In de zoektocht naar alternatieven voor fossiele olie vormt het groene afval dat mensen produceren een belangrijke en omvangrijke bron van uitgangsstoffen. In de natuur wordt dood organisch materiaal verwerkt door specifieke micro-organismen. We maken als mens sinds kort dankbaar gebruik van het natuurlijke verwerkingsproces om grote stromen GFT-afval in een gecontroleerde omgeving te vergisten. Daarbij ontstaat compost en wordt methaan geproduceerd, het zogeheten biogas.
Biogas wordt momenteel voornamelijk gebruikt als bron van energie. Tegelijk zijn er veel afvallocaties waar de vergisting niet gecontroleerd plaatsvindt en het methaan dat ontstaat in de lucht verdwijnt (ongeveer 20% van de door de mens veroorzaakte emissie). Dit is een probleem, aangezien methaan een krachtig broeikasgas is dat aanzienlijk bijdraagt aan de opwarming van de aarde.
Samen met diverse partners voeren het HAN-lectoraat Biobased Innovations en CoE HAN BioCentre langjarig onderzoek uit om:
Het onderzoek vindt plaats aan de HAN, binnen het lectoraat Biobased Innovations en het Centre of Expertise (CoE) HAN BioCentre in samenwerking met verschillende partners.
Centre of Expertise, onderdeel van Hogeschool van Arnhem en Nijmegen
Het wordt uitgevoerd door associate lector Richèle Wind (Biobased Technology) en lector Christof Francke (Biobased Innovations) en onderzoekers Nardy Kip en Bram Visscher, met ondersteuning van tal van studenten.
Daarnaast is de afdeling BBP Biorefinery & Sustainable Value Chains van Wageningen Food & Biobased Research, onderdeel van Wageningen University & Research, betrokken bij het onderzoek.
Tot de private partners behoren vier MKB’ers: ENKI Energy en ARN (Genomics for Biogas), Excellent Biogas en Afvalzorg Holding (Methane to materials). Tevens participeert Sweco Nederland in het laatste project, onderdeel van het internationale architecten- en ingenieursadviesbureau Sweco.
Nardy Kip, docent-onderzoeker HAN-lectoraat Biobased Innovations: “Iets uitzoeken, testen, wat werkt wel en wat werkt niet. Eigenlijk de puzzel oplossen, dat vind ik zo leuk aan dit werk. En natuurlijk het resultaat in dit onderzoek. Ik kan hiermee concreet iets bijdragen aan het oplossen van een milieuprobleem."
Woordvoering partner Sweco Nederland: "‘Methane to Materials’ is een onderwerp van maatschappelijk belang. Het is echt samen leren en samen doen. We streven ernaar het ook echt samen met de HAN in praktijk te brengen, waarbij bio(proces)technologische kennis een onmisbare schakel is."
Dankzij een KIEM-VANG subsidie van Regieorgaan SIA voor ‘Genomics for more Biogas’ hebben de onderzoekers een eerste stap kunnen zetten om de samenstelling van de microbiële populatie in kaart te brengen. Dat deden ze samen met ENKI Energy, een producent van relatief kleinschalige vergisters voor biogasproductie door bedrijven met groen afval, en ARN, de GFT-afvalverwerkingscentrale voor de omgeving Nijmegen. De vergaarde kennis wordt gebruikt voor verdere procesoptimalisatie.
Microbiële vergisting vormt het hart van vele industriële processen waarin organische (afval)stromen worden verwaard. In de regio Nijmegen zijn de MKB bedrijven Enki ENERGY BV en ARN BV op dit gebied actief, waarbij Enki ENERGY BV relatief kleinschalige vergisters ontwikkelt voor specifieke eindgebruikers en ARN BV een afvalverwerkingscentrale beheert waarin GFT afval uit de regio wordt verwerkt tot biogas en compost. Beide bedrijven willen voor hun specifieke vergistings- en composteringsproces de invloed van de microbiële samenstelling graag beter in kaart brengen om zo de opbrengst van de processen rationeel te kunnen verhogen. De bedrijven zullen voor kritieke stappen in het productie proces representatieve monsters aanleveren. DNA zal worden geïsoleerd en metagenoom data zal worden verzameld. Ten behoeve van een effectieve analyse en interpretatie van se data zal gebruikersvriendelijke software worden ontwikkeld. Een belangrijk aspect van de data analyse betreft de identificatie van soorten (of sequenties) die indicatief zijn voor de opbrengst van het vergistings- en composteringsproces en daarmee kunnen worden ingezet voor monitoring. Op basis van de markers kan het proces gericht worden geoptimaliseerd. Een optimale productie van Biogas uit organisch reststromen draagt bij aan twee belangrijke doelstellingen binnen de circulaire economie, te weten: het terugdringen van het gebruik van fossiele brandstoffen in de productie van energie, en het opwaarderen en reduceren van grote organische reststromen.
Op verschillende momenten in het vergistingsproces zijn zogeheten metagenoom-sequentiedata verzameld. Ten behoeve van een effectieve analyse en interpretatie is specifieke software ontwikkeld. Op basis van een analyse van de aanwezige soorten methaanvormende organismen kon een indicatie worden gegeven van het soort methaanvormend proces in de vergisters. Daarnaast bleek de specifieke bacteriële samenstelling gerelateerd aan de aard en de fase van de vergisting en de schimmelsamenstelling gerelateerd aan de aard van het groene uitgangsmateriaal.
De opgedane kennis van processtatusgerelateerde organismen (sequenties) kan uiteindelijk worden gebruikt om het vergistingsproces te monitoren. Echter, uit de analyses bleek ook dat er een aantal duidelijke onvolkomenheden zijn in de manier waarop nu in het algemeen metagenoom-sequentiedata worden geannoteerd (van een organisme- of functielabel voorzien). Ook zijn er grote hiaten in de informatie die algemeen wordt gebruikt als referentie in metagenoomanalyses van de bodem. Willen we de microbiële activiteit goed kunnen duiden, dan is hier kennelijk nog een hoop fundamenteel werk aan de winkel.
Daarnaast hebben de onderzoekers een KIEM GoChem subsidie van SIA ontvangen voor ‘Methane to Materials’. Partners waren ENKI Energy, Excellent Biogas, Afvalzorg Holding, Wageningen Food & Biobased Research en Sweco Nederland. Samen hebben ze onderzocht of stortgas met een relatief laag methaangehalte, zoals dat vrijkomt uit afvalstortplaatsen als de Bavelse Berg, kan worden gebruikt voor de productie van bioplastics en specifiek polyhydroxybutyraat (PHB). Ze gebruikten daarbij fermentatie door methanotrofe bacteriën voor de omzetting van methaan naar een biopolymeer.
Waarde creëren uit afval door methaan om te zetten in duurzame plastic alternatieven Methaan is een krachtig broeikasgas dat aanzienlijk bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Nationale en internationale overeenkomsten vragen een aanzienlijke reductie van broeikasgassen in 2030 (49% t.o.v 1990). In Europa is meer dan 60% van de methaanemissies afkomstig van landbouw (40%) en (organisch) afval (20%) (1). Een deel van het geproduceerde methaan kan worden hergebruikt door het om te zetten in warmte en elektriciteit. Een groot deel van deze methaan houdende uitstoot kan echter niet worden gebruikt, vanwege te lage methaanconcentraties en/ of onvoldoende hoeveelheden. Dit is het geval voor bronnen, zoals stortplaatsen en kleine vergisters. Hier wordt methaan uiteindelijk afgefakkeld of uitgestoten naar de atmosfeer, terwijl het een groot potentieel heeft om te worden omgezet in biobased materialen, zoals bioplastics. Dit project zal onderzoeken of methaan bronnen die nu (deels) onbenut worden, gebruikt kunnen worden voor de productie van waardevolle materialen. Hierbij focussen we op biogassen uit stortplaatsen en vergisters waaruit het bioplastic PHB geproduceerd kan worden. Er is een potentie van 158.000 ton PHB per jaar, alleen al in Nederland. M2M heeft twee hoofddoelen: 1. Om methaan houdend biogas te recyclen tot duurzame plastic alternatieven. Methaan kan met behulp van micro-organismen biologisch omgezet worden in het biopolymeer polyhydroxybutyraat (PHB). Dit zal eerst op laboratorium schaal uitgetest worden en waarna een biofilter installatie zal worden ontworpen. 2. Het bestuderen van de haalbaarheid om methaan uit biogas te gebruiken voor PHB-productie met een methaan-bron die hiervoor nog niet eerder is onderzocht. Aangezien PHB een biologisch afbreekbaar polymeer is, draagt dit project bij aan vermindering van wereldwijde plasticvervuiling. Potentiële hernieuwbare koolstofbronnen, die kunnen worden gebruikt voor de productie van biopolymeer, leveren een bijdrage aan een circulair 'waste to value'-systeem.
Op laboratoriumschaal is aangetoond dat de methanotrofen kunnen groeien op stortgas en dat ze ook PHB kunnen produceren. Dat maakt het mogelijk om koolstof te recyclen en de methaanuitstoot te verminderen en zo een bijdrage te leveren aan een circulair ‘waste to value’-systeem. Tegelijk zullen de onderzoekers nog bottlenecks moeten oplossen. Zo zal ten behoeve van economische rendabiliteit de productie moeten worden opgeschaald. Ook dient het reactorsysteem verder te worden ontwikkeld om tot een goed biofilterontwerp te komen. Daarnaast moeten nieuwe analytische methoden worden opgezet voor zuiverheidsbepaling en karakterisering van de bioplastics.
Via het projectwerk hopen de onderzoekers samen met marktpartijen kennis op te bouwen voor de grondstoffentransitie, die noodzakelijk is om de klimaatcrisis daadwerkelijk aan te pakken. Een belangrijk uitgangspunt is om studenten van de Academie Toegepaste Biowetenschappen en Chemie van de HAN intensief bij het projectwerk te betrekken. Essentieel voor de kennisopbouw is behalve samenwerking ook de doorontwikkeling van verschillende sleuteltechnologieën op het gebied van de Chemische Technologie, Life Science & Biotechnologie en Digitale en Informatietechnologie. De onderzoeksgroep hoopt steentjes te kunnen bijdragen aan deze doorontwikkeling.
