Stoffen die Moeder Natuur tot Kunst heeft verheven

Al miljarden jaren lang heeft Moeder Natuur een fascinerend palet aan biopolymeren gecreëerd, waarvan sommige ware kunstwerken zijn. In deze blog gaan we dieper in op de wereld van biopolymeren en ontdekken we de diversiteit, functies en toepassingen van deze natuurlijke chemische verbindingen. 

 

Lignocellulose: Bouwsteen van de Natuurlijke Wereld

Het ligt voor de hand om te beginnen met het meest voorkomende polymeer op aarde dat ongeveer 50% van de totale biomassa uitmaakt: lignocellulose. Op afbeelding 1, hier rechts te vinden, is een veronderstelde structuur van lignine in naaldbomenhout te zien. Deze stof in bomen en planten, waaronder gras, wordt steeds meer als grondstof ontdekt. In Groningen werd in 2021 de eerste asfaltweg ter wereld in gebruik genomen, waarin bitumen door lignine werd vervangen. Een voorbeeld dat Rijkswaterstaat verder gaat uitbreiden in het ‘Circuroad’ programma.

 

Chitine: Het Opkomende Alternatief voor PFAS

Chitine is de volgende in de lijst van meest voorkomende biopolymeer op aarde. Het is in vrijwel alle insecten, schaaldieren maar ook in schimmels (paddenstoelen) te vinden. Chitosan, verkregen door het verwerken van chitine, wordt momenteel ontwikkeld als alternatief voor perfluorverbindingen, zoals PFAS. Derivaten van chitosan zijn water- en olieafstotend te maken.

 

De diversiteit van biopolymeren komt tot uiting in hun structuur, waarbij zowel homogene als heterogene, lineaire als vertakte configuraties en co-polymerisaties mogelijk zijn. Homogene biopolymeren hebben een uniforme samenstelling en structuur, en alle sub eenheden (monomeren) in het polymeer zijn identiek. Een voorbeeld is desoxyribonucleïnezuur (DNA). Daarentegen hebben heterogene biopolymeren een niet-uniforme samenstelling en structuur, en bestaan uit verschillende soorten monomeren, zoals eiwitten die uit verschillende aminozuren zijn samengesteld. Alhoewel hierop ook weer uitzonderingen zijn, zoals de co-polymeren van gelatine die uit repeterende tripletten van (glycine-X-Y)n bestaan, waarin X en Y meestal proline en hydroxyproline zijn. De afbeelding hieronder toont links DNA met repeterend eenheden van cytidine, desoxyadenosine, desoxyguanosine en thymidine, in het midden collageen als voorbeeld van een gecopolymeriseerd, relatief homogeen eiwit waaruit gelatine kan worden gewonnen en rechts een complex heterogeen eiwit.

 

Bioactieve Biopolymeren: Natuurlijke Kunstenaars van Functionaliteit

De genoemde biopolymeren geven structuur, stevigheid, bescherming (cellulose, chitine) en energie (zetmeel, glycogeen), maar veel biopolymeren vallen op omdat ze bioactief zijn. Functionele activiteit (zoals regulatie, terugkoppeling, activatie van een cascade) lijkt vooralsnog een eigenschap die meestal bij de door de mens ontworpen polymeren ontbreekt. De natuur kan ons daarbij helpen en inspireren en dat gebeurt in toenemende mate. Een fascinerend voorbeeld, althans voor degene met een bio-organische achtergrond, zijn de ketens van N-acetylsiaalzuur. Te eenvoudig gesteld, maar ze bepalen in hoge mate de groei en aanpassingsvermogen van ons brein. Helaas maken enkele neuro invasieve bacteriën die bijvoorbeeld gevreesde hersenvliesontstekingen veroorzaken, hier misbruik van.

Het antistollingseffect van de heparine is een andere type activiteit van een biopolymeer. De stof wordt in de lever aangemaakt. Professor Stan van Boeckel (verbonden aan het toenmalig Organon) en zijn medewerkers wisten met behulp van computertechnieken (eind jaren 80!) de activiteit van heparine terug te brengen tot een molecuul bestaande uit vijf eenheden met enkele essentiële sulfaatgroepen op stereo chemisch belangrijke posities. Dit baanbrekend onderzoek leidde tot sterk verbeterde antistollingstherapie met organisch synthetische heparine imitaties.

 

Eiwitten: Kampioenen van Actieve Biopolymeren

Aan heparine valt op dat biopolymeren ook een lading kunnen hebben. Heparine en derivaten zijn anionen, maar positief geladen biopolymeren komen ook voor, waarbij stikstof in bijvoorbeeld amine- of guanidiniumgroepen in eiwitten, een belangrijke rol speelt. De functionele groepen in biopolymeren zijn dus divers; behalve sulfaat-, amine-en-guanidiniumgroepen, komen ook veel carbonzuren, fosfaat, methyl, acetyl, glycoloyl groepen voor.

Vanwege hun enorme variëteit en functionaliteit, zijn eiwitten de kampioenen onder de actieve biopolymeren. Moeder Natuur maakt dus niet alleen gebruik van monosachariden en fenolen als bouwstenen voor polymeren, ze doet dat ook met aminozuren en lipiden. Zijde is een intrigerend eiwitcomplex en een grote inspiratiebron voor innovatieve, technologische toepassingen in additieven, films, aero- en hydrogelen, schuim voor medische toepassingen, Nano materialen enzovoorts. Zijde bestaat uit twee eiwitten die in verschillende verhoudingen het product hard of zacht maakt. Dat lijkt op klassieke polymeerchemie, maar dan zonder de vervelende weekmakers.

 

Biopolymeren en chemie

We passen biopolymeren soms met een chemische bewerking aan. Voor mij is leer het meest tot de fantasie sprekende voorbeeld. Al in oude tijden, vanaf circa 9.000 jaren geleden, werden huiden tot leer verwerkt. Voor dit proces werden tannines uit onder andere eikenbast (tannum = eikenbast) ingezet. De negatief geladen tannines hechten via ionbindingen, hydrofobe interacties en waterstofbruggen aan eiwitten. Wijndrinkers kennen het effect van het verschijnsel: tannines in de wijn reageren met mondeiwitten en geven wrange smaak aan de wijn. Hoewel eetbaar, laten we eikels waarschijnlijk om die reden voor de eekhoorns liggen. Vanaf het jaar 1800 werden in toenemende mate chroom- en arseenzouten en formaldehyde (uit rook) voor leerbewerking ingezet. Het komt er in deze processen op neer dat de eiwitten in de huid samenklonteren (verknopen) en complexen vormen.

Fascinerend is hoe de natuur totaal verschillende oligomeren en polymeren combineert. Het zijn koolhydraatketens die covalent aan eiwitten (de zogenaamde glycoproteïnen) gebonden zijn, die bijvoorbeeld meebepalen hoe actief en hoe oud het eiwit mag worden. Parasieten en virussen maken er gebruik van om ons immuunsysteem te misleiden. Dr. Aldert Bergwerff, auteur van deze blog, heeft een aanzienlijke bijdrage geleverd aan de opheldering van de polymeren die de parasiet Schistosoma mansoni (getoond op de afbeelding hiernaast) gebruikt om ons immuunsysteem om de tuin te leiden. De parasiet is de veroorzaker van bilharzia en na malaria de meest voorkomende infectie op aarde.

 

Voor veel polymeerchemici zal het vanzelfsprekend zijn dat polymeren niet in een waterig milieu oplossen. Uit deze blog volgt dat veel biopolymeren juist in waterige oplossing voorkomen. Het mag als bekend worden verondersteld dat daar ladingen (ionbindingen), hydrofiele en hydrofobe eigenschappen, Van der Waals krachten, cross-linking (disulfide bruggen) et cetera aan bijdragen. Daarbij helpt een watermantel (kristalwater) dat een biopolymeer omhult waarbij de hydroxylgroepen van monosachariden (denk aan de glycoproteïnen) een grote rol spelen. Monosachariden zijn immers polyalcoholen en trekken water aan. Ook een slimme vouwing waarbij ontvouwing voor activatie van allerlei functies mogelijk is, verhoogt de oplosbaarheid van grote moleculen. De absolute winnaar op dit gebied is dubbelstrengs DNA. Op de afbeelding hieronder zie je DNA-strengen die aan een stukje hout of een glazen staaf blijven kleven. Menselijk DNA is opgelost en heeft een DP van 3 miljard (baseparen), een lengte van 2 meter (6 miljard nucleotiden x 0,34 nm) en een moleculaire massa van 2×1012 Da. Welk (xenobiotisch) polymeer doet dit na?

 

Biopolymeren, de spiegel voor polymeerchemici

Kortom, biopolymeren zijn fascinerend en kunnen een spiegel voor polymeerchemici zijn. Ze zijn divers en bestaan uit een breed spectrum aan structuren en hebben vele eigenschappen. Ze zijn in hoge mate biocompatibel. Ze worden dus makkelijk verdragen door levende organismen. Ze zijn hernieuwbaar door ze te produceren uit lignine, cellulose, zetmeel, chitine, eiwitten, vetten et cetera. Ze hebben een grote verscheidenheid aan makkelijk aanpasbare functionaliteit, zoals flexibiliteit, sterkte, elasticiteit, oplosbaarheid, en thermische en chemische stabiliteit. Niet onbelangrijk, misschien wel de belangrijkste kwaliteit van biopolymeren in de huidige tijd: ze zijn eenvoudig afbreekbaar. Welke chemicus gaat dit met zijn/haar ontworpen polymeren volgen?

 

Deze blog is tot stand gekomen in samenwerking met de Chemische Kring Zwolle en geschreven door dr. Aldert Bergwerff.

 

De Potentie van Biobased Polymeren

op 12 maart 2024 vindt het Kunststof Seminar: Circulaire Transitie plaats in Almelo. Het thema van dit seminar is ‘De Potentie van Biobased Polymeren’.  Interessante sprekers uit de markt nemen je mee om de businesscase kloppend te maken, of vertellen je meer over de techniek en toepassingen van biopolymeren.

Wil jij gaan werken met biopolymeren of werk je er al mee en wil je samen met andere partijen een businesscase opzetten, kom dan zeker op 12 maart naar Almelo. De plaatsen voor het Kunststof Seminar zijn beperkt, dus koop jouw ticket dus snel op deze pagina.

Hij staat bekend als meteoroloog, maar heeft zich volledig gestort op duurzaam en Biobased bouwen. Gerrit Hiemstra zorgt voor een inspirerende opening van het Kunststof Seminar | De Potentie van Biobased Kunststoffen op 12 maart in Almelo. Als mede-oprichter van Oarshûs streeft hij ernaar om de bouwsector te transformeren. Het moet Oars, oftewel anders. Anders ontwerpen, anders organiseren, anders bouwen. Dat doet Oarshûs onder andere door gebruik te maken van Biobased materialen. Gerrit neemt jou tijdens het seminar mee in deze visie en passie. Laat je inspireren en kom op 12 maart naar Almelo.

Wat kun je nog meer verwachten?

Na de mooie opening van Gerrit Hiemstra, verzorgd projectleider Erwin Zant een korte introductie over biopolymeren. Biopolymeren, het is een mooie oplossing om jouw product duurzamer te maken. Maar hoe doe je dat dan en waar begin je? Tijdens dit Kunststof Seminar hopen onze sprekers jou verder te helpen met die vragen. Als iedereen heeft genoten van een kop koffie, starten we met twee deelsessies.

 

Deelsessie Biopolymeren, de Businesscase

De capaciteit, prijzen en benodigde wetgeving en infrastructuur om tot een significante kunststofstroom te groeien. In deze deelsessie nemen interessante sprekers uit de markt je mee om de businesscase kloppend te maken.

 

Deelsessie Biopolymeren, de Techniek en Toepassingen

Welke functionele eigenschappen hebben biopolymeren ten opzichte van conventionele kunststoffen en wat kan je verwachten in het verwerkingsproces. In deze deelsessie gaan sprekers uit de kunststofindustrie daar op in.

 

Ga samenwerkingen aan en verbreed jouw netwerk

Het seminar sluiten we na het mooie inhoudelijke programma af met een netwerkborrel. Ontmoet gelijkgestemde uit de industrie om mogelijke samenwerkingen aan te gaan.

 

Tickets

Heb je jouw ticket al bemachtigd? Ga voor meer informatie en tickets naar deze link.

Op 12 maart 2024 kwam de kunststofindustrie samen in Almelo voor het Kunststof Seminar Circulaire Transitie: De Potentie van Biobased Kunststoffen. De bezoekers werden geïnformeerd over biobased kunststoffen en de vele toepassingsmogelijkheden daarvan. Toonaangevende sprekers vertelden over hoe zij de stap naar Biobased kunststoffen hebben gemaakt. Hier lees je een beknopte terugblik van wat er deze middag allemaal aan bod kwam.

Gerrit Hiemstra

 

Onze bezoekers werden ontvangen met een heerlijke lunch om de middag goed te starten en te netwerken. Het plenaire programma ging van start met Gerrit Hiemstra, medeoprichter van Oarshûs biobased bouwen. Als voormalig meteoroloog startte hij met het benadrukken van de noodzaak voor verandering. Klimaatverandering vraagt om een verandering als persoon en als industrie. Een van de oplossing is door gebruik te maken van biobased oplossingen. Er werden zelfs concrete project ideeën naar voren gebracht als kansen in de bouw.

“Er liggen concrete kansen in de bouw voor biobased materialen.”

Aldus Gerrit Hiemstra | Oarshûs

Na deze mooie eyeopener, gaf Erwin Zant van Polymer Science Park een introductie over biopolymeren die goed werd ontvangen door het publiek. Een mooie start om de deelsessies in te gaan en te focussen op de mogelijkheden en uitdagingen van biopolymeren.

 

 

Biopolymeren, hoe nu verder?

Biopolymeren willen toepassen is mooi, maar kan impact hebben op je welke technieken komen erbij kijken en voor welke toepassingen is het geschikt? Kortom, hoe kun jij het toepassen in jouw producten?

Een van de sprekers in de deelsessies was Braskem. Zij bieden mogelijkheden met hun bio-PE, waarna hun distributeur FKUR een vertaling heeft gemaakt naar de toepasbaarheid van biopolymeren. Milad Goldkaram van TNO vertelde welke ontwikkelingen er zijn op het gebied van AI om (snel) nieuwe biopolymeren of product eigenschappen te ontwikkelen. Maar wat zijn de drijfveren achter het gebruik van biopolymeren? Daar ging Remy Jongboom van Senbis op in.

Parallel aan de sprekers hierboven, was er nog een inspirerende deelsessie met Rodenburg Bioplastics die een duurzamer alternatief biedt voor olie gebaseerde kunststoffen door gebruik te maken van aardappelzetmeel.

 

“Misschien is het nog niet mogelijk om alle materialen te vervangen met een duurzamer alternatief, maar met kleine aanpassingen heb je ook al een positieve impact.”

Rick Hagenaars | Rodenburg Bioplastics

PHA is ook een natuurlijke vervanger voor olie gebaseerde kunststof, en dat is wat Paques Biomaterials produceert. PHA is over het algemeen erg goed biologisch af te breken en toepasbaar in veel end-to-end mogelijkheden. Helian Polymers is compoundeur van PHA’s en heeft de afgelopen 2 jaar geleerd dat er een aantal kritische (succes) factoren zijn zoals de verwerking, functionaliteit en prijs. Dit heeft geleid tot het ontwikkelen en testen van meerdere formuleringen voor PHA met als doelmarkten verpakkingen, persoonlijke verzorging, agricultuur, horticultuur en 3D-printen.

Dat gedegen onderzoek kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe monomeren bewijst Gert-Jan Gruter van Avantium. Zij ontwikkelden PEF uit volledig hernieuwbare bronnen. Met zo min mogelijk energiegebruik en geen massaverlies. 1 kilo biologisch materiaal moet ook weer 1 kilo monomeer opleveren. De door hen ontwikkelde PEF is het duurzame alternatief voor PET met betere barrière-eigenschappen.

 

 

Hoe ga jij biopolymeren toepassen?

Met alle kennis die tijdens het seminar opgedaan is, kunnen de aanwezigen gelijk aan de slag met biopolymeren. Daarbij is de vraag, hoe ga jij biopolymeren toepassen? Polymer Science Park helpt jouw bedrijf graag bij het testen en ontwikkelen van jouw duurzame product. Neem vrijblijvend contact met ons op en ontdek de mogelijkheden.

Zet ook alvast het volgende Kunststof Seminar op 14 november 2024 in jouw agenda.

 

 

Deze reeks van blogs geeft manieren aan om uw productportfolio ‘groener’ te maken. Naast hergebruik (‘re-use’) en gebruik van recyclaat (‘recycling’), kan er bespaard worden op fossiele grondstoffen (‘reduce’) door gebruik te maken van biogebaseerde kunststoffen.

Bioplastics worden vaak geassocieerd met duurzaamheid vanwege hun biologische afbreekbaarheid of afkomst uit hernieuwbare bronnen. Het is hierbij belangrijk om een onderscheid te maken tussen twee belangrijke termen: “biogebaseerd” en “bioafbreekbaar”. Niet alle bioafbreekbare kunststoffen zijn biogebaseerd en niet alle biogebaseerde kunststoffen zijn bioafbreekbaar. De specifieke kansen en uitdagingen van bioafbreekbare kunststoffen worden in een volgende blog uitgebreider besproken.

Hier behandelen we de uitdagingen en kansen die er zijn om biogebaseerde kunststoffen voor uw portfolio in te zetten.

 

Vaarwel fossiel, hallo bio!

Biogebaseerde kunststoffen worden geproduceerd uit hernieuwbare bronnen, zoals biomassa, zetmeel en suiker, of door middel van micro-organismen. Deze bronnen kunnen CO2 uit de atmosfeer vastleggen. Op productniveau betekent dit meestal een kleinere CO2-voetafdruk in vergelijking tot de winning en verwerking van fossiele brandstoffen voor de productie van traditionele plastics als een Life Cycle Assessment (LCA) vereist is.

European Bioplastics verwacht dat de wereldwijde productie van bioplastics bijna zal verdrievoudigen van circa 2,2 Mton in 2022 tot ongeveer 6,3 Mton in 2027. Daarvan is op dit moment ruim de helft biologisch afbreekbaar en zal naar verwachting stijgen tot meer dan 3,5 Mton in 2027. Het aandeel biogebaseerde, niet-biodegradeerbare producten zal ruim verdubbelen tot meer dan 2,7 Mton. De relatieve verdeling van de diverse kunststoffen is hieronder weergegeven.

 

Bron: European Bioplastics

 

Ja ik wil biobased inzetten, hoe nu verder?

Biogebaseerde kunststoffen kunnen een duurzaam alternatief bieden voor traditionele plastics en hun marktaandeel zal de komende jaren met een factor 3 groeien. Hoe verhouden deze zich tot fossiel op het gebied van beschikbaarheid, wetgeving, materiaaleigenschappen en recycling?

 

Beschikbaarheid

De beschikbaarheid van voldoende hernieuwbare biomassa op grote schaal is een belangrijke factor voor de productie van biogebaseerde plastics. Efficiënt gebruik van beschikbare grondstoffen, zoals organische reststromen afkomstig uit sectoren zoals landbouw en waterzuivering, voorkomt concurrentie met de voedselketen. Daarnaast zijn ook hernieuwbare brandstoffen potentiële concurrenten voor deze grondstoffen.

Opschaling van proeffabriek naar commerciële productie geeft voor veel van de biopolymeren aanzienlijke uitdagingen. Daarom zijn er wereldwijd slechts enkele fabrikanten die bioplastics op de markt brengen. Sommige biogebaseerde plastics, zoals PLA (polymelkzuren) en bio-PE uit maïszetmeel of suikerriet, zijn momenteel redelijk goed beschikbaar in Nederland. Daarentegen zijn andere bioplastics, zoals PHA (polyhydroxyalkanoaten), PEF (polyethylene furanoaten) en bio-PP uit suikers en plantaardige oliën, nog maar beperkt commercieel beschikbaar en nog volop in ontwikkeling. Het is daarom aan te bevelen om te kijken naar de uitwisselbaarheid van het huidige polymeer dat gebruikt wordt, met een goed beschikbare bio-alternatief.

 

Wetgeving

Met alleen recycling en hergebruik lukt het niet om de kunststofmarkt klimaatneutraal te krijgen in 2050 en fossiele grondstoffen te vervangen. Vooruitlopend op EU-wetgeving heeft het kabinet eind april 2023 besloten per 2027 een nationale verplichting voor plasticproducenten in te voeren om de toepassing van gerecycled plastic of biogebaseerd plastic te stimuleren. Het voornemen is om de verplichting te laten oplopen naar 25%-30% plastic recyclaat of biogebaseerd plastic in 2030. Op dit moment is het aandeel biobased op de Europese markt ongeveer 1%.

Het gehalte biogebaseerd in een kunststof kan worden gemeten volgens de Europese normen EN16640 en EN16785. Dit kan worden gecertificeerd, bijvoorbeeld via TÜV (het OK biobased certificaat) en NEN (biobased content).

 

Bron: NEN Normen voor biobased producten.

 

Materiaaleigenschappen

Hoewel bio-PE en bio-PP identieke materiaaleigenschappen hebben als hun fossiele tegenhangers, hebben andere biogebaseerde plastics specifieke materiaaleigenschappen die van invloed zijn op hun toepassingsmogelijkheden. PLA, bijvoorbeeld, heeft goede stijfheid en thermische stabiliteit, maar kan bros zijn en gevoelig zijn voor vocht. PEF biedt uitstekende barrière-eigenschappen, terwijl PHA verschillende eigenschappen kan hebben, afhankelijk van het type en de productiemethode. Het begrijpen en beheersen van deze materiaaleigenschappen is essentieel om ervoor te zorgen dat biogebaseerde plastics geschikt zijn voor de beoogde toepassingen en voldoen aan de vereiste specificaties.

 

Recycling

In tegenstelling tot bijvoorbeeld bio-PE en bio-PET, kunnen bioafbreekbare kunststoffen als PLA en PHA niet altijd goed met bestaande recyclingstromen van traditionele plastics gemengd worden. Dat komt door de andere materiaaleigenschappen en omdat deze plastics ook bioafbreekbaar zijn. Deze incompatibiliteit kan de recycling van de totale plasticstroom verstoren. Volgens Milieu Centraal dient bioafbreekbaar plastic daarom bij het restafval te worden weggegooid met een tarief Afvalbeheerbijdrage Verpakkingen van € 1,05/kg in 2023.

Bovendien is het, door het kleine marktaandeel, op dit moment nog niet rendabel om biogebaseerde kunststoffen te scheiden en sorteren van andere plastics in het afval. CE Delft schat dat PLA, met een huidige marktaandeel van 0,1-0,5%, pas bij een aandeel van 10% in de verpakkingsmarkt voor sorteerders en recyclers economisch aantrekkelijk is te recyclen.

 

Van uitdagingen naar innovatie

Ondanks deze uitdagingen blijven biogebaseerde kunststoffen ontwikkelen en groeien als een duurzaam alternatief. Het is belangrijk voor producenten, gebruikers en beleidsmakers om samen te werken aan het stimuleren van de beschikbaarheid van biomassa, het ontwikkelen van passende wet- en regelgeving en het bevorderen van onderzoek en ontwikkeling om de eigenschappen en prestaties van biobased plastics verder te verbeteren. Op deze manier kunnen we  samen de transitie naar een duurzamere en circulaire economie versnellen.

 

Wilt u werken met biogebaseerde kunststoffen om te komen tot een duurzamere en circulaire economie?  Maar loopt u daarin tegen één van de genoemde of andere uitdagingen aan? Wij pakken de uitdagingen graag samen met u op! Onze  materiaal- en verwerkingsdeskundigen van Polymer Science park helpen u verder met kennis, test- en prototypefaciliteiten en een prachtig netwerk.  Neem daarvoor vrijblijvend contact op.

Martijn Oversteegen, 19 juni 2023

Heb je een vraag?

Bel ons op 085 483 7800 of maak gebruik van het onderstaande contactformulier.