Bacterie maakt bioplastic uit Mars-resten

Biotechnologen in Delft hebben een bacterie gevonden die zich volpropt met vetzuren // Die blijken een prima grondstof voor bioplastic // Uit 3 gram afval uit afvalwater van de Mars-fabriek komt 1 gram plastic

Met zijn resten Twix, Bounty en Snickers is het afvalwater van de Marsfabriek in Veghel een waar eldorado voor bacteriën. Er leven duizenden soorten in het wat zurig ruikende water. De ene soort houdt van suiker, de andere van kokos, de volgende van cacao of melkvet.

Mars loost zijn afvalwater nog steeds op het riool, maar heeft sinds ruim een jaar een proefinstallatie draaien die een fractie van het water zuivert. Die is zo ingericht dat een bepaalde bacteriesoort bij al dat snoepafval goed gedijt: Plasticicumulans acidivorans. Het is een bacterie die lange vetzuurketens (polyhydroxyalkanoaten, PHA’s) opslaat zoals wij vet opslaan: om een reserve te hebben in magere tijden. Als deze bacteriën zich hebben volgegeten zuivert Mars ze, samen met milieubiotechnologen van de TU Delft, uit het water en haalt de PHA’s eruit. Daarmee hebben ze een geconcentreerde bouwsteen om bioplastic te maken, bijvoorbeeld in de vorm van korreltjes.

Afgelopen maanden oogstte promovendus Jelmer Tamis zo meer bioplastic dan ooit ergens uit een afvalwaterreactor is gehaald: 1 gram plastic per 3 gram afval. Omgerekend ongeveer 30 kilo per maand. De onderzoeker laat een trechtervormige kom zien. Bovenin helder water, beneden een witte, korrelige massa. De korrels bestaan uit miljarden exemplaren van P. acidivorans die door al dat opgehoopte PHA negen keer dikker zijn dan hun ‘voorouders’ in het open afvalwater. „Deze fabriek zou jaarlijks 1.000 ton bioplastic kunnen winnen”, zegt Tamis.

Milieucoördinator Hein Mous van Mars is verrast door de behaalde opbrengst. Toch stopt de proef met deze installatie in Veghel volgende maand. „We willen eerst beter weten wat we met de verkregen PHA’s kunnen doen”, zegt Mous.

Verloren materiaal

Nu zuiveren installaties het water nog met allerlei bacteriën, waarna ze de resten ervan meestal verbranden. Maar zo gaat waardevol materiaal verloren, waaronder dit ‘vet’ van bacteriën. Zonde, want PHA is een steeds interessantere grondstof aan het worden. Het Amerikaanse bedrijf Metabolix en het Chinese Tianjin Green Biomaterials hebben allebei een eerste fabriek gebouwd voor de productie van PHA, maar dan niet met P. acidivorans. Het zijn in dit geval genetisch gemanipuleerde E. coli-bacteriën die PHA opslaan. De twee bedrijven vermarkten hun PHA-korreltjes over de hele wereld, voor in composteerbare zakken, bloempotten, pennen en bestek. De proefinstallatie, die gebouwd is door het Friese waterzuiveringsbedrijf Paques, is het resultaat van vijftien jaar Delfts laboratoriumonderzoek.

Rond 2000 begon onderzoeksleider Robbert Kleerebezem samen met collega Mark van Loosdrecht het plastic maken uit afvalwater te verbeteren. Allereerst moesten ze uit afvalwater bacteriën selecteren die goed PHA opslaan. Een belangrijke stap hierin bleek een uitgekiend voedingsregime. Kleerebezem: „We verwennen de bacteriën eerst een paar uur met heel veel afval, en hongeren ze dan uit.” Na elke hongerperiode – een keer per 12 uur – halen de onderzoekers de helft van het afvalwater met zijn bacteriën weg. Door dit elke dag te herhalen, zijn na dertig tot zestig generaties de bacteriën die in de verwentijd het beste PHA kunnen opslaan overgebleven. Alleen zij overleven de vastentijd.

In een eerste reactor van de proefinstallatie wordt, zonder zuurstof, het afvalwater gefermenteerd in vetzuren als boterzuur en azijnzuur – dat zijn hapklare brokken voor P. acidivorans. Dat water gaat naar de tweede reactor, waarin zuurstof wordt geblazen. Daar ondergaan de bacteriën 1 tot 2 maanden het verwen-hongerregime, zodat alleen de meest capabele exemplaren overblijven. In de derde reactor, ook met zuurstof, mogen de geselecteerde exemplaren zich dan vijf uur aan gefermenteerd afvalwater vol eten, tot ze bijna uit elkaar klappen van de PHA. Op dat moment wordt de biomassa afgetapt.

Aantal honger-uren

Jelmer Tamis zegt dat de gedroogde biomassa voor 70 procent uit PHA bestaat. Hij verwacht de opbrengst nog wel te kunnen verhogen door het afvalwater minder zuur te maken. Een computermodel, dat is gemaakt op basis van laboratoriumproeven, helpt hem hierbij. Het model voorspelt hoe procesfactoren als vetzuursamenstelling en het aantal uur hongeren van invloed zijn op de plasticproductie.

PHA wordt uit de droge biomassa gehaald met een organisch oplosmiddel. De universiteiten van Eindhoven en Wageningen bekijken wat haalbare toepassingen zijn.

Voor bijvoorbeeld snoepzakken is flexibel PHA nodig, terwijl bijvoorbeeld kratten juist een harde en stevige grondstof vragen. Verwerking in bermpaaltjes is ook een optie. Dat is relatief eenvoudig, maar het levert minder geld op dan bijvoorbeeld implantaten die in het lichaam oplossen.

De Delftse onderzoekers hebben inmiddels ook een computermodel om te voorspellen hoe omgevingsfactoren als zuurgraad en aantal uur eten bepalend zijn voor de trekkracht en flexibiliteit van PHA.

In mei rijden de Delftse onderzoekers de proefinstallatie naar een kartonfabriek in Groningen. Die fabriek produceert vezelrijk afvalwater met veel vetzuren erin. P. acidivorans zou die kunnen gaan omzetten in een waterafstotend laagje voor dozen, schetst Kleerebezem. „Als een fabrikant zijn eigen afvalwater opnieuw weet te gebruiken”, zegt hij, „heeft hij toch een mooi verhaal?”

    • Marianne Heselmans