Wafilin Archieven - Utilities

Bioraffinage is een redelijk nieuwe industrietak die de producten op moleculair niveau ontleedt. Biologische producten als aardappels, suikerbieten en algen zijn daarmee zowel voedingsmiddel als grondstof voor chemicaliën. Inmiddels kunnen selectieve membranen stoffen op moleculair niveau van elkaar scheiden. Daarmee ontstaat een alternatieve route voor functionele voeding én chemische grondstoffen.

Stel dat de procesindustrie nog niet bestond en bedrijven zouden nu hun sites moeten inrichten. Zouden ze dan nog steeds dezelfde keuzes maken als pakweg vijftig à zestig jaar geleden? Waarschijnlijk niet. De wereld is sinds die tijd namelijk behoorlijk veranderd. Want waar in de jaren zestig en zeventig energie en grondstoffen nog in overvloed waren, ondervinden we nu de gevolgen van dat energieverbruik. De toenemende wereldpopulatie zet bovendien extra druk op de beschikbaarheid van grondstoffen.

Als gevolg van die druk verschuift de focus van de voedingsmiddelenmarkt langzaam naar bioraffinage, met als achterliggend idee dat niets van de waarde van biologische grondstoffen verloren mag gaan. Wat mens en dier niet kunnen of willen consumeren, kan wellicht in andere vorm nog wel waardevol zijn. Het is de kunst om die stoffen zo te scheiden dat ze los van elkaar kunnen worden ingezet waar ze de meeste waarde hebben. Dat kan met membraantechnologie.

Grote kans dan ook dat membraantechnologie in de nieuwe keuzes een prominentere plek zou krijgen. De meeste processen zijn nu eenmaal scheidingsprocessen, vaak gedreven vanuit het verschil in kookpunt tussen verschillende fracties. Ook de voedingsmiddelenindustrie scheidt heel wat af in haar processen, bijvoorbeeld water uit grondstoffen als aardappels en melk.

Aardappeleiwit

Wafilin en Avebe zijn in februari van dit jaar verkozen tot Water Innovator of the Year met het Ducam-project. Avebe verwerkt namelijk al jarenlang aardappels tot zetmeel voor diverse toepassingen. Het na verwerking overgebleven vruchtwater bevat echter nog waardevolle eiwitten. Al eerder vond Avebe een waardevolle toepassing voor de eiwitten. Wie namelijk allergisch is voor kippeneiwit, kan de aardappeleiwitten wel verdragen. Ook voor veganisten biedt het aardappeleiwit dat Avebe onder de naam Solanic verkoopt een diervriendelijk alternatief. Voordat Wafilin ten tonele verscheen, won men de eiwitten uit het water door het te verhitten. Door de hitte vlokken de eiwitten uit en kan men ze afscheiden van het water. Het resterende water dampte men in om ook nog zouten terug te kunnen winnen. Dat verhitten en indampen kostte niet alleen veel energie, maar verspilde ook kostbaar water, dat als damp verdween.

Gezamenlijk besloten de partijen het aardappelvruchtwater eerst door een ultrafiltratie-unit te persen, zodat minder water hoefde te worden verwarmd voor het uitvlokken. De rest van het water ging nog door een reverse osmose-installatie, die de zouten van het water scheidden. Aan het einde heeft Avebe dus zowel eiwitten als zouten en schoon water. Dat water kan het bedrijf weer inzetten in zijn eigen productieprocessen.

membranen

De membraankeuze wordt veelal bepaald in pilots. Hier afgebeeld het Spiral Wound UF membraan.

Melkpoeder

Hoe eenvoudig de ingreep ook lijkt, eenvoudig was het niet. Het kostte Wafilin en Avebe de nodige jaren voordat ze de obstakels van de processen geslecht hadden. De zwevende deeltjes in het vruchtwater verstopten namelijk de membranen, waardoor deze steeds minder goed werkten. De enige oplossing is dan terugspoelen of chemisch reinigen van de membranen. Iets wat uiteraard weer negatief kan uitpakken voor de businesscase. Inmiddels hebben de innovators de juiste parameters gevonden en blijven ze nog steeds procesverbeteringen doorvoeren. De opgedane kennis maakt echter ook de weg vrij voor andere toepassingen. En dat is precies waar Jos van Dalfsen, R&D manager bij Wafilin, mee bezig is.

‘In de voedingsmiddelenindustrie is membraantechnologie niet nieuw’, zegt Van Dalfsen. ‘De melkindustrie gebruikt al jaren technieken als microfiltratie, ultrafiltratie, nanofiltratie en omgekeerde osmose om selectief eiwitten of lactose te kunnen scheiden uit melk. Daarmee is bijvoorbeeld het productieproces van de kaasverwerkers enorm geoptimaliseerd. Zo was wei, ofwel melkeiwit dat overblijft na de kaasproductie, een redelijk waardeloos restproduct. Nu wordt het eiwit uit deze reststroom grootschalig verwerkt in babyvoeding en voedingssupplementen. De meeste poeders worden nog steeds via sproeidrogen geproduceerd. Maar daarvóór haalt men er eerst zoveel mogelijk water uit met membranen.’

Eiwittransitie

Inmiddels ziet ook de suikerindustrie mogelijkheden voor verduurzaming van haar processen en verwaarding van haar reststromen. De groene bladeren van suikerbieten bevatten namelijk ook waardevolle plantaardige eiwitten. Royal Cosun investeerde al in een proeffabriek waar het zijn extractieproces op grotere schaal test. Net als de eiwitten van Avebe kan dit eiwit worden gebruikt in vleesvervangers, maar ook in schuimgebak, dranken, sauzen en desserts.

Van Dalfsen: ‘We zien aan de ene kant dat bedrijven hun reststromen willen verwaarden, maar aan de andere kant zijn er geheel nieuwe bedrijven die alternatieven aanbieden voor dierlijk vlees of fossiele brandstoffen. De kweek van insectenlarven is bijvoorbeeld een opkomend duurzaam alternatief voor diervoeding. Net als de meeste organismen bestaan deze larven grotendeels uit water. Wil je aan het einde een droge stof overhouden, dan moet je dat water afscheiden.’

Hetzelfde geldt voor de algenkweek voor consumptie, cosmetica of als chemische grondstof. ‘Als je het water op efficiënte en energiezuinige wijze kunt scheiden van de eiwitten en vetten, versterkt dat de businesscase voor dit soort alternatieve grondstoffen. We krijgen ook vragen van partijen die vetzuren, suikers of pectine uit groente- en fruitafval willen winnen. De pectines fungeren dan als grondstof voor 2,5-furaandicarbonzuur, waar bio-plastics van kunnen worden gemaakt. Door selectieve membranen te ontwikkelen, kan je de juiste stoffen afscheiden‘, legt Van Dalfsen uit.

‘Onze taak is om ervoor te zorgen dat deze processen niet alleen in een geconditioneerde omgeving werken, maar ook onder de wisselende samenstellingen die nu eenmaal gepaard gaan met biologische grondstoffen. Veel membranen zijn van het schap te koop, maar laten per toepassing wel verschillende eigenschappen zien. In die gevallen maakt de configuratie en procesbesturing het verschil. Er zijn namelijk heel wat parameters die het succes bepalen van een filtratie-installatie. Je kunt spelen met de druk, de flow en diverse voorbehandelingen toevoegen. Die proceskennis hebben we in dertig jaar opgebouwd en we leren nog steeds dagelijks bij.’

membranen

Keramische microfiltratie: Er zijn heel wat parameters die het succes bepalen van een filtratie-installatie.

Onderzoek

Hoe selectiever een membraan dus stoffen van elkaar kan scheiden, hoe waardevoller de producten die na de scheiding overblijven. Hoogleraar membraantechnologie Kitty Nijmeijer van de TU Eindhoven buigt zich met haar onderzoeksgroep over de eigenschappen van polymere membranen. ‘Je kunt moleculen op meerdere niveaus van elkaar scheiden’, zegt Nijmeijer. ‘Zo kun je met de poriegrootte bepalen welke moleculen worden doorgelaten en welke tegengehouden. Maar datzelfde kun je ook doen met ladingverschillen, ofwel positief en negatief geladen stoffen. En het is bijvoorbeeld ook mogelijk om de verschillen in hydrofobe en hydrofiele eigenschappen te benutten voor selectieve scheiding.’

Om die eigenschappen zo goed mogelijk te benutten, is nog wel veel fundamenteel en toegepast onderzoek nodig. ‘We hebben inmiddels stappen gezet met zogenaamde zelforganiserende materialen. In de huidige membranen zijn de poriën vaak niet even groot en ook niet gelijkmatig verdeeld over het oppervlak. Het is mogelijk zogenaamde isoporeuze materialen te maken waarvan alle poriën dezelfde diameter hebben. Dat vergroot de flux, maar ook de selectiviteit van de membranen. Op die manier hou je aan het einde zuiverdere stoffen over met een hogere marktwaarde.’

Mest

Nijmeijer ziet een grote rol voor membranen weggelegd in de circulaire economie. ‘Neem bijvoorbeeld de melkveehouderij. Een koe produceert zowel melk als mest. Bij de melkproductie ontstaan veel reststromen. De melk wordt verkocht, maar als je de eiwitten, vitamines en aminozuren uit die reststromen selectief kunt scheiden, neemt de waarde enorm toe. De eiwitten en vitaminen kunnen we verwerken in functionele voedingsmiddelen terwijl de aminozuren de basis kunnen vormen voor plastics. Het is overigens niet eenvoudig om dat te doen, maar er is wel steeds meer mogelijk op dit vlak.’

De mest van koeien en met name van varkens kan deels worden gebruikt voor lokale bemesting, maar is nu nog grotendeels een weinig bruikbare afvalstof. ‘Maar met een combinatie van membranen en andere scheidingstechnologie kun je de ammoniak-, kalium- en fosfaatfracties selectief scheiden. Die stoffen zijn weer bruikbaar voor duurzame en precisielandbouw. Tegelijkertijd houd je na afloop van je scheidingsprocessen ook nog schoon water over, dat ook weer kan worden gebruikt voor bijvoorbeeld irrigatie.’