Biopolymeer uit afvalwater breed toepasbaar

In 2010 vond een onderzoeker van de TU Delft bij toeval een gelachtig stofje in het zandfilter van een proefwaterzuivering volgens de Nereda-technologie. Deze nieuwe veelbelovende ‘bijvangst’ ontstaat in het korrelslib van Nereda-afvalwaterzuiveringsinstallaties. De Nereda-zuivering is een vondst van de TU Delft die door ingenieursbureau Royal HaskoningDHV wordt geleverd. Bij deze vorm van zuivering worden bacteriën toegepast in de vorm van slibkorrels. Slib en gezuiverd water zijn in de korrelslibreactor makkelijk te scheiden, omdat de korrels naar de bodem zakken. De Nereda is inmiddels de standaardtechnologie voor de rioolwaterzuiveringen in Nederland. Door de compacte zuiveringsinstallatie zijn de kolossale sedimentatiebassins van de biologische (aërobe) rwzi’s verleden tijd. Vorig najaar werd in Utrecht de grootste Nereda in ons land in bedrijf genomen, die het afvalwater zuivert van 430.000 inwoners, zo’n 65 miljoen liter water per dag. De techniek levert niet alleen een betere waterkwaliteit op (fosfaat 0,5 mg/liter, stikstof 5 mg/liter, ver onder de normen), maar kan ook een groter volume afvalwater zuiveren en is ruim 30% energie-efficiënter dan doorsnee zuiveringen.

Kaumera: veelzijdig toepasbaar

En dan de bijvangst. Het korrelslib in de Nereda-reactoren bestaat voor circa 20% tot mogelijk 30% uit Kaumera. Dat is een interessante hoeveelheid. Het stofje lijkt op alginaat, maar beschikt over heel andere eigenschappen. Alginaat wordt oorspronkelijk uit zeewier gewonnen en kan water zowel vasthouden als afstoten. De korrelsubstantie uit de Nereda is veelzijdiger en mogelijk een aantrekkelijk niet-fossiel alternatief voor in lijmen, bindmiddelen, composieten en stabilisatoren. Reden om een nieuwe naam te bedenken, en dat werd Kaumera (‘Kameleon’ in het Maori) dat de veelzijdigheid van het materiaal moet weerspiegelen.

Afvalwater zuivelindustrie

Na de ontdekking van de stof is de technologie ontwikkeld om het langgerekte suikerpolymeer uit de waterzuiverende bacteriën in het korrelslib te halen. Toen die er was, kon de Kaumera-winning van start. De eerste productielocatie staat in Zutphen. Daar nam waterschap Rijn en IJssel medio vorig jaar naast de bestaande rioolwaterzuivering een Nereda-zuivering in gebruik. Die zuivert het restwater van de zuivelfabrieken van FrieslandCampina in Borculo en Lochem, dat via een aparte persleiding wordt aangevoerd. Toen het zuivelbedrijf zijn productie wilde gaan uitbreiden, kreeg het waterschap de vraag of het de extra stroom afvalwater zou kunnen opvangen. “Voor ons was dit een uitgekiende gelegenheid om hier met de productie van Kaumera te starten”, licht projectleider Philip Schyns van het waterschap toe. “Omdat het restwater geconcentreerd is, kunnen we het efficiënt behandelen. We hebben aan FrieslandCampina gevraagd om de voorzuiveringsinstallatie uit te zetten, zodat we nog meer grondstoffen ontvangen.” Een prettige bijkomstigheid is de verwachte 20-30% reductie in het slibvolume van de Nereda. Zuiveringsslib is een notoire kostenpost, omdat het extern verwerkt moet worden door een slibverwerker. “Voor ons is dit een belangrijke drager van de businesscase”, zegt Schyns.

Productieproces Kaumera

Officieel werd ’s werelds eerste extractie-installatie in oktober 2019 feestelijk geopend. Achter de schermen werd de productie stap voor stap opgestart. “Wat we hier in bedrijf nemen is een heuse grondstoffenfabriek. Voor ons is dit een nieuwe tak van sport”, zegt Schyns. Het Nereda-korrelslib gaat vanuit een aparte buffertank naar een bandindikker die er 5% droge stof van maakt. “Dat proces wilden we eerst goed in de vingers krijgen.” Via grote warmtewisselaars wordt het slib vervolgens in de extractiereactor gevoerd op een temperatuur van 80ºC. Na een verblijf van twee uur in de reactor laten de bacteriën hun slijmhuidje van Kaumera los. De toevoeging van loog (pH 10,5) zorgt ervoor dat er extra veel biopolymeer vrijkomt. De slib- en waterstroom gaat daarop terug via de warmtewisselaars, ditmaal om af te koelen, naar een decanteer-centrifuge die het resterende slib van het water scheidt. In het water zit het opgeloste Kaumera. Het slib wordt afgevoerd en extern verwerkt. Water en Kaumera worden vervolgens in een schotelcentrifuge gescheiden. Onder toevoeging van een zuur (om de pH-waarde te verlagen naar pH 2) vlokt de Kaumera vervolgens als een gel uit. Het Kaumera-product wordt weggepompt naar een opslagsilo buiten.

Centrifugetechniek

Technologiebouwer GEA verzorgt de processtap met de twee centrifuges. Het bedrijf wil zijn centrifugetechniek vervolmaken om zich tot preferred supplier voor toekomstige extractie-installaties van Kaumera te ontwikkelen. “Voor het centrifugeproces is omdenken nodig”, zegt Schyns. “Normaal worden dit type centrifuges standaard voor slibontwatering ingezet. Nu zijn ze nodig om het Kaumera uit het water te halen. Dat is volledig nieuw.” De tweede Kaumera-fabriek is al gebouwd. Eind mei 2020 is in Epe een vergelijkbare installatie opgeleverd bij waterschap Vallei & Veluwe. Daar is de primeur dat het biopolymeer uit huishoudelijk afvalwater wordt gehaald. Ook bij deze installatie zijn centrifuges van GEA in gebruik. In Zutphen is de Kaumera-productie op stoom gekomen. Non-stop productie is nodig, geeft Schyns aan. “Bij een langere stilstand zouden we weer opnieuw op moeten warmen en steeds tussentijds moeten reinigen, omdat er anders schimmelvorming in het materiaal optreedt.”

Afzet en toepassing

De volgende stap is de afzet en toepassing in producten van het nieuwe biopolymeer. Drie ontwerpers presenteerden op de Dutch Design Week in 2018 al toepassingen van Kaumera in textiel, hout en porselein. De interesse in Kaumera is groot, aldus Schyns, die een lijst van zo’n veertig partijen laat zien die het biopolymeer testen, voor toepassingen in lijm, foam en brandvertragers tot nano-composieten en absorptiekorrels in incontinentiemateriaal. “Voor elke toepassing is wettelijke goedkeuring nodig”, vertelt Schyns. “Een product dat wordt gewonnen uit afvalwater, krijgt het stempel afval. Tests moeten uitwijzen of het een toepasbaar en betrouwbaar product is, om zo de ‘einde-afvalstatus’ te bemachtigen. Ook een REACH-certificering is noodzakelijk.”

Het winnen van Kaumera uit afvalwaterstromen vindt plaats onder de vlag van het NAOP, kort voor het Nationaal Alginaat Ontwikkelingsprogramma, waarin de waterschappen Rijn en IJssel en Vallei en Veluwe samenwerken met onderzoeksinstituut Stowa, RoyalHaskoningDHV en de TU Delft samenwerken.

Opwerken

Sinds 2017 is biotechbedrijf Chaincraft aangesloten, om Kaumera op de markt te brengen. Het in Zutphen geproduceerde biopolymeer wordt door Chaincraft eerst opgewerkt. Producten die nu al uit afvalwater worden gehaald, zoals struviet en celloluse, zijn alternatieven voor bestaande producten en markten. Kaumera moet zijn markten nog vinden. Chaincraft koopt het ruwe geëxtraheerde Kaumera-product van het waterschap en kan het, door het te combineren met andere grondstoffen, geschikt maken voor bepaalde toepassingen. Als eerste bestemming zijn ‘slow release’ coatings voor zaden en mestkorrels in beeld. “Ik voorzie dat die toepassing op de korte termijn het meest kansrijk is”, zegt Schyns. De bouw van de Kaumera-fabriek kostte zo’n € 14 miljoen. De installatie is ontworpen op een capaciteit van 700 ton ruw Kaumera. Volgens Royal HaskoningDHV kan in principe bij elke Nereda-zuivering een extractie-installatie worden bijgeplaatst.

Papierindustrie

De afvalwaterzuivering is de eerste sector die succesvol is met het oogsten van Kaumera. Businesscases in de industrie zijn nog in wording. Een van de industriële kandidaten om Kaumera uit restwater te winnen is de papierindustrie. Het voordeel is dat het biopolymeer direct ter plekke kan worden ingezet voor de papierproductie, denk aan het waterafstotend maken van papier. Bovendien is voor deze toepassing een laagwaardiger kwaliteit mogelijk toereikend en hoeft het biopolymeer geen opwerkingsstap te ondergaan. Deze optie is nog in een pril onderzoeksstadium. Royal HaskoningDHV deed al eerder samen met het Kenniscentrum Papier en Karton (KCPK) onderzoek naar de mogelijke toepassingen van de uit de Nereda’s geproduceerde Kaumera. Maar er is een evident nadeel: in de papierfabrieken in Nederland staat nog nergens een Nereda-zuivering.