Power to protein Archieven - Utilities

Water heeft op zichzelf wellicht een lage waarde, maar als drager van energie en grondstoffen is het onmisbaar voor de industrie. Tijd voor een herwaardering. Want een integrale blik op energie, water en grondstoffen biedt vaak onverwachte kansen en economische en ecologische winst. Tijdens Watervisie 2017 presenteert de waterketen zich als waterdrager: bescheiden als single utility, maar met een grote impact op de utilities-voorziening in zijn geheel.

Energie en water zijn altijd nauw met elkaar verweven. Water is essentieel voor alle fasen van de productie: van energie uit fossiele brandstoffen tot biobrandstoffen en energiecentrales. Energie is op zijn beurt van cruciaal belang voor de watervoorziening, afvalwaterzuivering en ontzilting. Deze kritische samenhang tussen water en energie is in de World Energy Outlook 2016 van het IEA onderzocht. De onderzoekers kijken daarbij naar hoe de complexe onderlinge afhankelijkheden tussen water en energie zich zal verdiepen in de komende decennia.

Een van de conclusies van het rapport is dat bijna alle zwakke punten in het wereldwijde energiesysteem, of ze gerelateerd zijn aan toegang tot energie, energiezekerheid of het antwoord op de klimaatverandering, kunnen worden verergerd door veranderingen in de beschikbaarheid van water. En bijna problemen op het gebied van de wereldwijde watervoorziening kan worden verergerd door verstoringen aan de energiekant.

De WEO-2016 analyse geeft de eerste globale schatting van de hoeveelheid energie die wordt gebruikt voor de levering van water. De onderzoekers schatten dat de hoeveelheid energie die wordt gebruikt in de watersector de komende 25 meer dan verdubbelt, vooral vanwege ontziltingsprojecten. In 2040 zullen deze ontziltingprojecten zijn goed voor twintig procent van de watergerelateerde vraag naar elektriciteit. Grootschalige industriewaterprojecten en de toenemende vraag naar de behandeling van afvalwater  dragen ook bij aan de stijgende energiebehoefte van de watersector.

Het aandeel in het wereldwijde elektriciteitsverbruik van de watersector blijft ongeveer vier procent in 2040. Er zijn echter grote regionale verschillen. In de Verenigde Staten en de Europese Unie is het aandeel van het totale elektriciteitsverbruik van de watersector ongeveer drie procent. In het Midden-Oosten stijgt het aandeel van negen procent in 2015 tot zestien procent in 2040, als gevolg van een toename van ontziltingcapaciteit.

Waterstress

De energiesector wordt ook dorstiger de komende decennia. Het energiegerelateerde waterverbruik stijgt met bijna zestig procent tussen 2014 en 2040. Sommige technologieën, zoals windenergie en zon-PV, vereisen zeer weinig water, maar andere duurzame bronnen, zoals de productie van biobrandstoffen, geconcentreerde zonne-energie,  CO2-afvang en -opslag en kernenergie vragen in de toekomst om meer water. De transitie naar een emissieloze energievoorziening kan waterstress dan ook verergeren. In sommige gevallen kan waterschaarste zelfs duurzame energieproductie in de weg staan.

De beschikbaarheid van water, in het bijzonder voor de opkomende economieën, kan een steeds belangrijker onderwerp geworden. Zo stijgt de vraag naar water in China en India, die beide afhankelijk zijn van kernenergie en kolengestookte centrales. Veel van deze installaties staan in gebieden met waterstress.

Inmiddels is al veel beleid gericht op het beperken van de water- en energievraag en ook technische innovatie draagt bij aan besparing op het gebied van beide utilities. Overheden en private partijen vormen steeds vaker een integrale visie op water en energie en benutten bijvoorbeeld de energie die in afvalwater zit ingebed. Tijdens Watervisie 2017 laten we zien dat een integrale visie op energie en water interessante businesscases kan opleveren.

Waterinnovator of the year

Ook volgend jaar zullen we weer de Waterinnovator of the year kiezen. Inmiddels is er al een aantal aanmeldingen en hebben we ons oog laten vallen op een aantal veelbelovende technologieën of innovatieve partijen. Niet iedereen die hierna wordt genoemd heeft daadwerkelijk toegezegd, maar we raden ze wel aan dit te doen.

Power to protein

Een van die kandidaten is Willy Verstraete, emeritus professor van de Ugent.  Verstraete concentreert zich momenteel met name op de productie van hoogwaardige eiwitten uit restwaterstromen. Het microbiële proces kan, door de voeding en procesparameters te veranderen, ook vetten of andere speciale stoffen maken. Verstraete: ‘Veel waterzuiveringen zijn ingericht op het verwijderen van stikstof door denitrificatie. Daarmee gooi je echter een waardevolle grondstof weg. Onze insteek bestaat erin de stikstof af te zonderen op een nette manier en dan deze op te werken tot microbieel proteïne (ProMic).’ De organismen die Verstraete ontwikkelde weten wel raad met ammoniak en maken onder aerobe omstandigheden celmateriaal dat rijk is aan aminozuren. ‘Die eiwitten kunnen als veevoer worden ingezet, als vervanger van viseiwitten of soja eiwitten’, zegt Verstraete. ‘De prijzen voor die hoogwaardige eiwitten zijn de afgelopen jaren verdubbeld en daarmee hoog genoeg om watervalorisatie aantrekkelijk te maken.’

Alginaat

De tweede mogelijke kandidaat is Royal HaskoningDHV met de productie van alginaat: een hydrofiel polymeer dat normaal gesproken wordt gewonnen uit zeewier. De papier- en kartonindustrie gebruikt alginaat als coating zodat inkt zich goed over het papier verspreidt. Nu wil het toeval dat Nereda slibkorrels, een uitvinding van TU Delft-onderzoekers, alginaat-achtig polysacharide (ALE) produceren, maar de onderzoekers noemen het ook wel Nereda Opgewekt (NEO) alginaat. Paul Roeleveld, directeur business development bij oyal HaskoningDHV, kan inmiddels melden dat de eerste twee test extractie-installaties worden gebouwd. Een installatie komt in Epe, waar het huishoudelijk Nereda slib verwerkt en één komt in Zutphen, waar NEO-alginaat uit industrieel Nereda slib wordt gewonnen.

Vortex

Een andere veelbelovende techniek komt van Pathema. Het bedrijf ontwikkelde het IVG-IL -Industrial Vortex Generator – In Line- systeem. Dit is een chemicaliën vrije oplossing voor het voorkomen van kalk en ijzeraanslag, scaling en biologie in reiniging- of productieprocessen. Het principe is gebaseerd op de verandering van het kalkkristal dat plaatsvindt op het moment dat het kalkhoudende water door een drie dimensionale draaikolk gaat. Deze draaikolk komt tot stand door het gebruik van de gepatenteerde Vortex generator. In combinatie met een UV-C straling-techniek ontstaat een poortwachtersysteem dat kalk- en ijzeraanslag, biologie en opvoerdruk controleert aan het begin van het proces.

 

Heeft u nog een aanmelding voor de Waterinnovator of the Year-verkiezing? Stuur dan een mail naar David@industrieperspectief.nl Of kijk op www.watervisie.com voor meer informatie.

 

De speurtocht naar watervalorisatie is nog niet ten einde. Waar veel partijen reststromen omzetten in biogas of bioplastics, voegt emeritus professor Willy Verstraete daar een hoogwaardigere stof aan toe. De eiwitten die de ProMic-bacteriën van Verstraete produceren gedijen goed op stikstof, zuurstof, waterstof en CO2 en helpen zo een aantal uitdagingen uit de energiewereld het hoofd te bieden.

De speurtocht naar waardevolle grondstoffen in industriële en huishoudelijke reststromen heeft al heel wat waardevolle materialen opgeleverd. Momenteel wordt nog veel organisch materiaal omgezet in biogas, maar inmiddels kijkt de wetenschap naar andere mogelijkheden van watervalorisatie. Zo is struviet een meststof die chemisch uit afvalwater kan worden gewonnen en die commercieel kan worden verhandeld. Maar ook cellulose, vetzuren, metalen, humuszuren, alginaat, zwavel, stikstof, fosfor en kalium kunnen interessant zijn om terug te winnen. Daarnaast kijkt een aantal partijen naar de mogelijkheid om vetzuren om te zetten in bioplastics. Willy Verstraete, emeritus professor van de Ugent, voegt aan dat rijtje een nieuw basisproduct toe: eiwit, al is de aanpak wel wat anders.

Verstraete: ‘Het verschil is dat de meeste technieken in de zuivering van water de stoffen in het water dissiperen; ze laten de stoffen uit het zicht verdwijnen door ze te herleiden tot kleinere elementen. Onze insteek is het opwaarderen van reststromen via micro-organismen met aanmaak van producten waar vraag naar is. Hierbij moet goed worden opgelet dat we waarde creëren die niet meteen concurreert met wat andere processen aanmaken. Doorgaans zijn onder meer de hoeveelheden die de chemische industrie produceert veel groter. Daardoor kun je nauwelijks concurreren; zowel op volume als op prijs. Dat geldt niet voor een aantal producten die bacteriën kunnen maken.’

ProMic

Verstraete concentreert zich momenteel met name op de productie van hoogwaardige eiwitten, onder andere rijk aan vertakte aminozuren. Het microbiële proces kan, door de voeding en procesparameters te veranderen, ook vetten of andere speciale stoffen maken.’

Verstraete begrijpt wel de route die de meeste waterschappen en een aantal industriële bedrijven volgen met betrekking tot de stikstof die in hun waters aanwezig is. ‘Veel waterzuiveringen zijn ingericht op het verwijderen van stikstof door denitrificatie /anammox . Daarmee gooi je echter een waardevolle grondstof weg. Onze insteek bestaat erin de stikstof af te zonderen op een nette manier en dan deze op te werken tot microbieel proteïne (ProMic).’ De organismen die Verstraete ontwikkelde weten wel raad met ammoniak en maken onder aerobe omstandigheden celmateriaal dat rijk is aan aminozuren. ‘Die eiwitten kunnen als veevoer worden ingezet, als vervanger van viseiwitten of soja eiwitten’, zegt Verstraete. ‘De prijzen voor die hoogwaardige eiwitten zijn de afgelopen jaren verdubbeld en daarmee hoog genoeg om watervalorisatie aantrekkelijk te maken.’

Waterstof

Verstraete heeft nog wel een uitdaging bij het uitvoeren van zijn idee: om de ammoniak -afkomstig uit het afvalwater – op te werken tot eiwit hebben de bacteriën energie nodig . Die wordt bij de RWZI aangeleverd in de vorm van waterstofgas en zuurstofgas. Om die laatste te maken wil hij overtollige duurzame energie inzetten. ‘Het is vrij eenvoudig en behoorlijk efficiënt om water te splitsen via elektrolyse’, zegt Verstraete. ‘Zowel waterstof als zuurstof kunnen zo duurzaam worden ingezet waarmee we pieken in de duurzame energieproductie kunnen afvlakken. Daarbij kunnen we ook nog extra CO2 aan de voeding toevoegen, waardoor de eencelligen nog eens extra groeien. Daarmee biedt je een oplossing voor een aantal heikele maatschappelijke kwesties. We recupereren ammoniak uit afvalwater en brengen dit dan samen met waterstof en zuurstofgas . Hierbij kunnen we dan nog extra CO2 toevoegen -onder meer te verkrijgen uit biogas. We zuiveren op een duurzame manier afvalwater, vlakken energiepieken af, zetten CO2 duurzaam in en produceren ook nog eens hoogwaardige voedingsstoffen.’

Proces

Wat betreft de installatie is het verloop eenvoudig . ‘Het proces vindt in één reactorvat plaats. Uiteraard moet de reactor wel worden goed aangestuurd om de eencelligen te laten groeien. De voeding moet worden geregeld zodat de reactor continu de inkomende gassen verwerkt tot Promic. De productie en opslag van waterstofgas en zuurstof zal onder veilige omstandigheden moeten gebeuren, omdat de combinatie van de twee gassen ook wel knalgas wordt genoemd. Desondanks zijn dit geen nieuwe technieken. Het concept van bacteriën snel, efficiënt en veilig te laten groeien met waterstof en zuurstof en koolzuurgas dateert al van een halve eeuw terug . Ook de oogst van de microbiële eiwitten wijkt niet af van bestaande processen: gist wordt al jaren geproduceerd in een reactorvat analoog aan dit van de Promic reactor. Je zult de eiwitten moeten afscheiden , wat vaak neerkomt op centrifugeren of filteren en vervolgens drogen.’

De eisen aan de ingaande voedingsstromen vallen mee . ‘Eigenlijk is iedere mineraalrijke stroom goed genoeg voor de Promic-bacteriën’, zegt Verstraete. ‘Er lopen nu proefopstellingen bij zowel een RWZI als bij een aardappelproducent. Het aandachtspunt zijn de strenge hygiënische eisen rondom de gewonnen voedingsmiddelen. Er is uiteraard ook een psychologische barrière : er mijn mogelijks culturele bezwaren tegen het produceren van veevoeder op basis van stoffen gerecupereerd uit reststromen. De bezwaren uit hygiëne-oogpunt zijn begrijpelijk doch kunnen technisch worden geborgd. Men werkt met recuperatie-stromen zoals ammoniak en koolzuurgas die gezuiverd zijn. Daarna oogst je biomassa die gegroeid is op zuivere inputstromen en die je, voordat ze in de voedingskringloop worden gebracht, netjes pasteuriseert zoals je andere bio-grondstoffen zoals melk pasteuriseert.’

Acceptatie

Of zijn project zal slagen, is volgens Verstraete van vele factoren afhankelijk. ‘De acceptatie van het publiek is een zorg. Eiwitten van eencelligen klinken nu eenmaal minder aantrekkelijk dan eiwitten van vis of sojabonen. Ook zal men moeten werken aan de kleur, geur en smaak van de microbiële eiwitten. Ook dieren hebben hun voorkeuren. De vraag naar eiwit voor feed and food neemt echter door de aangroeiende wereldpopulatie de komende jaren fors toe en daarmee de druk op onze natuurlijke eiwitbronnen. Ik denk dat het nu echt nuttig is dat we de kans om microbieel eiwit aan te maken ,-onder meer op basis van hergebruik-stromen – ten volle grijpen. Evenwel, als de prijzen op de eiwitmarkt ineens inzakken zoals dit onlangs voor de aardolie het geval was, is de businesscase voor Power to Protein niet meer zo sterk.’

Proefproject

Dit concept van Power -omgezet tot waterstof en zuurstof gas- to Protein kan op vele wijzen worden vorm gegeven. Het bijzondere zit dan ook in de groep van Promic bacteriën. Verstraete: ‘Partijen die dit willen doen, moeten wel kennis hebben over deze zeer speciale organismen. De resynthese is van vele procesfactoren afhankelijk zoals temperatuur en verblijftijd. Eerste uitdaging is nu om in de praktijk te testen of de bacteriën op industriële schaal doen wat ze in het laboratorium al bewezen hebben. Ook kijken de partners KWR, Waternet, AEB, AgriNutrition en Avecom of er sluitende businesscases kunnen worden gevonden voor de technologie. Ook bij Wetsus zal dit concept verder worden onderzocht ten aanzien van diverse toepassingen.’