Wist jij dat bijna al het plastic ooit in de wereld gemaakt nog steeds op de één of andere manier bestaat? Het breekt langzaam af tot kleinere deeltjes tot het niet meer te zien is met het blote oog of eindigt als laatste avondmaal van zeedieren. Een belangrijke ontwikkeling in de transitie naar een circulaire economie is de overstap naar bio-based plastics. Eén van de spelers in dit veld is het in 2000 opgerichte Avantium, een spin-off van Shell die afgelopen jaar de beurs op ging. Het vlaggenschip van Avantium is de ontwikkeling van de YXY-technologie, gebruikt voor de productie van de biobased plastic PEF. Sinds 2011 draait er een proeffabriek voor de productie van PEF in Geleen en een tweede proeffabriek op het chemiepark ten oosten van Delfzijl moet in 2018 operationeel zijn.

PET versus PEF

In tegenstelling tot het veel gebruikte PET (polyethyleentereftalaat)  wordt er voor de productie van PEF (polyethyleenfuraandicarboxylaat) geen gebruik gemaakt van fossiele brandstoffen. Daarnaast heeft het materiaal een hogere weerstand tegen hitte, zuurstof, koolzuur en water waardoor er minder materiaal voor hetzelfde product nodig is.

Chemische productie van PET en PEF (de pijlen geven 1 of meerdere chemische processen weer).

De technologie YXY en productie van PEF

De belangrijkste bouwsteen van PEF is furanedicarboxylic acid (FDCA) wat in de laatste stap van het productieproces wordt gepolymeriseerd met ethylene glycol (EG) tot PEF. De YXY technologie omvat de conversie van plant-gebaseerde suiker (glucose) tot FDCA op grote schaal. Als grondstof wordt nu nog HFCS-90 (90% zuivere high-fructose corn sirup, fructose is een bepaald type suiker) afkomstig van maïs gebruikt. De eerste productiestap van de YXY-technologie is de omzetting van fructose naar MMF (methoxymethylfurfural). Voor deze reactie worden fructose, water, methanol en zwavelzuur gemengd en de reactie vindt plaats bij hoge temperatuur (ongeveer 200 °C) en onder hoge druk (50 bar). Tijdens deze reactie vindt er dehydratatie van fructose plaats en wordt in eerste instantie HMF (hydroxymethylfurfural) gevormd. Dit is een zeer instabiele stof die niet goed geïsoleerd kan worden. Om dit probleem te overkomen heeft Avantium het proces geoptimaliseerd door een gedeelte van het water te vervangen door methanol, waardoor MMF wordt gevormd dat veel stabieler is. Via verschillende destillatie stappen worden bijproducten verwijderd en wordt zuiver MMF verkregen. Een van de bijproducten is Levulinezuur/ester (LA), wat als grondstof kan dienen voor vele andere producten. De volgende stap is de oxidatie van MMF naar FDCA, met behulp van lucht. Dit proces is gelijkwaardig aan de oxidatie van p-xylene tot tereftaalzuur in de productie van PET. Ten opzicht van de productie van PET verlopen de reacties voor de productie van PEF bij lagere temperatuur en druk sneller. Dit leidt tot verminderde CO2 uitstoot en energieverbruik.

De ongemakkelijke waarheid

Avantium zet belangrijke stappen richting een gesloten kunststofketen, maar er liggen nog een aantal belangrijke uitdagingen in het verschiet. Allereerst is PEF is niet biologisch afbreekbaar, dus dient net als PET plastic zorgvuldig verzameld, gesorteerd en gerecycled worden, een zeer materiaal en energie intensief proces. Een bijkomende uitdaging is dat huidige sorteerinstallaties omgeschakeld moeten worden om PEF-flessen te kunnen identificeren. Technisch gezien is dit mogelijk, maar financieel ligt dit iets ingewikkelder. In de huidige recyclingindustrie is er sprake van zogenaamde lock-ins: door de riante investeringen voor recycling-faciliteiten worden bepaalde technologieën voor jaren vastgelegd. Daarnaast ligt er nog een tweede uitdaging, namelijk het verbouwen van biomassa en deze cultivatiestap levert op zijn beurt weer negatieve effecten op voor het milieu. Water, fosfor en land zijn schaars, en de vraag is of je ze wilt inzetten voor de productie van plastics of liever om de bevolking te voeden. De biomassa voor de PEF is niet vergelijkbaar met de maïs die in de voedselketen terecht komt: pas als alle olie vetten en eiwitten uit de maïs gehaald zijn, wordt het product voor PEF gebruikt. Een vereiste voor de chemische reactie in de PEF-productie is een gewas met een hoog suikergehalte. Een laatste knelpunt is dat de impact pas in de gebruiksfase moet blijken en afhankelijk is van consumentengedrag. PEF is in vergelijking met PET vrijwel gasdicht; gasdichte verpakkingen zijn veel effectiever om bederf te weren. Of er inderdaad minder weggegooid wordt door betere conservering is nog niet te meten.

De PEF-productie van Avantium laat zien hoe complex circulaire innovatie kan zijn. Hoewel er grote uitdagingen zijn, heeft Avantium met de PEF-techniek een goede stap gezet om de productie en het gebruik van plastics een plaats te geven in de circulaire economie!

Het artikel kan tekst bevatten uit de eerder verschenen publicatie Circulaire Economie: Wat? Waarom? Hoe?

In deze publicatie van SMO promovendi proberen jonge wetenschappers een unieke bijdrage aan het beantwoorden van deze vragen te leveren, door multidisciplinair te denken, nauw samen te werken en vanuit verschillende wetenschapsdisciplines het onderwerp circulaire economie aan te vliegen. Dit stimuleert het denken buiten de kaders en kan daarbij nieuwe inzichten genereren, om zo samen een transitie naar een circulaire economie in te zetten!