Inventarisatie alternatieve oestersubstraten. Ir. F.H.J. Kappen

Inventarisatie alternatieve oestersubstraten

Ir. F.H.J. Kappen

Rapport Februari 2011

Colofon

Titel Auteur(s) Nummer ISBN-nummer Publicatiedatum Vertrouwelijk OPD-code Goedgekeurd door

Inventarisatie alternatieve oestersubstraten Ir. F.H.J. Kappen Rapport Februari 2011 Februari 2011 Ja OPD 10/044

Wageningen UR Food & Biobased Research P.O. Box 17 NL-6700 AA Wageningen Tel: +31 (0)317 480 084 E-mail: [email protected] Internet: www.wur.nl © Wageningen UR Food & Biobased Research, instituut binnen de rechtspersoon Stichting Dienst Landbouwkundig Onderzoek Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, hetzij mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. De uitgever aanvaardt geen aansprakelijkheid voor eventuele fouten of onvolkomenheden. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system of any nature, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior permission of the publisher. The publisher does not accept any liability for inaccuracies in this report.

2

© Wageningen UR Food & Biobased Research, instituut binnen de rechtspersoon Stichting Dienst Landbouwkundig Onderzoek

Abstract Deze deskstudie is een onderdeel van het project “Samen verduurzamen voor een vitale oestersector”. De Nederlandse Oestervereniging is samen met Wageningen IMARES en LEI Wageningen UR op zoek naar “Innovatieve kweekmethoden: Vernieuwing substraat voor collectie broed”. Het onderdeel Food and Biobased Research van Wageningen UR is in het kader van dit project gevraagd een studie te doen naar alternatieve substraten voor de oesterteelt. Dit project beoogt het probleem van het tekort aan mosselschelpen voor de oesterkwekers op te lossen door de mogelijkheden van alternatieve oestersubstraten in kaart te brengen. Hierdoor ontstaan de volgende voordelen: verminderde afhankelijkheid van het aanbod van mosselschelpen, vermindering van kosten en verbetering van broedval. Er kunnen verschillende mogelijkheden zijn voor substraten, waarbij substraten welke biologisch afbreekbaar zijn uitkomst lijken te bieden. Substraten die zoveel mogelijk voldoen aan de eisen die gesteld worden aan "natuurlijke" substraten genieten de voorkeur, mede om de sterkste broedjes te laten overleven. In het ideale geval is het substraat een materiaal wat na een jaar nog sterk en grotendeels intact is. Vervolgens moet het binnen 2 jaar afbreken en moet er niets meer op de oesterschelp te zien zijn. Van de op dit moment beschikbare bioplastics is bekeken welke geschikt zouden kunnen zijn voor het gebruik als oestersubstraat. Een belangrijk probleem is de „plastic soep‟, een grote hoeveelheid gedefragmenteerd plastic wat in zeeën en oceanen ronddrijft. Om dit te voorkomen is complete afbreekbaarheid in brak of zout water een vereiste. Hier is echter weinig specifieke informatie over te vinden. In het algemeen wordt een materiaal afbreekbaar genoemd als het in een bepaalde omgeving (grond, compost of bv zout water) binnen 6 maand afbreekt tot biomassa, natuurlijke gassen (bv CO2), water en/of anorganische componenten. Materialen worden dus niet afbreekbaar genoemd als ze in 2 jaar tot deze componenten afbreken. Zetmeel bijvoorbeeld is prima biologisch afbreekbaar in grond of compost (<6 mnd), maar de afbreekbaarheid in zout water blijft achter (>6 mnd). Polymelkzuur (PLA) breekt af in compost, maar ook hier is de snelheid in zout water onbekend. Sommige polyesters gemaakt door bacterien zijn snel afbreekbaar in zout water (<6 mnd, Mirel van Telles). De afbreeksnelheid kan in veel gevallen gevarieerd worden door dikker of dunner materiaal te gebruiken of additieven toe te voegen. Ook kunnen mengsels van materialen gebruikt worden. Bijna alle bio-plastics zijn via verschillende industriele productiemethoden tot een product te vormen (extrusie, spuitgieten, etc.). Hier zal in eerste instantie niet de limitering voor het gebruik als oestersubstraat liggen. Prijzen van bioplastics liggen tussen 1 en 10 euro/kg, wanneer een goedkope (en mogelijk functionele) filler (bv kalk) gebruikt wordt, kan de prijs/kg van een product gemakkelijk meer dan gehalveerd worden.


3

Inhoudsopgave Abstract

3

1 Inleiding 1.1 Aanleiding 1.2 Wensen en eisen

5 5 5

2 Inleiding bioplastics 2.1 Bioplastics 2.2 Hernieuwbare polymeren 2.3 Biodegradeerbaarheid/composteerbaarheid 2.4 Biodegradeerbaarheid in zeeën en oceanen 2.5 Marktomvang en toepassingen

7 7 7 8 9 9

3 Biodegradatie in (zee) water 3.1 Plastic soep 3.2 Biodegradeerbaarheid in zeeën en oceanen 3.3 Materialen 3.4 Snelheid van afbraak

11 11 11 13 13

4 Conclusies

16

5 Bijlage: Materiaal overzicht 5.1 Cellulose plastics 5.2 PLA (Poly lactic acid) 5.3 Bacteriële polyesters (PHA‟s) 5.4 Polyesters 5.5 Thermoplastisch zetmeel & TPS gebaseerde materialen 5.6 Biopolymeer blends 5.7 Niet afbreekbare hernieuwbare polymeren

17 17 19 21 24 26 28 30

4


1

Inleiding

1.1 Aanleiding Deze deskstudie is een onderdeel van het project “Samen verduurzamen voor een vitale oestersector”. De Nederlandse Oestervereniging is samen met Wageningen IMARES en LEI Wageningen UR op zoek naar “Innovatieve kweekmethoden: Vernieuwing substraat voor collectie broed”. Het onderdeel Food and Biobased Research van Wageningen UR is in het kader van dit project gevraagd een studie te doen naar alternatieve substraten voor de oesterteelt. Eén tot enkele malen per jaar worden er op een aantal oesterpercelen mosselschelpen gezaaid waar oesterlarven zich aan hechten. De oester groeit en de mosselschelp verteerd in een periode van twee jaar. De laatste jaren zijn er door een beperkte aanvoer van mosselen te weinig mosselschelpen om in de behoefte van de oesterkwekers te voorzien. Daarnaast is de prijs van een kubieke meter mosselschelpen opgelopen tot rond de € 30. Deze ontwikkelingen nopen de oestersector naar het vinden van een alternatieve methode voor de invang van oester op de kweekpercelen door verschillende (nieuwe) substraten te testen. In het verleden is onderzoek verricht naar de toepasbaarheid van substraten en het verbeteren van de broedval van oesters. Voortschrijdend inzicht laat zien dat er verschillende mogelijkheden kunnen zijn voor substraten, waarbij substraten welke biologisch afbreekbaar zijn uitkomst lijken te bieden. Substraten die zoveel mogelijk voldoen aan de eisen die gesteld worden aan "natuurlijke" substraten genieten de voorkeur, mede om de sterkste broedjes te laten overleven. Dit project beoogt het probleem van het tekort aan mosselschelpen voor de oesterkwekers op te lossen door de mogelijkheden van alternatieve oestersubstraten in kaart te brengen. Hierdoor ontstaan de volgende voordelen: verminderde afhankelijkheid van het aanbod van mosselschelpen, vermindering van kosten en verbetering van broedval.

1.2 Wensen en eisen Er zijn verschillende wensen en eisen voor het alternatief voor een oestersubstraat te definiëren. 1. Afbraakprofiel 2. Invloed op maritiem milieu 3. Groei van oesters 4. Prijs Mosselschelpen worden gestort op de zeebodem waarna het oesterbroed ingevangen wordt en groter wordt. Na 1 jaar worden de mosselschelpen met kleine oesters opgevist en elders opnieuw gestort. Anderhalf tot twee jaar later worden de oesters opnieuw opgevist om verkocht te worden. Deze procedure betekent dat na 1 jaar het oestersubstraat nog een zekere sterkte moet


5

hebben om opgevist te kunnen worden. Na in totaal 3 jaar moet het substraat niet meer op de nieuwe oesterschelp te zien zijn. Om het alternatieve oestersubstraat algemeen geaccepteerd te krijgen, mogen zowel het oestersubstraat als de afbraakproducten geen negatieve invloed op het maritiem milieu hebben (giftigheid, residuen). Naast het afbraakprofiel is het natuurlijk belangrijk dat het oesterbroed goed hecht aan het substraat, dat er geen algengroei plaatsvindt en dat het substraat bij het begin de juiste mechanische eigenschappen heeft (flexibiliteit). Uiteindelijk moet het alternatieve oestersubstraat beschikbaar zijn voor een economisch aantrekkelijke prijs. Mosselschelpen kosten ongeveer 33€/m3, waarbij voor 5 ha ongeveer 300m3 nodig is (± 2000 €/ha).

6


2

Inleiding bioplastics

2.1 Bioplastics De term bioplastics zorgt vaak voor verwarring. In het verleden werden met deze term voornamelijk biodegradeerbare plastics aangeduid. Maar momenteel ligt de focus van media, wetenschap en industrie bij bioplastics vooral op het hernieuwbare karakter van de plastics (zie ook Figuur 1). Ter verduidelijk zijn hieronder de verschillen en overeenkomsten tussen biodegradeerbare en hernieuwbare toegelicht.

Ecoflex (BASF) Bionolle (Showa Denko)

PLA (Natureworks) Mater-Bi (Novamont) Biopar (Biop)

Sorona,PDO (Dupont)

Rilsan Nylon 11 (Arkema)

Figuur 1 Biodegradeerbaar en/of hernieuwbaar

In het groene vlak (links) staan biologisch afbreekbare polymeren, in het gele vlak (rechts) hernieuwbare polymeren en in het oranje vlak (overlappend) polymeren die zowel hernieuwbaar als afbreekbaar zijn. a) Voorbeelden van niet-hernieuwbare biodegradeerbare plastics zijn o.a. polyesters zoals Eastar Bio, Bionolle, en Ecoflex gebaseeerd op fossiele grondstoffen. b) Voorbeelden van hernieuwbare polymeren die niet biologisch afbreekbaar zijn, zijn o.a. Sorona en Rilsan (nylon 11) met bv mais als grondstof, maar chemisch gemodificeerd. c) Voorbeelden van hernieuwbare biodegradeerbare polymeren zijn polymelkzuur (PLA), Mater-Bi en Biopar op basis van grondstoffen uit mais of zetmeel.

2.2 Hernieuwbare polymeren Op dit moment is er (in het kader van de CO2 discussie) een grote vraag naar hernieuwbare materialen. De toegevoegde waarde van biologische afbreekbaarheid is afhankelijk van de toepassing. Hernieuwbare polymeren zijn polymeren waarvan de grondstoffen direct of indirect afkomstig zijn uit de natuur. Dit zijn bijvoorbeeld natuurlijke polymeren zoals zetmeel en cellulose. Zetmeel kan thermoplastisch gemaakt worden door toevoeging van weekmakers zoals glycerol, terwijl cellulose chemisch gemodificeerd moet worden om thermoplastisch verwerkbaar te worden. Ook


7

kunnen diverse polymeren direct uit micro-organismen of gemodificeerde gewassen gewonnen worden. Bekende voorbeelden zijn polyhydroxyalkanoaten (PHA‟s), maar ook bacterieel cellulose is een voorbeeld van deze groep hernieuwbare polymeren. Een heel belangrijke groep zijn de polymeren die worden geproduceerd uit biobased bouwstenen. Het bekendste voorbeeld is PLA waarvan de (melkzuur) bouwstenen worden geproduceerd via fermentatie. Ook via chemische wegen worden hernieuwbare bouwstenen geproduceerd zoals isosorbide (uit suikers) en furanen (uit pectines). Vaak worden hernieuwbare polymeren betrokken in de discussie over het gebruik van voedingsgewassen voor non food toepassingen. Deze discussie is ontstaan naar aanleiding van het gebruik van palmolie in de productie van biodiesel, het gebruik van maïs voor de productie van bioethanol (brandstof) en de verschuiving in het landgebruik naar gewassen zoals koolzaad, eveneens voor de productie van biobrandstoffen. Echter het gebruik van landbouwgewassen voor de productie van hernieuwbare bioplastics is zeer beperkt in vergelijking tot het gebruik voor biobrandstoffen. Daarnaast is de trend bij de productie van biobrandstoffen het gebruik van agroafvalstromen zoals bijvoorbeeld stro. Momenteel worden technologieën ontwikkeld die het gebruik van deze afvalstromen mogelijk maken.

2.3 Biodegradeerbaarheid/composteerbaarheid In diverse toepassingen hebben biodegradeerbare plastics een toegevoegde waarde boven niet afbreekbare plastics. Voorbeelden zijn: 1. afbreekbare mulch folies die door hun afbreekbaarheid niet van landbouwgronden verwijderd hoeven worden 2. afbreekbare verpakkingsmaterialen die gezamenlijk met voedselresten gecomposteerd kunnen worden 3. afbreekbare bindstrips en clips die niet handmatig verwijderd behoeven te worden door telers Uit bovenstaand voorbeelden komt naar voren dat bij de keuze voor een bioplastic de afvalfase meegenomen moet worden. De eisen die aan een biodegradeerbaar plastic worden gesteld zijn vastgelegd in internationale normen zoals de internationale norm voor composteerbare plastics: EN13432. Deze norm definieert hoe snel en in welke mate een biodegradeerbaar plastic moet degraderen onder commerciële composteringcondities. Bovendien stelt de norm eisen aan de kwaliteit van de resterende compost en mogen biodegradeerbare plastics bijvoorbeeld niet te veel zware metalen bevatten. De norm stelt eisen aan de samenstelling en grondstoffen van bioplastics maar ook aan het desintegreren van geproduceerde producten. Voor biodegradeerbare films wordt daarom ook vaak een maximale filmdikte aangegeven waarbij de film nog voldoende snel desintegreert. De term biodegradeerbaar plastic wordt ook vaak gebruikt door producenten van gemodificeerde petrochemische plastics die lijken af te breken. In dit geval worden speciale additieven

8


toegevoegd aan bijvoorbeeld polyethyleen (PE) die producten onder invloed van UV-straling (uit zonlicht) of zuurstof (uit de lucht) uit een laten vallen. Deze materialen voldoen echter niet aan de eisen van de EN13432 norm.

2.4 Biodegradeerbaarheid in zeeën en oceanen De in de vorige paragraaf genoemde EN13432 norm beschrijft aan welke eisen een plastic moet voldoen om composteerbaar genoemd te mogen worden. Een specifieke conditie wordt hierbij aangegeven (temperatuur, aanwezige microorganismen, vochtgehalte, etc.). Dit is niet de conditie van zeewater. Daarvoor is een specifieke test nodig om de afbreekbaarheid in zee te kunnen bepalen. In Europa bestaat nog geen norm voor de eisen waaraan een plastic moet voldoen om afbreekbaar in zee genoemd te mogen worden. De American Society for Testing and Materials (ASTM) heeft wel een norm beschreven waaraan een plastic moet voldoen om afbreekbaar in zee genoemd te mogen worden (ASTM D7081 – Standard Specification for Non-Floating Biodegradable Plastics in the Marine Environment). Deze specificatie heeft betrekking op producten uit kunststof (inclusief verpakking en coatings) die zijn ontworpen om biologisch afbreekbaar te zijn onder maritieme condities. Mogelijke omgevingen zijn ondiep en diep zout water en brak water. De producten moeten een „bevredigende‟ biologische afbraak hebben in een tempo vergelijkbaar met bekende composteerbare materialen. Verder beschrijft deze specificatie dat de afbraak van deze materialen geen schadelijke milieueffecten mag hebben. Producten die voldoen aan de eisen zijn geschikt om het label “marine disposable” te dragen. In het volgende hoofdstuk wordt verder op deze norm in gegaan.

2.5 Marktomvang en toepassingen Het is moeilijk een goede schatting te maken van de marktomvang van bioplastics omdat de markt erg heterogeen is. Schattingen starten bij een minimale omvang van 50000 ton (minder dan 1%). De marktomvang (gebruik van bioplastics) in 2006 wordt door SRI Consulting geschat op 85000 ton. Dit terwijl wereldwijd de consumptie van flexibele verpakkingen wordt geschat op 12,3 miljoen ton. Afbreekbare bioplastics zijn vooral populair in de verpakkingssector. Voorbeelden zijn boodschappentassen van afbreekbare plastics en afvalzakken voor in de groenbak. Daarnaast verpakt bijvoorbeeld de “Greenery” al haar biologische producten in bioafbreekbare verpakkingsmaterialen. Ook catering producten zijn voorbeeld waarbij bioafbreekbare plastics een voordeel op kunnen leveren. Disposable bordjes en bestek maar ook bijvoorbeeld


9

hamburgerbakjes worden vaak samen met voedselresten afgevoerd. Wanneer gebruik wordt gemaakt van afbreekbare/composteerbare plastics kan dit afval in de groencontainer. De verschuiving van afbreekbare plastics naar hernieuwbare plastics maakt dat ook in duurzame producten steeds meer gekeken wordt naar bioplastics. Voorbeelden zijn mobiele telefoons uit PLA/kenaf composietmaterialen (NEC), tapijtvezels gemaakt van Sorona (Dupont), auto interieurs (Mazda) en leidingen uit Rilsan (Arkema). Bij deze toepassingen is biodegradatie niet van belang maar wel de duurzaamheid (o.a. CO2 balans) van producten. Dit heeft zelfs al geleid tot een productiemethode voor het maken van low density polyethyleen (LDPE) uit etheen gemaakt uit suikerriet. De laatste jaren zijn bioplastics economisch aanzienlijk competitiever geworden. De prijs van conventionele plastics is gestegen en de eigenschappen van bioplastics zijn sterk verbeterd. De productiecapaciteit van bioplastics neemt sinds 2000 sterk toe en wordt op dit moment geschat op 350000 ton. Grote spelers zijn Natureworks (140000 ton PLA), Dupont (50000 ton Sorona) en in Europa Novamont (35000 ton zetmeelblends). Ook in de komende jaren zal capaciteit worden bijgeplaatst zoals voor de productie van polyethyleen uit suikerriet en de productie van PHA.

10 © Wageningen UR Food & Biobased Research, instituut binnen de rechtspersoon Stichting Dienst Landbouwkundig Onderzoek

3

Biodegradatie in (zee) water

3.1 Plastic soep Het doel van deze desk-studie is een materiaal te vinden wat gebruikt kan worden als een alternatief voor mosselschelpen die gebruikt worden als oestersubstraat. Om acceptatie van dit alternatief te krijgen, mag het materiaal aan het einde van de gebruikscyclus niet eindigen als onderdeel van de „plastic soep‟. Een tiental jaar geleden is een gebied in zee ontdekt met grote concentraties zeeafval, deze zogenaamde plastic soep is ontstaan door steeds verder toenemende hoeveelheden zeevervuiling. Afval dat in zee drijft wordt door zeestromingen meegevoerd, en blijft vaak achter op een plek waar de stromingen convergeren. Blootstelling aan licht kan er voor zorgen dat onder andere lange plastic moleculen of 'polymeren' worden opgebroken in steeds kleinere plastic moleculen. Fotodegradatie is de afbraak van moleculen onder invloed van licht. Echter, plastic kan door fotodegradatie niet helemaal worden afgebroken. Er blijven altijd zeer kleine plastic moleculen over die vervuiling van de grond en het water veroorzaken. Als gevolg van fotodegradatie bestaat de plastic soep grotendeels uit minuscule plastic deeltjes. Deze deeltjes worden door vissen en andere zeedieren vaak aangezien voor het eetbare plankton. Opname van teveel plastic deeltjes en de toxische stoffen die daar vaak aan gebonden zijn kan uiteindelijk de dood tot gevolg hebben. Consumptie van deze vissen kan voor de mens ook schadelijk zijn.

3.2 Biodegradeerbaarheid in zeeën en oceanen In tegenstelling tot biodegradeerbaar materiaal blijft door fotodegradatie afgebroken materiaal altijd bestaan uit kleine plastic moleculen. Biodegradeerbaar materiaal breekt onder invloed van micro-organismen af tot koolstofdioxide, water en mineralen en heeft op deze manier geen invloed op de „plastic soep‟. De in het vorige hoofdstuk genoemde ASTM norm D7081 (Standard Spcification for NonFloating Biodegradable Plastics in the Marine Environment) beschrijft de normen waaraan een plastic moet voldoen om bio-afbreekbaar in zee genoemd te mogen worden. De volgende 3 vereisten worden daarvoor gesteld: 1. Desintegratie tijdens afbraak in zee: een product moet desintegreren tijdens zeewater blootstelling zodat eventuele residuen niet gemakkelijk te onderscheiden zijn van andere organische materialen of deeltjes die normaal aanwezig zijn in deze omgeving. De norm schrijft voor dat onder gecontroleerde testomstandigheden het product na 12 weken zover gedesintegreerd moet zijn dat minder dan 30% op een 2 mm zeef overblijft.


11

2. Inherente biologische afbreekbaarheid: het product moet van materialen gemaakt zijn die inherent afbreekbaar zijn. Dit wordt bepaald door middel van testen onder gecontroleerde omstandigheden. De norm schrijft voor dat van elke component in het product in gecontroleerde testomstandigheden minimaal 30% van het organische koolstof in kooldioxide is geconverteerd na 180 dagen. Tevens moet het materiaal voor minimaal 90% biodegraderen in organische compost. 3. Geen schadelijke milieueffecten: De geteste producten of materialen hebben geen negatieve impact op de overleving van maritieme organismen en zijn ook niet bezwarend voor het ecosysteem als ze in zee geplaatst worden. Daarnaast mogen de polymere producten of andere materialen tijdens afbraak geen onacceptabele hoeveelheden metalen of andere giftige stoffen in het milieu brengen. De kunststof producten worden getest op hun toxiciteit d.m.v. een microbiële zuurstof absorptietest, een microbiële bio-luminescentietest, en toxiciteit testen op vissen, plankton en algen.


4

Substraatconcepten

In dit hoofdstuk wordt verder ingegaan op concepten waaraan men moet denken om een geschikt bioplastic als oestersubstraat te kiezen. In de bijlage (hoofdstuk 6) staat een algemeen overzicht van bioplastics met hierin vermeld de grondstoffen, prijzen en verwerkbaarheid. 4.1 Materialen Ondanks de grote milieuproblemen die gepaard gaan met plastic afval in zee, zijn er bijna geen gegevens bekend over materialen die aan de eerder genoemde ASTM D7081 norm voldoen. De vraag naar specifiek in zee afbreekbare materialen is relatief klein en men zoekt oplossingen in composteerbaarheid of recycling ter voorkoming/vermindering van het afvalprobleem. Eén van de bedrijven die specifiek adverteert met een materiaal dat voldoet aan de ASTM D7081 norm is Telles met het product Mirel. Mirel is een polyhydroxyalkanoaat (PHA) dat geproduceerd wordt door micro-organismen die gevoed worden met suiker. Andere materialen kunnen ook bioafbreekbaar zijn in zeewater, maar het is onbekend of deze materialen gecertificeerd zijn. 4.2 Snelheid van afbraak Wanneer het alternatieve oestersubstraat op dezelfde manier verwerkt wordt als de huidige verwerkingsmethode met mosselschelpen, moet het aan een bepaald afbraakprofiel voldoen (Figuur 2). Na 1 jaar wordt het materiaal opgevist waarvoor het een minimale sterkte moet hebben. Na 3 jaar worden de oesters opgevist om verkocht te worden en mogen er geen resten plastic aan de schelp te zien zijn.

C

Sterkte / integriteit

A B

Minimale sterkte

D

0

1

2

3

Tijdsduur [jaar] Figuur 2 Afbraakprofiel oestersubstraat


13

In bovenstaande figuur staat het afbraakprofiel getekend van een oestersubstraat. Materiaal A heeft een lineair afbraakprofiel, per maand breekt een gelijke hoeveelheid af. Materiaal B heeft een uitgesteld afbraakprofiel, het eerste jaar breekt het niet of nauwelijks af en daarna begint het pas. Materiaal C is zeer snel afbreekbaar, maar moet, om na 1 jaar nog een minimale sterkte te hebben, bij het begin zeer sterk (lees: dikwandig) zijn. Materiaal D is langzaam afbreekbaar en is na 3 jaar nog niet verdwenen. Het bedrijf Telles verkoopt een door microorganismen geproduceerd PHA met de merknaam Mirel. Mirel voldoet aan de ASTM D7081 norm, maar zal in pure vorm waarschijnlijk te snel afbreken. Volgens de norm moet het materiaal na 3 maand al gedesintegreerd zijn in stukken kleiner dan 2 mm. Volgens bovenstaande figuur heeft Mirel de eigenschappen van materiaal C. PLA is watervast en hoewel het composteerbaar is, voldoet het niet aan de ASTM D7081 norm omdat de afbraak te langzaam is om te meten. Er zijn verscheidene technische mogelijkheden om de afbraak van bioplastics te vertragen: 1. Door blenden met een langzamer afbrekend bioplastic valt het product minder snel uiteen (bijvoorbeeld Figuur 2, materiaal A). 2. Het basismateriaal begint later af te breken wanneer het gecoat wordt met een langzamer afbrekend bioplastic (bijvoorbeeld Figuur 2, materiaal B). 3. Door grotere, dikkere producten te maken, kan na 1 jaar de minimale sterkte behouden blijven. De kostprijs van het product zal hierdoor verhoogd worden. Ook kan de afbraak van bioplastics versneld worden: 1. Door blenden met een sneller afbrekend bioplastic valt het product sneller uiteen (bijvoorbeeld Figuur 2, materiaal A). 2. Vulmiddelen (bijvoorbeeld kalk) kunnen de snelheid van afbraak versnellen. 3. Door dunnere producten te maken, kan de desintegratie binnen 3 jaar bereikt worden. Het zal dan wel moeilijk zijn om na 1 jaar de minimale sterkte te hebben. Uiteindelijk zijn van zeer weinig materialen de precieze afbraakeigenschappen bekend. Van blends met verschillende bioplastics is het afbraakprofiel nog onbekender. Wanneer een (blend) van materialen gekozen wordt, is een (tijdrovende) praktijktest vaak de enige manier om te bestuderen of het product aan de eisen voldoet.


4.3 Verwerkbaarheid In de bijlage (hoofdstuk 6) staat een algemeen materiaaloverzicht van bioplastics. O.a. de verwerkbaarheid van de verschillende bioplastics wordt hierin beschreven. Over het algemeen zal de vormgeving van het eindproduct de productiemethode bepalen. Bijna alle bio-plastics zijn via verschillende industriele productiemethoden tot een product te vormen (extrusie, spuitgieten, etc.). Hier zal in eerste instantie niet de limitering voor het gebruik als oestersubstraat liggen. Wel moet er rekening gehouden worden met de gebruikte additieven om het plastic verwerkbaar te krijgen. Sommige grades bevatten bijvoorbeeld een weekmaker waarvan niet bekend is of ze giftig zijn voor het maritiem milieu.


15

5

Conclusies

ASTM norm D7081 beschrijft waaraan een bioplastic moet voldoen om bioafbreekbaar in maritiem milieu genoemd te mogen worden. Het bioplastic moet snel genoeg desintegreren (binnen 3 maand kleiner dan 2mm) onder maritieme condities en inherent biologisch afbreekbaar zijn (30% afgebroken in een half jaar in zee en 90% in een half jaar in een composteerinstallatie). Daarnaast mogen het bioplastic, de componenten (additieven) en de afbraakproducten geen invloed hebben op het maritiem milieu. Het PHA Mirel van Telles voldoet aan bovenstaand ASTM norm, maar zal waarschijnlijk te snel afbreken. Zetmeel plastics voldoen niet aan de norm, zijn wel inherent biologisch afbreekbaar en zullen waarschijnlijk te langzaam afbreken. Door middel van blenden en productvormgeving (coaten, wanddikte) zou het afbraakprofiel getuned kunnen worden. Vanwege beperkte beschikbaarheid van gegevens over biologische afbraak in zeeën en oceanen zullen alle materialen en producten (langdurig) getest moeten worden om zich in de praktijk te kunnen bewijzen. Vanwege de discussie over de „plastic soep‟ van niet-biologisch afbrekende polymeren is over het algemeen de acceptatie van een bioplastic oestersubstraat meer afhankelijk van de invloed op het zee-leven dan van zaken als prijs, beschikbaarheid en verwerkbaarheid.


6

Bijlage: Materiaal overzicht

6.1

Cellulose plastics

6.1.1 Inleiding Cellulose en cellulose derivaten zijn hernieuwbare biodegradeerbare materialen. Cellulose plastics behoren tot de oudste plastic materialen. De belangrijkste cellulose plastics zijn cellulose nitraten en cellulose acetaten. Cellulose acetaat werd al in 1927 commercieel geproduceerd en was belangrijk voor ondermeer de vliegtuigindustrie. Na de tweede wereldoorlog werd dit materiaal steeds verder verdrongen door de opkomst van nieuwe kunststof materialen die vaak goedkoper geproduceerd konden worden. Sinds de opkomst van de biopolymeren is er een hernieuwde interesse voor cellulose plastics. Naast cellulose plastics zijn niet thermoplastisch verwerkbare cellulose vezels en films (viscose, rayon, cellofaan) belangrijke hernieuwbare materialen. 6.1.2 Grondstoffen en productie Cellulose is een hoog kristallijn polymeer materiaal dat niet thermoplastisch verwerkbaar is. De verwekingtemperatuur (Tg) van cellulose is hoger dan de degradatietemperatuur. Cellulose moet (verregaand) chemisch gemodificeerd worden om thermoplastisch verwerkbaar te worden. Cellulose acetaat is een thermoplastisch verwerkbare cellulose ester die wordt verkregen door het modificeren van cellulose met azijnzuur(anhydride). Als grondstof voor het productieproces wordt een zeer zuivere cellulose pulp (dissolving pulp) gebruikt die wordt gewonnen uit hout of katoen. “Ongemodificeerde” cellulosefilms zoals cellofaan worden geproduceerd vanuit een oplossing, net als cellulosevezels zoals viscose en rayon. Cellulose acetaat is verkrijgbaar in verschillende substitutiegraden die de biodegradeerbaarheid en de oplosbaarheid van het polymeer bepalen. Hoewel cellulose acetaten hernieuwbaar en afhankelijk van de substitutiegraad bioafbreekbaar zijn kunnen deze materialen niet echt milieuvriendelijk genoemd worden vanwege het energie- en chemicaliën gebruik tijdens de productie. 6.1.3 Eigenschappen Cellulose diacetaat is watervast en producten van cellulose diacetaat kunnen gebruikt worden in kokend water, dit in i.t.t. tot de meeste andere afbreekbare polymeren. Het materiaal neemt iets water op maar dit heeft geen gevolgen voor de eigenschappen. Cellulose diacetaat is afbreekbaar onder composteringsomstandigheden. In waterige omgeving degradeert het materiaal niet.


17

6.1.4 Verwerking Cellulose acetaat kan verwerkt wordt via conventionele verwerkingstechnieken zoals:  Extrusie  Spuitgieten (niet via hot runner systemen)  Sheetextrusie  Thermovormen  Blow moulding Cellulose acetaat is eerste voorbeeld van een materiaal dat werd verwerkt via de blow moulding techniek (1930). Na 1939, met de opkomst van LDPE is cellulose acetaat in deze technologie vervangen en is deze industrie sterk gegroeid. 6.1.5 Toepassingen Het overgrote deel van de cellulose acetaten die worden geproduceerd worden verwerkt tot vezels voor textiel en sigarettenfilters. In veel plastic toepassingen is cellulose acetaat verdrongen door petrochemische kuststoffen. De belangrijkste huidige toepassing van cellulose plastics zijn (high-end toepassingen zoals): lenzen (en implantaten), handvaten voor gereedschap en tandenborstels, decoratieve elementen voor de automobielindustrie, displays, verpakkingsmaterialen en zonnebrillen. Daarnaast geeft leverancier FKuR als belangrijkste toepassingsgebieden disposables aan (messen, lepels, bordjes, vorken, kopjes etc.). Hierbij moet opgemerkt worden dat cellulose acetaat vanwege de goede thermische resistentie één van de weinige bioplastics is die gebruikt kan worden in combinatie met heet water of bijvoorbeeld voor magnetrontoepassingen. Cellulose plastics zijn (afhankelijk van de gebruikte weekmakers en additieven) FDA approved. Recente toepassingen in flessen worden niet gevonden. 6.1.6 Samenvatting Cellulose plastics (met als belangrijkste voorbeeld cellulose diacetaat zijn materialen met uitstekende eigenschappen zoals taaiheid, hardheid, sterkte, helderheid en chemische resistentie. Het materiaal heeft een uitzonderlijk mooi uiterlijk (glans) en voelt prettig aan. Deze laatste eigenschappen bepalen vooral de huidige toepassing van cellulose plastics als optisch materiaal, decoratie materiaal en handvaten voor gereedschap. Vaak worden weekmakers toegevoegd om de eigenschappen en met name de verwerkbaarheid van cellulose acetaat te verbeteren. Heel belangrijk is dat er een grote variëteit aan grades verkrijgbaar is, en dat niet alle cellulose acetaten volledig afbreekbaar en/of hernieuwbaar zijn. Het belangrijkste nadeel dat ook het gebruik van cellulose plastics beperkt is de hoge prijs van meer dan 4€/kg. Met de opkomst van de petrochemische plastics zijn cellulose plastics vervangen in de meeste toepassingen. Bovendien heeft de hoge prijs de toepassing van cellulose plastics als biopolymeer op grote schaal verhinderd.


6.2

PLA (Poly lactic acid)

6.2.1 Inleiding Op dit moment is PLA de meest aansprekende bioplastic. Het is (net als cellulose plastics) zowel gebaseerd op hernieuwbare grondstoffen als composteerbaar en de eigenschappen van het materiaal zijn goed. PLA is transparant en het materiaal heeft een aantrekkelijke prijs die de overstap op biopolymeren voor veel bedrijven aantrekkelijker heeft gemaakt.

6.2.2 Grondstoffen en productie PLA is een 100% hernieuwbare kunststof met momenteel als belangrijkste grondstof maïs (Natureworks). In enkele Europese landen is het gebruik van deze grondstof (genetisch gemodificeerde maïs) omstreden. In principe kan echter iedere zetmeelhoudende grondstof worden gebruikt. Daarnaast zijn suikerbieten of wei geschikte grondstoffen. Via fermentatie van zetmeel of suikers wordt melkzuur geproduceerd. Natureworks heeft een LCA studie uitgevoerd waarin (de productie van) PLA wordt vergeleken met plastics die gebaseerd zijn op petrochemische grondstoffen. Natureworks claimt dat gebruik van PLA een besparing van 25 tot 68% fossiele brandstof oplevert in vergelijking met polyethyleen (PE). Hierbij wordt gerekend met het gebruik van hernieuwbare energiebronnen tijdens de productie van PLA.

6.2.3 Eigenschappen De eigenschappen van PLA worden vaak vergeleken met die van PET. PLA is transparant en waterbestendig. Een typische eigenschap van PLA folie is dat het knispert of kraakt. Dit wordt vaak als zeer hinderlijk ervaren. PLA is alleen composteerbaar in commerciële installaties. Belangrijk is dat gedurende het composteringsproces een voldoende hoge temperatuur wordt bereikt.


19

6.2.4 Verwerking Voor verwerking is het essentieel dat PLA goed gedroogd is (<250 ppm vocht) omdat het materiaal anders heel gevoelig is voor hydrolyse. PLA kan verwerkt worden via conventionele technieken zoals:  Filmextrusie  Thermovormen  Blow moulding  Spuitgieten  Vezelextrusie Daarnaast wordt PLA verwerkt via extrusieschuimen. De verwerkingstemperaturen variëren tussen 170 en 210°C. PLA kan gerecycled worden eventueel met toevoeging van chainextenders.

6.2.5 Toepassingen Oorspronkelijk werd PLA vanwege een zeer hoge kostprijs (> 50€/kg) vooral toegepast in medische applicaties (afbreekbare botfixatiemiddelen, vaatprothesen). Naast PLA voor medische toepassingen is er nu PLA beschikbaar voor een aantrekkelijke prijs (< 2€/kg). Toepassingen zijn vooral verpakkingsmaterialen (films, doosjes) voor snoep, groenten, fruit, vlees en zuivel, en disposables (drinkbekers, flesjes). De Greenery verpakt bijvoorbeeld veel biologische producten in PLA folie. PLA heeft daarvoor een FDA approval. PLA is ook als krimpfolie beschikbaar en wordt er gewerkt aan vezeltoepassingen voor bijvoorbeeld kleding en tapijt.

6.2.6 Verkrijgbaarheid en prijs De prijs van PLA is iets beneden 2€/kg en daarmee is PLA wat betreft prijs kwaliteit verhouding verreweg de meest interessante bioplastic.

6.2.7 Samenvatting Wat betreft de prijs, de eigenschappen en de verwerkingsmogelijkheden is PLA een zeer goede keuze voor veel toepassingen. Nadelen op dit moment zijn de lage HDT (maximale gebruikstemperatuur), de brosheid (lawaaierige folies) en de tijdelijke beperkte beschikbaarheid. Aan het verbeteren van de eigenschappen wordt momenteel veel onderzoek verricht en dit zal op korte termijn ook wel resultaat opleveren. Positief is dat er veel masterbatches voor PLA beschikbaar zijn. Wat betreft de beschikbaarheid wordt veel verwacht van nieuwe initiatieven voor de productie van PLA. Hiermee kan wellicht ook nog een verdere kwaliteitsslag worden gemaakt.


6.3

Bacteriële polyesters (PHA’s)

6.3.1 Inleiding Polyhydroxyalkanoaten (PHA‟s) vormen een groep lineaire polyesters die kunnen worden geproduceerd door bacteriën, gisten of planten. Belangrijke voorbeelden zijn polyhydroxybutyraat (PHB) en polyhydroxybutyraat valeraat (PHBV), maar in principe kunnen zeer veel verschillende polyesters worden geproduceerd met een zeer brede variatie aan eigenschappen. Net als de twee voorgaande materialen zijn PHA‟s hernieuwbare biodegradeerbare materialen met uitstekende eigenschappen. Echter PHA‟s zijn over het algemeen niet transparant.

6.3.2 Grondstoffen en productie PHA‟s kunnen worden geproduceerd door sommigen bacteriën, gisten of planten. Bij planten en gisten is altijd genetische modificatie noodzakelijk om ze PHA‟s te laten produceren. Bij bacteriën wordt er gebruik gemaakt van genetische modificatie om de productiecapaciteit te verhogen of materiaaleigenschappen te veranderen. PHB kan worden gemaakt met micro-organismen zoals Alcaligenes eutrophus of Bacillus megaterium uit bijvoorbeeld glucose of zetmeel. In het productieproces is het eerst van belang dat de micro-organismen zich vermenigvuldigen en vervolgens worden ze aangezet tot het maken van PHB. De “winning” van PHB uit de microorganismen is een belangrijke stap. Opbrengsten variëren tussen 30 en 80% op basis van het drooggewicht van de micro-organismen. In het productieproces zijn efficiënt gebruik van voedingsstoffen door de micro-organismen en extractie van PHB uit de micro-organismen de belangrijkste stappen waaraan nog steeds veel onderzoek wordt gedaan om zodoende het materiaal goedkoper te maken.

6.3.3 Eigenschappen De eigenschappen van PHA‟s zijn afhankelijk van de monomeersamenstelling, en afhankelijk van deze samenstelling is het mogelijk om een grote variëteit aan PHA‟s te produceren. Materialen variëren van thermoplasten tot elastomeren met smeltpunten tussen 40 en 180 °C. Polyhydroxybutyraat (PHB) is een hoogkristallijn thermoplastisch materiaal met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met polypropyleen (PP), maar is wel stijver en brosser. Behalve de prijs is vooral de brosheid een beperking voor de toepasbaarheid van PHB. Polyhydroxybutyraat valeraat (zoals het vroegere Biopol van Monsanto) is taaier en heeft een stijfheid die vergelijkbaar is met PP (1000-2000 MPa) en breukrekken van 10-50 % zijn normaal. PHA‟s met een relatief gemiddelde ketenlengte zijn elastomeren zijn met een laag smeltpunt en lage kristalliniteit.


21

Interessant in verband met voedselverpakkingen zijn de zeer goede watervastheid en de lage water(damp)doorlaatbaarheid van PHA‟s. De biodegradeerbaarheid van PHA‟s is uitstekend. Mirel dat wordt geproduceerd door Metabolix/Telles voldoet o.a. aan de EN 13432 en ASTM D7081 normen.

6.3.4 Verwerking De verwerkbaarheid van PHA‟s is afhankelijk van de samenstelling. Mirel van Metabolix is geschikt voor spuitgieten, extrusiecoaten en sheetextrusie. Daarnaast wordt nog gewerkt aan thermovormen, filmblazen, schuimen en vezelspinnen. Geadviseerd wordt het materiaal voor gebruik te drogen. Verwerkingstemperaturen variëren van 160 tot 180°C. Biopol is in Duitsland, de Verenigde Staten en Japan gebruikt om shampoo flessen mee te produceren.

6.3.5 Toepassingen Mogelijke toepassingen van PHA‟s zijn gezien de eigenschappen van het materiaal legio. In het verleden zijn onder meer shampooflessen, creditcards en kleerhangers geproduceerd. Het materiaal is ook zeer geschikt voor allerhande verpakkingsmaterialen. Gezien de kostprijs van PHA‟s liggen op dit moment medische en farmaceutische toepassingen voor de hand zoals weefsels, nietjes, schroeven, chirurgische platen, stents, etc. Met haar product Mirel werkt Metabolix samen met eindgebruikers aan toepassing als coatings voor papieren bekers, diverse disposables, mulch films, bloempotjes, diverse voedselverpakkingen, folies, pennen, badges en tandenborstels (hoofdzakelijke coating- en spuitgiettoepassingen). Grades geschikt voor thermovormen en blow moulding zijn nog niet beschikbaar. Ook aan de FDA approval die voor diverse producten noodzakelijk is wordt nog gewerkt.

6.3.6 Verkrijgbaarheid en prijs De geschiedenis van PHA‟s kent een lange weg waarbij vooral de ontwikkeling van een commercieel aantrekkelijk productieproces de grootste bottleneck is geweest. Spelers die in het verleden actief waren op het gebied van PHA‟s zijn onder andere ICI/Zeneca, Monsanto en Procter and Gamble. Op dit moment is er zeer veel interesse in PHA‟s en zijn diverse bedrijven actief met de opstarten van de productie van PHA‟s of het uitbreiden van de huidige productiecapaciteiten. Er wordt gesuggereerd dat de prijs van PHA‟s kan dalen tot 4 à 5 €/kg maar dit is nog steeds vier maal zoveel als de marktprijs van polyethyleen.


Op dit moment zijn de producenten van PHA‟s:  Metabolix/Telles (USA), merknaam Mirel (www.metabolix.com)  PHB Industrial SA, merknaam Biocycle (Brazilië), (www.biocycle.com.br)  Tianan Biologic Material Co, Ltd (China), merknaam (www.tianan-enmat.com) ook verkrijgbaar via Peter Holland BV (www.peterholland.nl), prijs vanaf 6,- €/kg.  Biomer (Dld), (www.biomer.de), prijs vanaf 20€/kg. Metabolix heeft in 2001 de Biopol technologie gekocht van Monsanto. In 2004 zijn de fermentoren, waarin met behulp van bacteriën PHA‟s werd geproduceerd, gesloten en Metabolix richt zich sindsdien op het produceren van PHA‟s met behulp van planten. Producten onder de merknaam Mirel worden op de markt gezet door Telles en 50/50 joint venture van Metabolix en ADM. PHB Industrial produceert onder de naam Biocycle PHA‟s. Momenteel wordt gewerkt aan een productiefaciliteit van 2000 tot 5000 ton per jaar waarin PHB en PHBV geproduceerd kan worden. In China wordt ca 1000 ton PHBV per jaar geproduceerd door Tianan onder de merknaam ENMAT. Het materiaal wordt terplekke verwerkt tot o.a. disposables en golf tee‟s. Het Duitse bedrijf Biomer levert zowel PHB als PLA compounds.

6.3.7 Samenvatting Er wordt al vele jaren onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van PHA‟s maar de keuze uit deze materialen met een redelijke prijs en ook op grotere schaal beschikbaar is nog klein. Hier lijkt in de toekomst verandering in te komen waarbij nog onduidelijk is of de prijsslag die gemaakt kan worden voldoende is om de concurrentie met andere bioplastics aan te kunnen gaan. Wat betreft de eigenschappen zal concurrentie geen probleem zijn al is om dit moment de verwerkbaarheid nog beperkt tot enkele technieken. Op dit moment is het PHA Mirel van Telles het enige biopolymeer waarmee sterk geadverteerd wordt met biologische afbreekbaarheid in maritieme condities. Andere PHA‟s zouden ook onder deze condities afbreekbaar kunnen zijn, maar beschikken nog geen certificaat.


23

6.4

Polyesters

6.4.1 Inleiding In dit hoofdstuk worden diverse polyesters beschreven zoals polycaprolacton (PCL) en diverse copolyesters (Ecoflex). Alifatische polyesters zijn goed biologisch afbreekbaar, maar worden hoofdzakelijk uit petrochemische bouwstenen geproduceerd. Alifatische polyesters zijn flexibele materialen met een lage glasovergangtemperatuur en smelttemperatuur. De eigenschappen worden vaak vergeleken met PE.

6.4.2 Grondstoffen en productie Polyesters worden gemaakt uit niet hernieuwbare aardoliecomponenten via klassieke polyester synthese routes. De gebruikte grondstoffen (bouwstenen) maken het materiaal biologisch afbreekbaar. Afhankelijk van de uitgangsstoffen kunnen er allerlei moleculaire structuren gemaakt worden. Dit leidt tot een variatie in mechanische eigenschappen. De trend naar hernieuwbare bouwstenen voor polymeren maakt dat het waarschijnlijk is dat in de toekomst deze polymeren ook gemaakt gaan worden uit hernieuwbare bouwstenen, of dat er nieuwe copolyesters ontwikkeld worden op basis van hernieuwbare grondstoffen.

6.4.3 Eigenschappen Polycaprolacton (PCL) is een semikristallijn (niet transparant) materiaal met een smeltpunt van 60°C. De mechanische eigenschappen van PCL zijn vergelijkbaar met het synthetische polyethyleen (dus lage E-modulus en hoge breukrek (> 200 %)). PCL is een watervast en volledig bioafbreekbaar polymeer.

6.4.4 Verwerking Alifatische polyesters zijn vooral geschikt voor filmblazen en extrusie, en vaak niet geschikt voor spuitgiettoepassingen. Ook blow moulding van bijvoorbeeld PCL (blends) is mogelijk.

6.4.5 Toepassingen Mogelijke toepassingen van polyesters zijn te vinden in de foliemarkt voor bijvoorbeeld zakken voor groente en fruit. Ook kunnen dit soort materialen worden gebruikt als laminaat in of op trays voor bijvoorbeeld vlees- of visverpakkingen. Polyesters worden hoofdzakelijk toegepast als component in blends of laminaten en in beperkte mate als monomateriaal. 6.4.6 Verkrijgbaarheid en prijs PCL wordt door de bedrijven, Dow Chemicals (voorheen Union Carbide, merknaam: Tone™) en Perstorp (voorheen eigendom van Solvay, merknaam: CAPA®) commercieel op de markt


gebracht (www.dow.com en www.perstorpcaprolactones.com). Een kleine producent is Polyfea (www.caprowax-p.de). In de 90-jaren zijn door bedrijven zoals BASF (merknaam: Ecoflex, www.basf.com), Eastman Chemical (merknaam: Eastar Bio), Bayer (merknaam: BAK) en Showa Denko (merknaam: Bionolle, www.shp.co.jp) een grote variëteit aan bioafbreekbare copolyesters ontwikkeld. Inmiddels worden Eastar Bio en BAK niet meer geproduceerd. Daarentegen heeft kortgeleden Novamont (producent van vooral zetmeel gebaseerde plastics) aangekondigd op de markt te komen met een nieuwe lijn van hernieuwbare/biologisch afbreekbare polyesters. De materialen zullen vermarkt worden onder de naam Origo-bi® (www.novamont.com). De prijs van biologisch afbreekbare (co-)polyesters ligt tussen 3 en 6 €/kg, en is in de meeste gevallen hoger dan 4.-€/kg.

6.4.7 Samenvatting Van de vele biopolyesters zijn er nog slecht enkelen commercieel beschikbaar. In verband met de eigenschappen die veelal lijken op PE worden biopolyesters hoofdzakelijk toegepast in blends met bijvoorbeeld zetmeel en/of PLA. Op dit moment zijn de copolyesters niet hernieuwbaar maar het is niet ondenkbaar dat in de toekomst steeds meer hernieuwbare bouwstenen ingebouwd zullen gaan worden.


25

6.5

Thermoplastisch zetmeel & TPS gebaseerde materialen

6.5.1 Inleiding Thermoplastisch zetmeel is één van de meest gebruikte hernieuwbare biopolymeren. Met behulp van een weekmakersysteem kan zetmeel thermoplastisch gemaakt worden. FBR heeft in het verleden veel onderzoek gedaan naar thermoplastisch zetmeel en dit heeft in samenwerking met AVEBE geleidt tot de ontwikkeling van Paragon. Om thermoplastisch zetmeel breder toepasbaar te maken wordt het vaak gebruikt in combinatie met andere biopolymeren (blends). In de begintijd van de bioplastics werden ook petrochemische niet afbreekbare plastics zoals PE geblend met zetmeel. Deze materialen leken biodegradeerbaar maar het PE deel bleef achter. Met o.a. de normering van biodegradatie testen zijn deze materialen van de markt verdwenen en wordt TPS alleen nog in combinatie met afbreekbare bioplastics toegepast.

6.5.2 Grondstoffen en productie Zetmeel is een hernieuwbare, goedkope grondstof die uit een groot aantal (plantaardige) bronnen geïsoleerd kan worden (aardappelen, maïs, tarwe, tapioca). Zetmeel is geen uniform materiaal, het bestaat uit twee types van glucosepolymeren: een laagmoleculair lineair polymeer genaamd amylose en een hoogmoleculair vertakt polymeer genaamd amylopectine. Droog zetmeel bezit een smelttemperatuur die ver boven de degradatietemperatuur van dit materiaal ligt. Om zetmeel thermoplastisch verwerkbaar te maken is daarom een weekmakersysteem essentieel. Geschikte weekmakers zijn o.a. glycerol, sorbitol en water. Via extrusie wordt zetmeel verwerkt tot halffabrikaten, het zogenaamde thermoplastisch zetmeel of Thermoplastic Starch (TPS). TPS gebaseerde materialen bevatten meestal copolyesters, caprolacton en soms cellulose acetaat met daarbij de benodigde compatibilisers.

6.5.3 Eigenschappen De mechanische eigenschappen van TPS materiaal kan variëren van flexibel (vergelijkbaar met polyethyleen; E-modulus 500 MPa) tot stijf (vergelijkbaar met polystyreen; E-modulus 3000 MPa). Het toevoegen van vulstoffen (krijt, talk) en natuurlijke vezels (vlas e.d.) is mogelijk. Voordelen van TPS materialen zijn hun goede gasbarrière-eigenschappen en antistatische gedrag. Thermoplastisch zetmeel heeft een relatief lage doorlatendheid van CO2 en zuurstof en hoge doorlatendheid van waterdamp. Dit zijn belangrijke eigenschappen voor de conservering van voedsel. TPS is zeer snel biologisch afbreekbaar/composteerbaar. Zetmeel is in principe


wateroplosbaar, producten gemaakt van TPS vallen daarom langzaam uit elkaar in water. TPS materialen zijn niet volledig transparant. Verbetering van de watervastheid is goed mogelijk door gebruik te maken van blends of meerlaagsfolies.

6.5.4 Verwerking Belangrijk bij de verwerking is dat TPS niet gedroogd moet worden, water is essentieel voor de verwerkbaarheid van het materiaal. TPS is verkrijgbaar in diverse typen die geschikt zijn voor verschillende verwerkingstechnieken zoals filmblazen, spuitgieten, sheetextrusie (en thermovormen) en schuimextrusie. Verwerkingstemperaturen variëren van 120-180°C.

6.5.5 Toepassingen Een grote markt voor thermoplastisch zetmeel wordt ingenomen in de schuimindustrie. Loosefill schuimen op basis van zetmeel omvatten momenteel ongeveer 50% van het toepassingsgebied van thermoplastisch zetmeel. Andere belangrijke verpakkingstoepassingen zijn folies, draagtassen en geschuimde trays. Daarnaast wordt TPS toegepast in diervoeding en -speeltjes, plantenpotten en zogenaamd mulchfolie, dat wordt ingezet ten behoeve van oogstvervroeging en onkruidonderdrukking

6.5.6 Verkrijgbaarheid en prijs De granulaatprijs van TPS materialen ligt tussen de 1,5 en 4 euro per kilo. Producenten zijn bijvoorbeeld Novamont Spa (Mater-Bi, www.materbi.com), Biopolymer Technologies AG (BIOPAR, www.biopag.de), Rodenburg bioplastics (Solanyl, www.biopolymers.nl), Biotec GmbH (www.biotec.de), Plantic Technologies Limited (www.plantic.eu). Deze producenten verwerken TPS hoofdzakelijk in combinatie met andere bioplastics vooral vanwege de watergevoeligheid van TPS. Een succesvol voorbeeld van TPS is Paragon van Paragon Products bv dat voornamelijk gebruikt wordt in diervoeder en –speeltjes.

6.5.7 Samenvatting Hoewel de eigenschappen en verwerkingsmogelijkheden van TPS goed zijn, beperkt vooral de watergevoeligheid de toepasbaarheid van dit materiaal. Blends van TPS worden met name toegepast in (afval)zakjes en draagtassen voor eenmalig gebruik.


27

6.6

Biopolymeer blends

6.6.1 Inleiding Blenden is een veel gebruikte methode om eigenschappen van diverse bioplastics te combineren of optimaliseren. Vaak gaat het om stijfheid, kostprijs en de verwerkingsmogelijkheden.

6.6.2 Grondstoffen en productie De ingrediënten van bioplastic blends zijn in variërende hoeveelheden PLA, copolyesters en polycaprolacton met daarbij vulmiddelen, additieven en compatibilisers. Soms wordt ook cellulose acetaat, polyvinylalcohol (PVOH) of polyvinylacetaat (PVAc) verwerkt.

6.6.3 Eigenschappen De eigenschappen van biopolymeer blends zijn afhankelijk van de ingrediënten maar ook de kwaliteit van de blend (compatibilisering). Bekende blends (combinaties van biopolymeren) zijn:  PLA polyester blends voor het verbeteren van de taaiheid van PLA  Ecoflex PLA blends voor het verbeteren van de mechanische eigenschappen en verwerkbaarheid van Ecoflex (Ecovio) Een nadeel van biopolymeer blends is dat deze niet transparant zijn.

6.6.4 Verwerking In principe zijn er blends beschikbaar voor alle verwerkingstechnieken. Veel bioplastic blends zijn echter speciaal geschikt voor folieproductie en dit heeft te maken met de toepassing van deze blends.

6.6.5 Toepassingen Het merendeel van de biopolymeer blends wordt toegepast in folies bijvoorbeeld voor draagtasjes en verpakkingen die niet transparant hoeven te zijn. Daarnaast zijn er tal van spuitgietproductjes bekend.

6.6.6 Verkrijgbaarheid en prijs De verkrijgbaarheid van bioplastics blends is groot. Belangrijke producenten zijn Biopearls (Biopearls, www.biopearls.nl)), FKuR (Bio-Flex, www.fkur.de) en BASF (Ecovio, www.basf.com). Prijzen starten bij ca. 3,5 – 4,0 €/kg.


6.6.7 Samenvatting Afhankelijk van de gewenste eigenschappen kan de keuze voor een biopolymeer blend voor de hand liggen. Het succes van biopolymeer blends blijkt o.a. door de zeer grote en brede verkrijgbaarheid van blends.


29

6.7

Niet afbreekbare hernieuwbare polymeren

6.7.1 Inleiding Met name voor hoogwaardige toepassing is in verband met de CO2 discussie een trend naar de ontwikkeling en toepassing van niet afbreekbare hernieuwbare polymeren. Deze ontwikkeling gaat samen met de ontwikkeling van hernieuwbare bouwstenen voor chemicaliën en polymeren.

6.7.2 Rilsan Rilsan of Nylon 11 is een biopolymeer dat geproduceerd wordt uit castorolie. Rilsan is een technisch polymeer/engineering plastic en is niet bioafbreekbaar. De eigenschappen zijn vergelijkbaar met Nylon 12 maar de productie van Rilsan is milieuvriendelijker. Ook de thermische bestendigheid is beter dan die van Nylon 12. Rilsan wordt toegepast in high-end applicaties zoals brandstof leidingen, slangen, flexibele olie en gas leidingen, sport schoenen, componenten voor elektronica, katheters etc. etc.

6.7.3 Sorona Sorona of PDO wordt geproduceerd uit 1,3 propaandiol dat wordt gemaakt uit hernieuwbare grondstoffen (maïs). Sorona wordt geproduceerd door Dupont en voor de productie van 1,3 propaandiol werkt Dupont samen met Tate and Lyle. Sorona wordt hoofdzakelijk toegepast in vezels voor bijvoorbeeld tapijt maar diverse andere toepassingen zijn ook mogelijk.

6.7.4 Hernieuwbaar polyetheen Naast de ontwikkeling van nieuwe polymeren op basis van hernieuwbare bouwstenen wordt ook gewerkt aan het maken van “bestaande” polymeren op basis van hernieuwbare grondstoffen. In Brazilië wordt de eerste fabriek gebouwd voor the productie van hernieuwbaar polyethyleen uit ethanol geproduceerd uit suikerriet. Productie van ethanol uit suikerriet is een bestaand product en proces. Dit ethanol kan worden omgezet in etheen en polyethyleen. De Braziliaanse producent Braskem verwacht eind 2009 een productiefaciliteit van maximaal 200.000 ton HDPE per jaar gereed te hebben. Voordeel van deze aanpak is dat niet een nieuw product in de markt wordt gezet maar toch een meer duurzaam plastic wordt geproduceerd.

6.7.5 PEIT PEIT is een voorbeeld van een materiaal waarbij hernieuwbare bouwstenen worden toegevoegd aan een bestaand materiaal. In dit geval wordt isosorbide, een suikerderivaat, toegevoegd aan PET. Doel van deze toevoeging is niet zozeer het maken van milieuvriendelijke materialen, maar het verhogen van de Tg en dus gebruikstemperatuur van PET. Aan deze ontwikkeling wordt gewerkt door Dupont en Roquette (Franse suikerproducent).


In fundamentele studies wordt binnen Dutch Polymer Institute (DPI) onderzoek gedaan naar vergelijkbare materialen. In deze studies maakt FBR hernieuwbare bouwstenen zoals isosorbide (derivaten) en furanen en worden deze door TU Eindhoven ingebouwd in polymeren.


31

Inventarisatie alternatieve oestersubstraten. Ir. F.H.J. Kappen

Recommend Documents