven- of reststromen die nog belangrijke bestanddelen bevatten die je elders kan inzetten of de basis kunnen vormen van nieuwe producten. We zien heel wat veelbelovende opportuniteiten maar toch ook een aantal valkuilen.

Belangrijke nevenstromen komen uit de primaire productie. Denk bv. aan witloofwortels die een goede bron zijn van ijzer, mineralen, antioxidanten, vitaminen en vezels. Zonde om ze weg te gooien. Dat dacht ook Versalof die samen met ILVO en Food Pilot op zoek ging naar een oplossing. Het resultaat: Chicobite

Helemaal circulair gaat Joluplant dat veengebaseerd teeltsubstraat herwerkt om opnieuw in te zetten. Nog meer sprekende voorbeelden vind je in ons dossier circulaire economie

Ook koffiegruis is een populaire biomassastroom. Onder andere in Mechelen experimenteren ze om het te gebruiken als teeltsubstraat voor paddenstoelenkweek. Orineo verwerkt het in gietvloeren en Glimps bestudeert of en hoe ze de olie kunnen opwaarderen. 

En wist je dat je suikers - of de reststroom ervan - kan omzetten in wasverzachters? Speerpuntcluster Catalisti begeleidde Ecover, Cargill en Eastman om daarvoor samen te werken met UGent, KULeuven en VITO.

Je kan vanzelfsprekend ook nevenstromen beginnen combineren om het (basis)materiaal met de meest optimale eigenschappen voor je eindproduct te maken. Dat doet bijvoorbeeld Circular Matters. In de zoektocht naar biogebaseerde, circulaire plaatmaterialen combineert het vezelrijke nevenstromen van tomaat, riet of gras met draf, een eiwitrijke nevenstroom uit de bierproductie.

Turf

Input: biomassa uit de natuur  

Natuurlijk kan je ook voorhanden biomassa inzetten. De projectpartners van Grassification (HoGent, UGent, VITO, Inagro, Pro Natura) kijken naar het potentieel van bermgras en onderzoekers aan KULeuven geloven sterk in hout als alternatief voor fossiele grondstoffen. Ook Pro Natura kijkt naar organische reststromen zoals landschapsafval, grasmaaisel, hakhout, enz. om de vezels en andere componenten eruit te halen.

Uitdagingen

Een constant aandachtspunt bij het onderzoek naar het potentieel van (nieuwe) gewassen als biomassa voor een industriële toepassing is natuurlijk de teeltmethode incl. oogst, de beschikbare hoeveelheden en de stabiliteit van de stroom, de opbrengst (zowel in ton als in euro) voor de boer, de nabewerking, ...

Dat is precies het doel van het project MODEL2BIO van biobased industries (BBI-JU): het ontwikkelen van een beslissingsondersteunend en voorspelend systeem om - op basis van modellen - de beste valorisatieroute voor nevenstromen uit de agrovoedingsindustrie te bepalen. Het model houdt zowel rekening met de samenstelling van de biomassastroom, het volume, de transformatieprocessen alsook de logistieke parameters en de businesscase. Model2bio wordt de eerste tool die het mogelijk maakt om de volledige waardeketen én het hele industriële proces te simuleren. Het platform zal worden gevalideerd aan de hand van vier real-life omgevingen waarvan België er één is! Ook Flanders' FOOD is nauw bij dit project betrokken.  
 
Ook het project MOOV van VITO sluit hier bij aan. Om de waardeketen van biomassa van hout (milieu)technisch, en economisch rendabel te maken, kijkt men er naar de optimalisatie van de  supply chain.

Output: oneindige toepassingen 

Nieuwe of “oude” biomassa, rest-, neven- of authentieke stromen. De toepassingen hiervoor zijn eindeloos en situeren zich in de meest uiteenlopende domeinen: van chemie, farmacie en  gezondheidzorg over materialen en bouw tot agro-voeding. Niet limitatief zetten we een aantal tot de verbeelding sprekende voorbeelden neer.

Naar een groene chemie?  

Al decennialang produceert de chemische nijverheid stoffen die de basis vormen voor onze plastics, schoonmaakmiddelen, enz. Zelden maken ze hiervoor gebruik van hernieuwbare, duurzame grondstoffen. Aardolie blijft jammer genoeg goedkoper. In de bio-economie zoeken we naar biogebaseerde alternatieven of nieuwe bruikbare chemicaliën die we kunnen gebruiken in de transitie naar een groenere chemie.  Klaar voor de ommekeer?

PLA of polymelkzuur (polylactic acid), is misschien wel één van de bekendste voorbeelden van een volledig nieuw biogebaseerd polymeer met breed potentieel. 

TripleW gebruikt supermarktoverschotten (groenten) voor de productie van melkzuur en polymeriseert dat vervolgens tot polymelkzuur. Werkelijk uniek is dat je via datzelfde proces ook de geproduceerde PLA kan recycleren. Om schaal en financiële haalbaarheid van de productie te verhogen, moeten de fluctuerende voorraden van nevenstromen uit de landbouw beter onder controle worden gebracht. In het Europees gesubsidieerde project WASTE2FUNC zoekt men naar een oplossing. Zo test men of de toevoer van de landbouw met de huidige industriële toevoer van voedseloverschotten gecombineerd kan worden tot een duurzame toeleveringsketen. Met deze  gecombineerde, organische restroom produceer je dan melkzuur en biologische surfactanten.   

Ook lignine - de grootste bron van aromatische bouwblokken in de natuur – is een veelbelovende grondstof. Wist je dat maar liefst 40% van alle chemische bouwstenen aromaten zijn? Ze zorgen namelijk voor de functionaliteit van de bouwstenen, waaronder stevigheid, krasvastheid, transparantie, stabiliteit en andere waardevolle eigenschappen.  De verwachtingen zijn hoog gespannen en in Vlaanderen is er al heel wat expertise: met verschillende onderzoeksprojecten aan Vlaamse universiteiten en grootschalige demonstratie-installaties zoals de LignoValue pilot bij VITO. Bovendien werd ook 8,2 miljoen euro van de Europese relancemiddelen toegekend aan BioCon pilot plant, een initiatief van de KU Leuven voor een biomassa-conversieplatform met focus op lignine als biogebaseerd alternatief voor fossiele aromaten.  

Naast het winnen van chemische bouwstenen uit neven- en reststromen, kunnen we ze ook voor ons laten bouwen door levende fabriekjes. In leegstaande kassen in Vlaanderen kan Spirulina, één van de meest gekende microalgen, worden geteeld die een bron vormt van fycocyanine (blauwe kleurstof). Verschillende partners waaronder Inagro en Centexbel onderzochten deze opportuniteit in het Interreg project “de blauwe keten”.

Materialen  

De negatieve impact van de textielsector op het milieu is geen ‘breaking news’ meer. De urgentie voor het vinden van alternatieve natuurlijke vezels voor o.a. katoen of het fossiel gebaseerde polyester is hoog. Hennep is daarbij een belangrijke herontdekking. Het is duurzaam, inherent antimicrobieel en vochtabsorberend!  Dragen we binnenkort allemaal een kleedje of pak van Vlaamse hennep? 
 
Wat doen we dan met onze leren sandaaltjes of geklede schoenen? Ook voor dierlijk leer denkt men aan alternatieven. De schoenen van Komrads zijn hiervan hét bewijs. De hippe, trendy sneakers zijn gemaakt van appelleer, bestaande uit 55% appelresten en 100% gerecycleerde rubber. Een onderzoeksteam aan de UCLL in Limburg wil nog enkele stapjes verder gaan. In het project Appeal zoekt men naar manieren om fruitafval om te zetten naar een volledig biologisch afbreekbaar biomateriaal. Een broeksriem of handtas van fruitleer, hopelijk zijn ze niet meer uit het straatbeeld weg te denken! Het CrossRoads2 Sustainable Energy-project ‘Vegan Leer 2.0’ zet schimmelbiomassa in om tot een vegan alternatief voor leer te komen. 

Ook in de designwereld leeft de bio-economie. Wat dacht je van een biogebaseerd kantoor? Verschillende Vlaamse materiaalpioniers maken van groenafval bio-interieurdesign. Bij Orineo ontwikkelen ze onder andere tafelbladen van bijproducten van veenbessen en kurk, gietvloeren van koffie of designstoelen van wijnkurken.

Koffiebonen

Bouw

Rond duurzaam bouwen kan je heel wat terugvinden in het dossier circulair bouwen. Toch willen we je hier ook even laten kennismaken met biogebaseerde bouwmaterialen. Hennep biedt bijvoorbeeld heel wat potentieel als isolatiemateriaal en kalk is één van de oudste bouwmaterialen.  Nog een interessant weetje, bij de productie van hennep wordt meer CO2 opgenomen dan er uitgestoten wordt.

Gezondheid

“An apple a day keeps the doctor away”, deze leuze kennen we allemaal. Maar dat we kanker kunnen verslaan met taxus uit jouw tuin, wist je misschien niet? Vergroot de hoop is een Brussels initiatief dat inzamelacties op poten zet in België voor taxussnoeisel. De taxushaag (taxus baccata), die enkel voorkomt in West-Europa, bezit namelijk bacatine, de basisgrondstof voor chemotherapie. Na een chemische bewerking kan deze stof worden omgezet in Taxol of docetaxel die tumorcellen kunnen bestrijden door hun celdeling te verstoren. We kunnen zelfs nog een stapje verder gaan. Antleron probeert om met cellen en biomaterialen levende vervangstukken te maken voor mensen.  

Tijdens de COVID-19 pandemie, leerden we heel wat nieuwe gewoontes, denk maar aan meerdere keren per dag de handen wassen of desinfecteren met alcoholgel. Ook bij een pandemie is de bio-economie niet veraf. Bij GLIMPS.BIO maken ze zeep van koffiegruis. En voor het hydrateren van je handen  na het desinfecteren, gebruik je misschien binnenkort wel een handcrème van insecten. Thomas More en cosmeticaproducent Mylène sloegen de handen in elkaar en onderzoeken of vet van sprinkhanen en vliegen een duurzaam alternatief kan zijn voor palmpitolie in handcrèmes.

Agro-voeding

Volgens het cascadeprincipe, wordt binnen de bio-economie steeds geverifieerd of een restroom uit de voedingsketen in eerste instantie nog als voeding of veevoeder kan worden ingezet. Het project ValorHerb bracht verschillende voedingsbedrijven samen om de steeltjes van kruiden te transformeren in innovatieve voedingstoepassingen of veevoederadditieven (dossier circulaire voedselketen). En bij Kriket maken ze van biokrekels eiwitrijke on-the-go snackrepen. Ook biogebaseerde bestrijdingsmiddelen tegen ongedierte en ziekteverwekkers zijn volop in ontwikkeling. Bij Biotalys, een Gents landbouwtechnologiebedrijf, ontwikkelt men eiwitgebaseerde biofungiciden, bioinsecticiden en biobacetriciden voor gewassen.

Bioraffinaderij – de fabriek van biogebaseerde moleculen  

Zoals we eerder zagen streeft de bio-economie naar een zo optimaal mogelijk gebruik van een bepaalde biomassagrondstof, door alle componenten ervan te benutten. Deze manier van denken, vinden we ook terug in het concept: ‘bioraffinage’. 

Bioraffinaderijen zijn grote fabrieken waar biomassastromen worden verwerkt tot een brede waaier aan eindproducten, zoals biobrandstoffen Bioraffinaderijen halen verschillende producten uit één enkele grondstof.  Ze maken het dus mogelijk om op grote schaal biomassa duurzaam en economisch rendabel om te zetten in een breed gamma aan materialen en chemicaliën.  

Theoretisch kan je een bioraffinaderij beschouwen als een systeem van 4 structurele elementen: grondstof, platformen, conversieprocessen en producten. In een bioraffinaderij wordt dus vertrokken vanuit een bepaalde grondstof die vervolgens wordt omgezet in één of meerdere platformen. Platformen of fracties zijn belangrijke tussenproducten, zoals suikers, oliën en lignine die de basis vormen van allerhande producten. Vervolgens worden deze basis-platformen verder geconverteerd naar hoogwaardige chemische bouwstenen, materialen of brandstoffen. De processen die gebruikt worden, zijn zowel mechanisch-fysisch, biochemisch, chemisch of thermochemisch van aard. Wist je dat er in België maar liefst 20 bioraffinaderijen actief zijn?

Productieprocessen

Om biomassastromen om te zetten naar waardevolle producten kunnen we hulp inschakelen van  micro-organismen (bacteriën, schimmels, algen en gisten) en hun enzymen. De bio-economie steunt daarbij op de industriële biotechnologie, waar ze ‘celfabrieken’ gebruiken om biogebaseerde producten te produceren. De meest eenvoudige manier om van die celfabriekjes gebruik te maken is via vergisting, compostering en inkuilen. ILVO onderzoekt bv. hoe ze organische reststromen (gewasresten en maaisel) via verschillende technieken en processen (waaronder composteren, fermenteren,...) kunnen inzetten voor bodemverbetering.

Fermentatie is één van de oudste biologische processen dat stelselmatig onderzocht en verfijnd wordt. Daarbij modificeert men specifieke stammen van microbiële eencellige organismen genetisch om de werking van de celfabrieken te optimaliseren. In het moonshot project TACBIO zoekt men naar een nieuw biobased proces dat fermentatie bij hoge temperatuur en lage pH mogelijk maakt, om zo op een duurzame manier belangrijke chemische producten te produceren.

Maar ook zonder die biologische fabriekjes is er heel wat mogelijk. Het project EffSEP is een fundamenteel onderzoeksproject waarbij Flanders Food, UGent, KU Leuven en UHasselt het stabiliseren van biomassa en de extractie van macrobestanddelen (eiwitten, polysachariden en lipiden) uit biomassa onderzoekt. In een eerste fase kijkt men naar aardappelschillen, wortelpulp en micro-algen. 

Een ander voorbeeld van verwerking zonder micro-organismen is het gebruik van stoom. Doel van het project ReGrow4C (Vlaanderen Circulair, Proefcentrum Sierteelt, ILVO) bv. is om circulaire (sier)teelt door hergebruik van teeltsubstraten (veen, aardbei en komkommer) mogelijk te maken.

Meer succes met procescombinaties

Vaak is het net de combinatie van verschillende technieken die tot succes leidt. “Bioraffinage” ontstaat typisch wanneer we gebruik maken van combinaties van technologieën met en zonder micro-organismen om tot een afgewerkt product te komen. 

Het project TECH4BioWASTE ontwikkelt een database van relevante technologieën en het Europese Horizon2020 project NewPack onderzocht hoe men uit verschillende afvalstromen via hydrolyse en fermentatie PHB kan produceren. 

Het Vlaamse Moonshot project FUCATIL doet baanbrekend onderzoek naar een duurzame synthese van hoogwaardige acrylonitril uit beschikbare koolhydraten uit overvloedige Vlaamse reststromen, zoals papier en karton, maiskolven en bierbrouwers. Men combineert er uiterst koolstofefficiënte fermentatieprocessen met nieuwe scheidings- en katalytische conversiemethoden. (Bio Base Europe Pilot Plant, KU Leuven en Universiteit Gent) 

In het project SMARTBOX vertrekt men van lignocellulose om deze via reductieve, katalytische fractionatie eerst om te zetten tot de eenvoudige lignine bouwblokken (lignine olie, koolhydraatrijke pulp en HMF). De lignine-olie wordt vervolgens biokatalytisch (i.e. met speciale eiwitten, namelijk enzymen) omgezet tot hoogwaardige chemicaliën. De eerste stap, de fractionering, vindt plaats in de nieuwe biorefinery voor lignine van KU LEUVEN. (B4Plastics, KU Leuven (SELS GROUP) en BioBase)

Biorizon is een shared research center dat - vertrekkend van biologische reststromen - zoekt naar duurzame alternatieven voor de productie van bio-aromaten (chemische bouwstenen). Een grensoverschrijdend initiatief tussen VITO en TNO (Nederland) dat drie onderzoeksdomeinen omvat: thermochemische processen, suiker/furan technologie en ligninetechnologie. VITO werkt daarbij op de 3e pijler (lignine). Het project PILLAR is daar een sprekend voorbeeld van. Het vertrekt van verschillende stromen om tot lignine-olie te komen (piloot van KU Leuven + Piloot bij VITO). Meer weten? Lees zeker ook het VITO-artikel : "Kunsthars treedt uit het lab".

SPICY (cSBO) is een project van Catalisti, i.s.m. KU Leuven en kijkt naar het valoriseren van suikers.