Semesterproftaak Biobased TeCH: Van PLANT naar PLA en dan de P eraf

Transcriptie

1 Semesterproftaak Biobased TeCH: Van PLANT naar PLA en dan de P eraf Colofon Datum Januari 2014 Auteurs Jaarteam II, Jack van Schijndel

2 Inhoudsopgave 1 Inleiding Van afval naar Grondstof 3 2 Casus 4 3 Opdrachten Inleiding Opdrachten Lessencyclus Newman college 8 4 Productcriteria 9 Bijlage 1: Brief Ministerie 10

3 1 Inleiding Van afval naar Grondstof In de bijlage zie je brief van 20 juni 2013 van de staatssecretaris van infrastructuur en milieu met als onderwerp: Van Afval naar Grondstof. Hierin wordt geschetst voor wat voor uitdagingen Nederland en de rest van de wereld staat en vooral wat de mogelijkheden er zijn. Aanleiding voor het programma Het programma Van Afval Naar Grondstof is een uitwerking van het Europese beleid op het vlak van Resource Efficiency. 1 In de 20 e eeuw is de wereldbevolking 34 keer meer materialen, 27 keer meer mineralen, 12 keer meer fossiele brandstoffen en 3,6 keer meer biomassa gaan gebruiken. 2 De belangrijkste redenen van deze stijgende consumptie zijn een stijging van de wereldbevolking en een toenemende welvaart. Verwachting is dat dit doorzet. De bevolking blijft groeien en passeert de 9 miljard omtrent Ondanks de economische crisis is de verwachting dat ook mondiale economische groei de komende decennia hoog blijft (3,6% per jaar) met een verwachte groei van zelfs 6,3% per jaar in opkomende niet-westerse economieën. 4 Een verdrievoudiging van het mondiale materiaalgebruik in 2050 is een reële verwachting. 5 Door de groei van de middenklasse veranderen consumptiepatronen en neemt de vraag naar luxeartikelen en andere voedingsproducten toe. 6 De productie hiervan vraagt extra inzet van natuurlijke hulpbronnen. 7 Voor niet-hernieuwbare materialen, zoals metalen, mineralen of fossiele brandstoffen, krijgen we te maken met toenemende schaarste vraagstukken. Verstedelijking leidt tot inzet van grondstoffen voor de opbouw van stedelijke infrastructuur, toenemende behoefte aan transportstromen en concentratie van vervuiling en afvalstromen. Meer monden leiden tot een grotere voedselvraag en bovendien leidt de verschuiving naar een meer biobased economie tot een groter gebruik van hernieuwbare natuurlijke materialen. Groeiende vraag is in het verleden gepaard gegaan met toenemende druk op het natuurlijk kapitaal en onbalans in ecosystemen met als risico dat deze uiteindelijk suboptimaal presteren of uitgeput raken. De uitdaging is om te groeien door te vergroenen, door met zowel hernieuwbare als niet-hernieuwbare grondstoffen in onze welvaart te voorzien door een optimale omgang met natuurlijke hulpbronnen. Hierbij staat duurzaamheid centraal. We willen immers niet alleen vandaag, maar ook morgen dezelfde of beter voorzieningen hebben. Dit kan door slimmer, efficiënter en zorgvuldiger omgaan met grondstoffen en te streven naar een circulaire economie: Circulaire Economie is een economisch systeem dat de herbruikbaarheid van producten en grondstoffen en het behoud van natuurlijke hulpbronnen als uitgangspunt neemt en waarde-creatie in iedere schakel van het systeem nastreeft. Een Circulaire Economie komt neer op: 1. Optimaal gebruik van grondstoffen 2. Geen afval, geen emissies 3. Duurzaam brongebruik 3

4 In het rapport (zie ook op BlackBoard bij deze proftaak) Kansen voor de circulaire economie in Nederland concludeert onderzoeksbureau TNO dat een meer circulaire economie: 7,3 miljard euro aan economische besparingen en baten kan opleveren in Nederland; Een reductie kton CO2 per jaar kan opleveren (circa 8% van de totale Nederlandse uitstoot); Grondstoffengebruik met circa kton per jaar terugbrengt (een kwart van de totale Nederlandse jaarlijkse invoer); De voetafdruk voor land- en watergebruik van Nederland elders in de wereld reduceert. Deze proftaak wat een semester duurt, richt zich op een voorbeeld van een afval tot grondstof en wel in het bijzonder de productie van PolyMelkZuur (engelse afkorting is PLA) uit plantenafval en ook het behoud van waarde uit de afbraak van de producten die hiervan gemaakt worden. Meer algemene en specifieke achtergrond informatie over deze onderwerpen is terug te vinden in de BlackBoard course Proftaak 2.3 -jaar 2- periode Roadmap to a Resource Efficient Europe, COM (2011) UNEP, Decoupling Natural Rescource Use and Environmental Impacts from Economic Growth, UN Population Fund, Population Trends, n.d., 4 World Bank, Global Economic Prospects 2011, June 2011, 5 UNEP, Decoupling Natural Rescource Use and Environmental Impacts from Economic Growth, Lester R. Brown, The New Geopolitics of Food, Foreign Policy, no. May/June (2011), 7 World Wide Fund, One Planet Business: Creating Value Within Planetary Limits (World Wide Fund, 2007), 2 Casus Je onderzoeksgroep maakt deel uit van de kenniskring van het lectoraat Biobased Products. Kleurstof voor kleding en ingrediënten voor cosmetica en medicijnen halen we uit planten, plastic maken we uit aardappelen Dat is waar het lectoraat Biobased Products zich voor inzet. Dit kan je halen van de website van het lectoraat en in deze semesterproftaak gaan we vooral bezig houden met plastic maken uit aardappelen maar ook met de afbraak van de producten die je hiervan kan maken. Dit laatste is zeker van belang in bijvoorbeeld kortstondige toepassingen zoals in de tuin en kassenbouw. In de eerste helft van het jaar ben je vooral bezig geweest met de problemen die fossiele plastics veroorzaken doordat ze uit olie afkomstig zijn en slecht afbreekbaar zijn. Plastic uit biomassa zouden een deel van de problemen kunnen. Verschillende aspecten van deze biobased toepassing komen in deze semesterproftaak terug en gaan jullie ook doorgeven aan de volgende generatie. 4

5 3 Opdrachten 3.1 Inleiding 1) Onderdeel 1. Van grondstofbewerking tot glucose, conversie naar bouwstenen en fermentatie. Om plantmateriaal om te zetten naar biobased materialen moet het eerst bewerkt worden om het mogelijk te maken de gewenste componenten vrij te maken. Dit kan zowel chemisch als wel enzymatisch. Bij aardappelen is het van belang dat het zetmeel omgezet gaat worden naar glucose. De wel of niet voorbehandelde aardappel (schillen) kan worden gefermenteerd naar melkzuur. Onderdeel 1 bevat voorbewerking grondstoffen (chemisch; enzymatisch), en fermentatie (bacteriën, gisten, schimmels) naar bouwstenen als te behandelen onderwerpen. 2) Onderdeel 2. Van glucose tot melkzuur, zuivering van gewenste bouwstenen. Het aspect ligt hier op het zuiveren van de bouwstenen zoals b.v. melkzuur. Methode die gebruikt kunnen worden zijn o.a. dialyse, precipitatie, chromatografie. 3) Onderdeel 3. Synthese biopolymeer. Hierbij wordt bestudeerd of de bouwstenen direct gebruikt kunnen worden of dat de bouwstenen aangepast moeten worden. Hierbij spelen chemische en enzymatische reacties een rol. Verder is het van belang dat men ervaart wat de invloed van de verschillende bouwstenen heeft op het te vormen biopolymeer. In het geval van melkzuur kan men werken aan lineaire en ringvormige bouwstenen die beide een andere type biopolymeer geven. Ook speelt hierbij een rol dat van melkzuur 2 stereo-isomeren zijn wat ook invloed heeft op het uiteindelijke biopolymeer. 4) Onderdeel 4. Karakterisering van de biopolymeren. Zoals aangegeven in onderdeel 3 kunnen verschillende bouwstenen leiden tot verschillende biopolymeren met verschillende eigenschappen. In dit onderdeel maakt de student kennis met welke technieken men kan gebruiken om biopolymeren te karakteriseren. Denk hierbij aan de grootte van de moleculen, smeltpunt, kristalliniteit etc. Hier vindt ook een terugkoppeling plaats wat het effect van de verschillende synthese routes en uitgangsbouwstenen heeft op de synthese van biopolymeren (onderdeel 2 en 3). 5

6 5) Onderdeel 5. Toepassing van de biopolymeren in biobased materialen. Biopolymeren worden omgezet naar biobased producten. In dit onderdeel wordt bekeken welke technieken men voor handen heeft om producten te maken (b.v. spuitgieten, films blazen, 3D printing en composieten maken). 6) Onderdeel 6: Afbraak van de producten van PLA in de monomeren en herwinning hiervan. Hierna kunnen de monomeren weer bij onderdeel 2 in de cyclus worden ingebracht. Ook wordt er een practicum/rondleiding ontwikkeld bij bijvoorbeeld Wageningen UR Food & Biobased Research, Corbion of Synbra om het proces van de hele keten (of een deel van de keten) van grondstof naar biobased materiaal in de praktijk te laten zien. Dit is afgestemd op de zes onderdelen hierboven beschreven en laat de vertaalslag zien van laboratorium naar praktijk. 3.2 Opdrachten Werkgroepleiders: Jack van Schijndel, Nathalie Marquez en Arnold Nijhuis Major: Biobased TeCh Je werkt aan minimaal 4 van de 6 onderdelen die hiervoor benoemd zijn. Daarvoor wordt je ingedeeld maar heb je ook zelf nog een stem in het intake-gesprek. Dit betekent vooral dat je de gegevens en ervaringen van diegene die samen met jou met het onderdeel zijn bezig geweest, goed in kaart moet brengen. De tijd die in de onderdelen wordt gestopt is variabel maar wordt in onderling overleg steeds goed verdeelt. Daarnaast hou je de gevonden gegevens en ervaringen niet binnen de onderzoeksgroep maar ga je bij een middelbare school ook in de vorm van lespakketten informatie over dit onderwerp overdragen. Globale indeling weken: Week 1: intakegesprek en definitieve verdeling onderdelen Week 2 7: opstellen projectplan over onderzoek 4 onderdelen en lessencyclus middelbare school Week 8: persoonlijke tussentijdse evaluatie Week 8 14: uitvoering praktijkdagen (minimaal 10 dagdelen) Week 15 20: uitwerken producten voor opdrachtgever en afronding en rapportage 6

7 Productcriteria van de deelopdrachten zijn terug te vinden in de bijlagen Toelichting bij de opdrachten: Onderdeel 1. Van grondstofbewerking tot glucose Aardappelen zijn voedsel en misschien helemaal niet geschikt voor het omzetten naar plastic. Toch wordt er in nu van deze semesterproftaak hiervoor gekozen omdat het relatief een bekende grondstof is, goedkoop, qua bioraffinage een gemakkelijke bron. De essentie is om aardappelen om te zetten naar glucose en dat te monitoren in hoeverre dat lukt Laboratorium: Biomedisch lab/ en in BILK Onderdeel 2. Van glucose tot melkzuur Uit glucose uit de pot of uit onderdeel 1 moet melkzuur gemaakt worden maar liever nog lactide. Accent kan ook liggen om uit melkzuur lactide te vormen en dat te isoleren. Laboratorium: Biomedisch lab/61.052/ en in BILK Onderdeel 3. Synthese biopolymeer Met lactide uit de pot of onderdeel 2 moet je in dit onderdeel een zolang mogelijk polymeer maken van PLA. In periode 1 heb je gezien dat het nog niet zo gemakkelijk is om veel eenheden aan elkaar te koppelen. Het streefgetal is 100 eenheden aan elkaar Laboratorium: en in BILK Onderdeel 4. Karakterisering van de biopolymeren Van het polymeer van onderdeel 3 maar eventueel beschikbaar als filament en uit zak (Synbra, Natureworks) moet het polymeer gekarakteriseerd worden. Laboratorium: / en in BILK Onderdeel 5. Toepassing van de biopolymeren in biobased materialen Met 3d printer en mini extruder en spuitgietmachine wordt het PLA in producten omgezet die een toepassing hebben voor bv boomkwekerij en kassenbedrijf etc. Voor het schooljaar liggen er allereerst opdrachten vanuit boomkwekerij uit Roosendaal. Laboratorium: / en in BILK Onderdeel 6. Afbraak van de producten van PLA in de monomeren en herwinning hiervan Is het monomeer melkzuur weer te herwinnen uit het product van 5 en vooral hoe is het weer aan te tonen zodat totaal cyclus-rendement te bepalen is? Laboratorium: / en in BILK 7

8 3.3 Lessencyclus Newman college Dit jaar gaan jullie naast de uitvoering van jullie eigen gekozen opdrachten ook lessen verzorgen over jullie onderzoek op een middelbare school namelijk het Newman college in Breda. De groep waaraan de lessen worden gegeven zijn 4 VWO groepen die het onderdeel polymeren nog niet gehad hebben. De achterliggende gedachte van deze lessencyclus is dat je het meeste leert door het anderen uit te leggen. Zorg ook voor een afwisseling van theorie en praktijk en natuurlijk ook voor activerende opdrachten. De lessen zijn gepland op maandag 10 maart, maandag 17 maart en maandag 24 maart 2014 van 8.30 tot uur. Op vrijdag 28 maart is er nog een mogelijkheid dat een groep leerlingen van het Newman college onze locatie bezoekt voor een excursie en jullie ze kunnen laten kennismaken met de praktijk zoals jullie die toepassen of gaan toepassen in jullie project. Zoals jullie in de Aanvulling op de Algemene Proftaakhandleiding kunnen lezen telt deze lessencyclus voor 25% mee voor het cijfer van periode 3. Naast het verzorgen van de lessencyclus (en afronding daarvan) moet er ook een product gemaakt worden over deze lessencyclus in de vorm van een BB-productkantoor. Dit telt voor periode 4 dan weer voor 25% mee. Meer informatie wordt gedurende de eerste weken verstrekt in de groepsbijeenkomsten. 8

9 4 Productcriteria Productcriteria voor de deelopdrachten Onderdeel 1. Van grondstofbewerking tot glucose 1. Onderzoek naar de enzymatische omzetting van amylose en amylopectine naar glucose 2. Onderzoek naar de omstandigheden waarbij de enzymatische omzetting optimaal is wat betreft temperatuur, ph, ionsterkte etc. 3. Het aantonen van glucose (kwalitatief en kwantitatief) 4. Een onderzoek naar de omvang van deze bron (aardappelschillen) in Nederland in de afgelopen jaren Onderdeel 2. Van glucose tot melkzuur 1. Onderzoek naar de mogelijke zuiveringsmethoden om glucose en melkzuur van elkaar te scheiden en te zuiveren. 2. Onderzoek naar de enzymatisch omzetting van glucose naar melkzuur 3. Het isomeriseren van R-melkzuur of S-melkzuur naar racemisch mengsel. 4. Het aantonen van melkzuur (kwalitatief en kwantitatief) Onderdeel 3. Synthese biopolymeer 1. Het polymeriseren van PLA rechtstreeks uit melkzuur (keuze R of S) 2. Het maken van lactide uit melkzuur 3. Het polymeriseren van PLA uit lactide Onderdeel 4. Karakterisering van de biopolymeren 1. Het bepalen van de ketenlengte van PLA dmv GPC 2. Het bepalen van thermische eigenschappen dmv DSC 3. Het maken van testmateriaal met minispuitgietmachine, mini-extruder etc 4. Onderzoek naar de materiaaleigenschappen door treksterkte, etc Onderdeel 5. Toepassing van de biopolymeren in biobased materialen 1. Onderzoek naar mogelijke toepassingen in tuinbouw, boomkwekerijen etc. 2. Onderzoek naar eisen en voorwaarden toepassing 3. Onderzoek naar huidige gebruik en mogelijke alternatieven 4. Het maken van een product voor toepassing in de tuinbouw, boomkwekerijen. Onderdeel 6. Afbraak van de producten van PLA in de monomeren en herwinning hiervan 1. Onderzoek naar mogelijke afbraakmechanismen PLA 2. Onderzoek naar omstandigheden afbraak in tuinbouw, boomkwekerijen etc 3. Onderzoek naar hoeveelheid monomeer (afbraakeenheden) na afbraak = mate van afbraak 4. Het aantonen van melkzuur/afbraakeenheden (kwalitatief en kwantitatief) 9

10 Bijlage 1: Brief Ministerie 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 16