Onderzoekers van Wetsus, het Europees centrum voor duurzame watertechnologie, en Wageningen University & Research is het gelukt om bacteriën biopolymeren te laten produceren die – op ‘semi-pilotschaal’ – geschikte flocculanten (vlokmiddelen) lijken te zijn voor toepassing in bijvoorbeeld afvalwaterzuivering. Deze flocculanten kunnen op hun beurt ook gemaakt worden ván afvalwater, en hoeven voor gebruik mogelijk niet eens per se uit het reactiemengsel te worden geïsoleerd. De bevindingen van het onderzoeksteam, geleid door hoogleraar biologische kringlooptechnologie Cees Buisman, werden vorige week gepubliceerd in wetenschappelijk vakblad Trends in Biotechnology.
Om onopgeloste deeltjes uit afvalwater te verwijderen en zuiveringsslib te ontwateren wordt in Nederland op grote schaal gebruikgemaakt van flocculanten: wateroplosbare polyelectrolyten die zwevende deeltjes doen samenklonteren tot vlokken die je van de waterfase kan scheiden.
Aan veel synthetische flocculanten kleven echter milieuhygiënische nadelen, zoals een petrochemische herkomst of toxische afbraakproducten. Zo kan polyacrylamide, een flocculant van petrochemische oorsprong waar onder andere de waterschappen grootverbruiker van zijn, via verschillende fysisch-chemische en biologische routes afbreken tot acrylamide, een mutagene, kankerverwekkende en zogeheten Zeer Zorgwekkende Stof.
Het heeft in recente jaren geleid tot zorgen over de effecten van polyacrylamide en andere synthetische flocculanten voor het (water)milieu verderop in de keten, bijvoorbeeld door herbestemming van de slib- en filterkoek die na flocculatieprocessen resteert en waar (afbraakproducten van) flocculanten in voorkomen. Onder andere de waterschappen zoeken dan ook naar milieuvriendelijker oplossingen.
Polysachariden en eiwitten
Een potentiële oplossing zien Buisman en collega’s in de productie van biologisch afbreekbare en niet-toxische biopolymeren door bacteriën, die onder de juiste reactiecondities een aangeboden koolstofbron kunnen omzetten in polyelectrolyten. Op deze manier zijn de wetenschappers er in het nu gepubliceerde onderzoek in geslaagd om effectief flocculerende polyelectrolyten te maken uit drie verschillende voedingsbronnen: hydrolysaat van aardappelzetmeel, glycerol, en glycerolrijk industrieel afvalwater afkomstig van de productie van biodiesel.
In het productieproces is gevarieerd met reactiecondities die aansturen op eigenschappen die een polyelektrolyt tot een goede flocculant kunnen maken. Met name het molecuulgewicht en de ladingsdichtheid zijn in sterke mate bepalend voor hoe goed een polyelectrolyt is in het aantrekken en bij elkaar brengen van deeltjes tot grotere vlokken. Op deze eigenschappen is aangestuurd door procescondities zoals de verhouding tussen het chemisch zuurstofverbruik en het stikstofgehalte (CZV/N-ratio), de zuurgraad of het zuurstofgehalte in de gebruikte bioreactoren te finetunen.
Het leidde tot bio-polyelectrolyten bestaande uit voornamelijk polysachariden en eiwitten, die in flocculatietesten vergelijkbare vlokvorming gaven als polyacrylamide. Hiertoe hoefde het geproduceerde polyelectrolyt niet eens per se uit het reactiemengsel te worden geëxtraheerd: ook het onbewerkte, ruwe reactiemengsel bleek direct te kunnen worden ingezet als flocculant.
Technology readiness
Op de ladder van technology readiness levels (TRL), een schaal van 1 tot 9, verkeert de technologie momenteel in TRL 4 tot 5. Om dit naar trede 6 à 7 te brengen zijn onder andere pilotschaal demonstratieproeven nodig en moet onderzocht worden hoe de microbiële polymeren onder relevante praktijkcondities presteren.
Daarnaast moet uitgezocht worden of de polymeren uit een breder aanbod van grondstoffen gemaakt zouden kunnen worden en hoe dit op een kosteneffectieve manier zou kunnen, zodanig dat het proces kan concurreren met synthetische polymeren. Andere aspecten die de onderzoekers daartoe van belang achten zijn een einde-afvalstatus voor biopolymeren die uit afval(water)stromen geproduceerd zijn en het creëren van regelgeving die een transitie van goedkope, synthetische flocculanten naar milieuvriendelijker, biobased flocculanten stimuleert.
