Bouwstenen van de biomassa. Chemie Modeltraject 1
Departement Biowetenschappen en Industriële Technologie Campus Schoonmeersen Professionele bachelor Chemie
Bouwstenen van de biomassa Inleiding: duurzaamheid
1e jaar professionele bachelor chemie Academiejaar 2020-2021 Auteurs: Van der heyden Christine Van Houdt Sara
Colofon Titel Bouwstenen van de biomassa Auteurs Van der heyden Christine Van Houdt Sara Illustraties Zie bronvermelding bij figuren Copyright Christine Van der heyden, Sara Van Houdt, 02/02/2021 Niets uit deze publicatie mag worden vermenigvuldigd of gebruikt voor andere doeleinden dan de oefeningen industriële biochemie, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de auteurs
Inhoud INLEIDING ............................................................................................................................................................................ 3 1 2 3 4 5
DUURZAAM ....................................................................................................................................................................... 3 PLANETAIRE GRENZEN .................................................................................................................................................. 3 DUURZAME ONTWIKKELINGSDOELSTELLINGEN ................................................................................................... 5 CIRCULAIRE ECONOMIE ................................................................................................................................................ 7 DE BIO GEBASEERDE ECONOMIE............................................................................................................................... 11
5.1 5.2 5.3 6 7
Wat is bio gebaseerde economie?...................................................................................................... 11 Soorten biomassa .......................................................................................................................................... 13 Rol van bio raffinage in bio gebaseerde economie ............................................................... 14
CHEMISCHE INDUSTRIE EN DE DUURZAME ONTWIKKELINGSDOELEN .........................................................16 BOUWSTENEN VAN DE BIOMASSA EN SDGS ...................................................................................................... 18
2
Departement Biowetenschappen en Industriële Technologie Campus Schoonmeersen Professionele bachelor Chemie
Bouwstenen van de biomassa Luik Biologie
1e jaar professionele bachelor chemie Academiejaar 2020-2021 Auteurs: Van der heyden Christine Van Houdt Sara
Biologie
1PB Chemie
Inhoud HFST. 1 1 2 3 4 5 6 7
ONTSTAAN VAN HET LEVEN ................................................................................................................. 5
VISIE OP HET HEELAL ..................................................................................................................................................... 5 DE ‘BIG BANG’ ................................................................................................................................................................. 5 HET ONTSTAAN VAN DE AARDE ................................................................................................................................. 6 DRIE SOORTEN GESTEENTEN ...................................................................................................................................... 7 DE PROEF VAN MILLER EN HET ONTSTAAN VAN ORGANISCHE MOLECULEN .............................................. 8 DE EERSTE CELLEN ......................................................................................................................................................... 11 WAT IS ‘LEVEN’? ............................................................................................................................................................. 13
HFST. 2 VAN OERBACTERIE NAAR PROKARYOOT NAAR EUKARYOOT ...................................... 15 1 2 3 4
DE GEOLOGISCHE TIJDSCHAAL ................................................................................................................................. 15 DE ARCHAEABACTERIA OF OERBACTERIËN ..........................................................................................................16 DE CYANOBACTERIA OF BLAUWWIEREN EN HUN ROL IN HET VERANDEREN VAN DE ATMOSFEER. . 17 DE ENDOSYMBIOSETHEORIE EN HET ONTSTAAN VAN DE EUKARYOTEN .................................................... 18
HFST 3. HET ORGANISEREN VAN DE DIVERSITEIT VAN LEVEN ...................................................... 20 1 2 3 4
HET GROEPEREN VAN SOORTEN: DE BASISIDEE ................................................................................................ 20 DE DRIE DOMEINEN VAN HET LEVEN .................................................................................................................... 24 AUTOTROOF – HETEROTROOF - CHEMOTROOF .................................................................................................. 25 CELCULTUUR EN MODELORGANISMEN..................................................................................................................26
4.1 Dierlijke celcultuur ...................................................................................................................................... 27 4.2 Plantenweefselcultuur ............................................................................................................................. 28 4.3 Escherichia coli ..............................................................................................................................................29 4.4 Dictyostelium discoideum .................................................................................................................... 30 4.5 Arabidopsis thaliana ................................................................................................................................... 32 4.6 Caenorhabditis elegans ........................................................................................................................... 33 4.7 Drosophila melanogaster ...................................................................................................................... 34 4.8 Mus musculus ................................................................................................................................................. 35 4.9 De Zebravis Danio rerio ............................................................................................................................ 36 Werken met de huismuis heeft vele voordelen, maar onderzoekers ondervonden toch nog tal van nadelen. Zo reproduceren muizen zich wel snel, maar het is toch 3 maanden wachten op de gewenste jongen. Bovendien ziet men niet hoe een embryo zich ontwikkelt en moeten moederdieren opgeofferd worden om deze embryonale ontwikkeling op te volgen. ....................................................................................................................................36 HFST. 4 DE CEL: FUNDAMENTELE EENHEID VAN LEVEN ................................................................... 39 1 2
DE PROKARYOTE EN EUKARYOTE CEL....................................................................................................................39 EEN RONDGANG IN DE EUKARYOTE CEL .............................................................................................................. 40
2.1 2.2 2.3 HFDST 5. 1
DE CELCYCLUS ..................................................................................................................................... 79
CELDELING RESULTEERT IN GENETISCH IDENTIEKE DOCHTERCELLEN ....................................................... 80
1.1 1.2 1.3 2
Het verschil tussen plantaardige en dierlijke cellen............................................................. 40 De celkern of nucleus: het informatiecentrum ....................................................................... 42 De ribosomen: de eiwitfabrieken ...................................................................................................... 43
Cellulaire organisatie van het genetisch materiaal ............................................................... 81 Verspreiding van chromosomen gedurende eukaryote celdeling ............................ 82 De mitotische fase wisselt af met de interfase in de celcyclus ..................................... 84
MEIOSE EN SEXUELE LEVENSCYCLI ........................................................................................................................ 94
2.1
Nakomelingen hebben genen van ouders door erven van chromosomen ..........95
Pagina 3 van 129
Biologie
1PB Chemie
2.2 2.3 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
BEVRUCHTING EN MEIOSE WISSELEN ELKAAR AF IN SEXUELE LEVENSCYCLI ............................................97 MEIOSE REDUCEERT HET AANTAL CHROMOSOMENSETS VAN DIPLOÏD NAAR HAPLOÏD ..................... 103 DIFFERENTIATIEPROCESSEN MET VORMING VAN TAL VAN WEEFSELS IN PLANTEN EN DIEREN .......109 PLASTISCHE PLANTEN?.............................................................................................................................................109 HET PLANTENLICHAAM HEEFT EEN HIËRARCHIE VAN ORGANEN, WEEFSELS EN CELLEN ..................... 111 DERMALE, VASCULAIRE EN GRONDWEEFSELS................................................................................................... 117 ALGEMENE PLANTENCELTYPES ............................................................................................................................... 119 VAN ZYGOTE NAAR GESPECIALISEERDE WEEFSELS: OVER DIFFERENTIATIE EN DETERMINATIE EN MORFOGENESE ...................................................................................................................................................................... 128
Pagina 4 van 129
Faculteit Natuur en Techniek Campus Schoonmeersen Professionele bachelor Chemie
Bouwstenen van de biomassa Luik Biochemie
1e jaar professionele bachelor chemie Academiejaar 2020-2021 Auteur:
Van Houdt Sara
Inhoud LUIK BIOCHEMIE ............................................................................................................................................................. 5 HFST. 1 INLEIDING TOT DE BIOCHEMIE ........................................................................................................... 6 1
BIOMOLECULEN .............................................................................................................................................................. 6
1.1 1.2 1.3 1.4 2
Bouwstenen van macromoleculen .................................................................................................... 6 Biologische polymeren ............................................................................................................................... 8 Lipiden ................................................................................................................................................................. 10 3D-structuur .................................................................................................................................................... 10
ENERGIE EN METABOLISME ......................................................................................................................................... 11
2.1 2.2 2.3 2.4
Cellen ...................................................................................................................................................................... 11 Metabole pathways ...................................................................................................................................... 12 ATP als universele drager van energie ............................................................................................ 13 Geactiveerde carriers in metabole pathways ............................................................................ 14
HFST. 2 CHEMIE IN WATERIGE OMGEVING .................................................................................................. 19 1 2
INLEIDING .........................................................................................................................................................................19 NIET-COVALENTE INTERACTIES .................................................................................................................................19
2.1 2.2 2.3 2.4 3
H-bruggen .........................................................................................................................................................19 Elektrostatische interacties .................................................................................................................... 21 Van der Waals interacties ....................................................................................................................... 22 Hydrofoob effect ........................................................................................................................................... 23
PH EEN BELANGRIJKE PARAMETER IN BIOLOGISCHE SYSTEMEN .................................................................. 25
3.1 3.2
Ionisatie van water, zwakke zuren en basen .............................................................................. 25 Bufferen van pH veranderingen ........................................................................................................ 28
HFST. 3 EIWITTEN ....................................................................................................................................................... 30 1 2
INLEIDING ....................................................................................................................................................................... 30 AMINOZUREN ................................................................................................................................................................ 30
2.1 2.2 2.3 3
PRIMAIRE STRUCTUUR VAN EIWITTEN .................................................................................................................... 41
3.1 3.2 4
Het planaire karakter van de peptidebinding .......................................................................... 44 Rotaties rond de bindingen in een polypeptide ..................................................................... 44 Αlpha-helix-structuur ................................................................................................................................ 45 Beta-vouwbladstructuur ........................................................................................................................ 47 Bochten en lussen ...................................................................................................................................... 48
TERTIAIRE EN QUATERNAIRE STRUCTUUR VAN EIWITTEN ............................................................................... 49
5.1 5.2 6
Peptidebinding .............................................................................................................................................. 41 Lading van peptiden ................................................................................................................................. 43
SECUNDAIRE STRUCTUUR VAN EIWITTEN ............................................................................................................ 44
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5
Algemene eigenschappen .................................................................................................................... 30 20 proteïnogene aminozuren ..............................................................................................................36 Niet proteïnogene aminozuren .......................................................................................................... 41
Fibrillaire eiwitten........................................................................................................................................ 50 Globulaire eiwitten ..................................................................................................................................... 50
DENATURATIE VAN EIWITTEN................................................................................................................................... 50
3
6.1 6.2 7
Denaturatie door fysische factoren ................................................................................................... 51 Denaturatie door chemische factoren ........................................................................................... 52
INDUSTRIËLE TOEPASSINGEN VAN EIWITTEN ....................................................................................................... 53
7.1 7.2
Enzymen ............................................................................................................................................................ 53 Structurele eiwitten: spinnenrag ....................................................................................................... 57
HFST. 4 KOOLHYDRATEN ....................................................................................................................................... 60 1 2
INLEIDING ....................................................................................................................................................................... 60 MONOSACHARIDEN .................................................................................................................................................... 60
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3
POLYSACHARIDEN ....................................................................................................................................................... 74
3.1 3.2 3.3 3.4 4
Classificatie en stereochemie .............................................................................................................. 60 Aldosen................................................................................................................................................................62 Ketosen ...............................................................................................................................................................63 Configuratie en conformatie ................................................................................................................63 Suikerderivaten............................................................................................................................................. 70 Disachariden................................................................................................................................................... 74 Opslagmoleculen .........................................................................................................................................76 Structurele polysachariden ................................................................................................................... 78 Nomenclatuur van polysachariden ................................................................................................. 80
GLYCOPROTEÏNEN ........................................................................................................................................................ 81
HFST. 5 LIPIDEN........................................................................................................................................................... 83 1 2
INLEIDING ........................................................................................................................................................................83 LIPIDEN ALS OPSLAGMOLECULEN ...........................................................................................................................83
2.1 2.2 2.3 3
Vetzuren .............................................................................................................................................................83 Triglyceriden ....................................................................................................................................................85 Wassen ............................................................................................................................................................... 86
STRUCTURELE LIPIDEN ............................................................................................................................................... 86
3.1 3.2 3.3
Fosfolipiden ..................................................................................................................................................... 87 Glycolipiden.......................................................................................................................................................91 Sterolen ...............................................................................................................................................................93
HFST. 6 NUCLEÏNEZUREN...................................................................................................................................... 95 1 2 3 4
INLEIDING ........................................................................................................................................................................ 95 NUCLEOSIDEN EN NUCLEOTIDEN ............................................................................................................................ 95 NUCLEÏNEZUREN ......................................................................................................................................................... 98 STRUCTUUR VAN NUCLEÏNEZUREN ........................................................................................................................ 99
4.1 4.2 5
DNA structuur ............................................................................................................................................... 99 RNA structuur .............................................................................................................................................. 100
CHEMISCHE EIGENSCHAP VAN NUCLEÏNEZUREN .............................................................................................. 101
BRONNENLIJST LUIK BIOCHEMIE/INLEIDING ........................................................................................... 104
4
Departement Biowetenschappen en Industriële Technologie Campus Schoonmeersen Professionele bachelor in Chemie
Bouwstenen van de biomassa – microbiologie deel 1
1e jaar professionele bachelor chemie Academiejaar 2020-2021 Auteurs: Messens Ann Van der Heyden Christine Van Houdt Sara
1
Inhoud Luik microbiologie 1. Inleiding tot de microbiologie
4
1.1 Inleiding
4
1.2 Studie van de micro-organismen
10
1.2.1 Microscopie
10
1.2.1.1 Lichtmicroscopie
10
1.2.1.2 Elektronenmicroscopie
11
1.2.2 Kweken van micro-organismen
13
1.2.3 Moleculaire biologie en fylogenie
17
2. Microbiële celstructuur
19
2.1 Celmorfologie in Bacteria en Archaea
19
2.2 Celmembranen en celwand
23
2.2.1 Celmembraan bij Bacteria
23
2.2.2 Celmembraan bij Archaea
24
2.2.3 Functies van celmembranen
24
2.2.4 Celwand
25
2.2.4.1 Peptidoglycaan
25
2.2.4.2 Celwand G+ en G- bacteriên
26
2.2.4.3 Celwand bij Archaea
27
2.3 Structuren aan celoppervlak en inclusies
30
2.3.1 Kapsels en slijmlagen
30
2.3.2 Pili en fimbriae
31
2.3.3 Celinclusies en endosporen
32
2.4 Celbeweging
37
2.4.1 Flagellen en archaella
38
2.4.2 Glijdende motiliteit
39
2.4.3 Chemotaxis
39
2.5 Eukaryote microbiële cellen 2.5.1 Eukaryote microbiële celmembraan en celwand
40 40
2
2.5.2 Flagella en cilia 3 Microbiële groei
41 42
3.1 Celdeling en populatiegroei
42
3.2 Groeibehoeften
43
3.2.1 Nutriënten
43
3.2.2 Groeifactoren
43
3.2.3 Nutritionele types van micro-organismen
44
3.2.4 Invloed van omgevingsfactoren
45
3.2.4.1 Water en opgeloste stoffen
45
3.2.4.2 pH
47
3.2.4.3 Temperatuur
48
3.2.4.4 Zuurstof
50
3.3 Groeicurve en meten van groei
56
3.3.1 Groeimedia en omgevingsfactoren
56
3.3.2 Fasen in een groeicurve
57
3.3.3 Meten van groei
59
3.3.3.1 Microscopisch tellen van celaantal
59
3.3.3.2 Viable cell count of bepaling van het aantal levende cellen
61
3.3.3.3 Turbiditeitsmetingen
63
3.4 Antimicrobiële agentia
64
3.4.1 Terminologie
64
3.4.2 Factoren die effectiviteit beïnvloeden
64
3.4.3 Fysische agentia
65
3.4.3.1 Hitte
65
3.4.3.2 Elektromagnetische trillingen
65
3.4.3.3 Filtratie
65
3.4.3.4 Radiatie
66
3.4.4 Chemische agentia
66
3.4.4.1 Chemische ontsmettingsmiddelen
66
3.4.4.2 Chemotherapeutica
68
3
Deel 2 4 Genetische variatie in bacteria
70
4.1 Mutaties en variaties
70
4.2 Genetische recombinatie
73
4.3 Transformatie
73
4.4 Transductie
74
4.5 Conjugatie
76
4.6 Vorming van Hfr stammen en chromosoom mobilisatie
79
5 Virussen
83
5.1 Wat is een virus
83
5.2 Structuur van een virus
83
5.3 Levenscyclus van een virus
87
5.4 Levenscyclus van een T4-bacteriofaag
88
5.5 Lysogene en lytische cycli
91
5.6 Cultuur, detectie en tellen van virussen
93
5.6.1 Cultuur van bacteriofagen
93
5.6.2 Tellen van bacteriofagen
94
6 Fungi
96 6.1 Belang van fungi
96
6.2 Morfologie
98
6.3 Reproductie
99
6.3.1 Aseksuele reproductie
99
6.3.2 Seksuele reproductie
100
6.3.3 Reproductie van Zygomycota
102
6.3.4 Reproductie van Ascomycota
107
6.3.5 Reproductie van Basidiomycota
115
4
Inleiding 1
Het begrip ‘duurzaam’ ‘Duurzaam’ heeft volgens de Van Dale betekenissen, afhankelijk van de context.
woordenboek
verschillende
•
Lang durend
•
Weinig aan slijtage of bederf
•
Het milieu weinig belastend: bv duurzame energiebronnen, duurzaam produceren.
Toch blijven deze omschrijvingen vaag en geven ze niet echt een antwoord op wat ‘duurzaam’ precies is. De Verenigde Naties hebben in 1983 een commissie opgericht (World commission on environment and development) onder leiding van de toenmalig Noorse premier Brundtland. Het Brundtland rapport (1987) dat daaruit voortvloeide, omschreef duurzame ontwikkeling als ‘een ontwikkeling die tegemoetkomt aan de noden van het heden zonder de behoeftevoorziening van de toekomstige generaties in het gedrang te brengen’. Op deze manier bevat het twee sleutelelementen: “noden” en “beperkingen”. •
De noden van de armen moeten een prioriteit vormen.
•
Er zijn beperkingen die de samenleving en onze technologie op het gebruik van onze leefomgeving moeten plaatsen
De betekenis gaat dus verder dan ‘lang meegaan’ en komt neer op een holistische visie die de aarde leefbaar wil houden voor het nageslacht. Dit omvat een gezond milieu, vervanging van een economie die grondstoffen uitput naar een circulaire economie of een economie die ze recycleert (kringloopeconomie), een maatschappij en een economie die rekening houdt met iedereen.
2
Planetaire grenzen Het concept van de planetaire grenzen stelt een reeks van negen planetaire grenzen voor waarbinnen de mensheid zich kan blijven ontwikkelen en gedijen voor de komende generaties, dus op een duurzame manier. Deze grenzen werden in 2009 door een groep van 28 internationaal gerenommeerde wetenschappers opgesteld. Het doel was vooral om op een wetenschappelijke manier de impact van bepaalde factoren in beeld te brengen. Zolang we als mensheid binnen de 3
opgelegde kwantitatieve grenzen blijven, is de planeet veerkrachtig genoeg om op een duurzame wijze verder te bestaan. Wanneer een grens sterk overschreden wordt, kan een kantelpunt ontstaan waarbij we in een fundamenteel andere staat van de planeet terechtkomen die onomkeerbaar is. In 2015 werd een update van dit onderzoek gepubliceerd in Science (Steffen et al., 2015). Per grens werden in dit overzicht drie zones getoond: de groene zone is de veilige zone waarin we ons in een ideaal geval bevinden, de gele zone brengt onzekerheid met zich mee en een vergroot risico op negatieve gevolgen. Een overschrijding van de gele zone, uit zich in de oranje vakjes op de figuur en brengt een groot risico met zich mee voor negatieve gevolgen voor de planeet en voor ons welbevinden. Op de figuur is ook te zien dat we in 2015 reeds 4 veilige (groene) grenzen overschreden hebben. Zo verdwijnen te veel plant- en diersoorten permanent van de planeet en wordt grond te vaak omgezet naar landbouwgrond. Ook de stikstof- en fosfaatemissies in de vorm van mest en kunstmest zijn wereldwijd te hoog, net zoals de uitstoot van CO2 in de atmosfeer, wat zich uit in klimaatopwarming.
Figuur 1 Status van de controle variabelen van de planetaire grenzen in 2015 (Steffen et al., 2015)
4
3
Duurzame ontwikkelingsdoelstellingen Terwijl het opstellen van planetaire grenzen, en het nagaan van de ecologische voetafdruk van een persoon of land vooral het bewustzijn aanwakkert (bij wetenschappers, politici en de bevolking), zijn concrete acties noodzakelijk om werkelijke verandering teweeg te brengen. In 2015 ondertekenden bijna 200 lidstaten van de Verenigde Naties de SDGs (Duurzame Ontwikkelingsdoelstellingen - Sustainable Development Goals), wat de opvolger zijn van de Millenniumdoelstellingen. De ‘agenda 2030 voor Duurzame Ontwikkeling’ uit zich concreet in 17 doelstellingen of SDGs, met 169 subdoelen. Terwijl de 8 Millenniumdoelstellingen vooral betrekking hadden op de bestrijding van armoede en voornamelijk bedoeld waren voor ontwikkelingslanden, zijn de opvolgers -de SDGs- veel ambitieuzer en gelden ze voor iedereen: zowel ontwikkelingslanden als rijke (Westerse) landen. Het bereiken van de doelstellingen moet een einde maken aan armoede, zorgen voor de bescherming van de planeet, voor innovatie, voor een duurzame consumptie en productie, en voor het verzekeren dat alle mensen vrede en welzijn ervaren.
Figuur 2 Schematische weergave van de 17 duurzame ontwikkelingsdoelen ("Sustainable Development Goals," 2020) De duurzame ontwikkelingsdoelen zijn dus afspraken die door alle betrokkenen goedgekeurd zijn. Voor alle lidstaten heeft dit gevolgen op beleid en bedrijfsvoering. Dit maakt dat iedere sector (overheid, bedrijf, onderwijs, …) zijn beleid afstemt op het werken aan deze doelstellingen. De informatie in deze syllabus is hoofdzakelijk afkomstig van websites die deze doelstellingen omschrijven ("Biobased economy," 2020; "Catalisti," 2020; "Duurzame 5
ontwikkeling in Belgie," 2020; "International Council of Chemical Association," 2020; OVAM, 2020; "SDGs: Sustainable Development Goals Knowledge Platform," 2020; "Sector SDG Roadmaps," 2020; "What is a biobased economy?," 2020) De SDGs kunnen onderverdeeld worden in vijf grote thema’s (5P’s): mensen (People), planeet (Planet), welvaart (Prosperity), vrede (Peace) en partnerschap (Partnership). De eerste jaren aan ervaringen met het gebruik van de SDG's in het Vlaamse bedrijfsleven wezen op 'cherry picking', of 'rainbow dressing'. Om te voorkomen dat bedrijven of organisaties hun realisaties opfleuren met de kleuren van meerdere SDG-icoontjes naar keuze, is het belangrijk om ze systematisch te implementeren in het kader van een duurzaamheidsstrategie. Daarvoor dienen bedrijven of organisaties hun strategie af te stemmen op alle SDG's. Om de SDG's in de beleidsvoering te integreren dienen ze minimaal afkomstig te zijn uit elk van de 5 groepen SDG's afkomstig zijn (people, planet, profit, peace en partnership).
Figuur 3 Schematische weergave van de 5 categorieën die belangrijk zijn in duurzame ontwikkeling ("Sociale ondernemingen aan de slag met de Sustainable Development Goals | Sociale Economie," 2019) Mensen (SDG 1 tem 5): Er moet een einde komen aan armoede en honger, in al hun vormen en dimensies en alle mensen moeten hun potentieel ten volle kunnen ontwikkelen in waardigheid en gelijkheid en in een gezonde omgeving 6
Planeet (SDG 6, 12 tem 15): De planeet moet tegen aftakeling beschermd worden, onder meer door duurzame consumptie en productie, waarbij haar natuurlijke hulpbronnen duurzaam beheerd worden en er dringend actie tegen klimaatverandering wordt ondernomen zodat de planeet kan voldoen aan de behoeften van huidige en toekomstige generaties. Welvaart (SDG 7 tem 11): Alle mensen moeten een voorspoedig en bevredigend leven kunnen leiden en economische, sociale en technologische vooruitgang moet zich voordoen in harmonie met de natuur. Vrede (SDG 16): Er moeten vreedzame, rechtvaardige en inclusieve maatschappijen worden opgebouwd die vrij zijn van angst en geweld. Er kan geen duurzame ontwikkeling zijn zonder vrede en er kan ook geen vrede zijn zonder duurzame ontwikkeling. Partnerschap (SDG 17): De middelen die nodig zijn om de doelstellingen te behalen, moeten gemobiliseerd worden via een vernieuwd mondiaal partnerschap voor duurzame ontwikkeling, dat op het idee van een versterkte mondiale solidariteit gebaseerd is, dat in het bijzonder op de behoeften van de armsten en meest kwetsbaren toegespitst is en waaraan alle landen, belanghebbenden en volkeren samenwerken. Met ons eigen HOGENT onderzoekscentrum, ‘Health and Water Technology’, willen we een bijdrage leveren aan, en een impact creëren op, alle 5 categorieën. Zo doen we onderzoek naar het gebruik van fagen in kader van infectiebestrijding (vb. SDG 3), we onderzoeken waterkwaliteit en hoe we deze kunnen verbeteren alsook bestuderen we de aquatische biodiversiteit (SDGs 6 en 14). We gaan na hoe we het energieverbruik van aerobe waterzuiveringen kunnen verbeteren en water hergebruik mogelijk kunnen maken (SDG 9), en dit alles doen we in samenwerking met lokale partners, maar ook met partners in het zuiden (SDG 17). Bij dit alles wordt inclusief gewerkt (SDG 16).
4
Circulaire economie Tegen 2050 leven we met 9,7 miljard mensen op de aarde. Dat betekent: meer consumptie en meer productie. Maar tegelijk komen het klimaat en de natuurlijke grondstoffen onder druk.
7
Onderstaande figuur geeft weer hoe lang enkele belangrijke grondstoffen nog zullen meegaan. Als het grondstof gebruik aan het huidige tempo blijft groeien, hebben we in 2050 nog enkel kolen en aardmetalen over.
Figuur 4 Tijd dat grondstoffen nog zullen meegaan ("Infografieken - Vlaanderen Circulair," 2020) Kijken we naar water als grondstof (fig. 5), dan zien we dat België (rode pijl in fig. 5) een land is met regelmatig watertekort. Volgens de grafiek steken we nét uit boven de grens van chronisch water tekort. Dit zijn bedenkelijke resultaten als men België ziet als het kleine, natte landje. De verklaring ligt enerzijds aan de dichte bevolkingsgraad die we (vooral Vlaanderen) kennen. Bovendien kennen we de laatste jaren meer droogteperiodes en valt de regen, door klimaatsverandering, veel onregelmatiger. Om dit watertekort op te vangen, dienen we het water zoveel als mogelijk te bufferen door het creëren van infiltratiemogelijkheden in de bodem, het watergebruik te rationaliseren én waterhergebruik te stimuleren.
8
Figuur 5 Oplijsting van landen volgens de hun beschikbare hoeveelheid zoetwater (https://www.futurelearn.com/info/courses/sustainability-society-andyou/0/steps/4625). In het kader van duurzame ontwikkeling betekent dit concreet dat we moeten overgaan van een lineaire economie naar een circulaire economie.
Figuur 6 De basisprincipes van lineaire, recyclage en circulaire economie ("Infografieken - Vlaanderen Circulair," 2020)
9
•
De lineaire economie kan je vergelijken met een doodlopende straat met eenrichtingsverkeer. Van grondstof naar product tot aan de afvalberg.
•
De recyclage economie is gelijkaardig, maar daarbij wordt een gedeelte van je product (bepaalde grondstoffen) hergebruikt, alvorens het op de afvalberg terecht komt.
•
De circulaire economie probeert materialen en producten zo hoogwaardig mogelijk te blijven inzetten in de economie. Het doet meer dan enkel recycleren van materialen. Doordat de grondstoffen steeds opnieuw ingezet worden, kan je het vergelijken met het oneindig blijven rijden op een rotonde.
Bij een transitie naar een circulaire economie, worden grondstoffen niet telkens opnieuw uit de aarde gehaald, maar blijven ze maximaal in de economie. Dit gebeurt door een efficiënt en slim materiaalgebruik, met de voorkeur voor herbruikbare grondstoffen. Circulaire economie gaat dus over meer dan recycleren. Het is ook het fundamenteel herdenken van producten en systemen: slim design, levensloopverlenging, herbruikbaarheid, demonteerbaarheid voor herstel en vervanging, product-dienstcombinaties invoeren, andere consumptiemodellen ondersteunen gebaseerd op gedeeld gebruik ... Onderstaande figuur stelt de circulaire economie schematisch voor. Concreet is de circulaire economie een economisch en industrieel systeem dat de herbruikbaarheid van producten en grondstoffen en het herstellend vermogen van natuurlijke hulpbronnen als uitgangspunt neemt. Waarde vernietiging in het totale systeem wordt geminimaliseerd en waarde creatie in iedere schakel van het systeem wordt nagestreefd. De technologische (rechts) en biologische (links) materialen en componenten worden zo lang mogelijk binnen het systeem in omloop gehouden. Dit systeem werkt volgens volgende principes: •
Natuurlijk kapitaal behouden en verbeteren door eindige voorraden te controleren en hernieuwbare grondstofkringlopen te balanceren.
•
Opbrengsten van hulpbronnen optimaliseren door producten, componenten en materialen te laten circuleren in technische en biologische cycli op het hoogste niveau van gebruik.
•
Systeemeffectiviteit bevorderen door negatieve externaliteiten bloot te leggen en uit het ontwerp te bannen.
10
Figuur 7 De vlindergrafiek van de circulaire economie ("Infografieken Vlaanderen Circulair," 2020)
5
De bio gebaseerde economie
5.1
Wat is bio gebaseerde economie? De bio gebaseerde economie is het deel van de ruimere bio-economie waarin bio gebaseerde producten gemaakt worden. Het kan hier gaan over bio gebaseerde activiteiten in de chemie, textielindustrie, farmaceutische industrie, houtverwerkende industrie, bouwsector, etc. De productie van voeding en veevoeder maken deel uit van de bio-economie, maar niet van de bio gebaseerde economie. De bio gebaseerde economie duidt op de overgang van een economie die draait op fossiele grondstoffen naar een economie die draait op biomassa als grondstof: van ‘fossil based’ naar ‘bio based’. Het slim gebruik maken van biomassa is heel belangrijk. Centraal staat de vraag: hoe kunnen we biomassa zo waardevol mogelijk inzetten in onze economie? •
De preventie van (voedsel)verlies en de inzet voor menselijke voeding zijn de beste pistes.
•
Als je ook met een economische bril kijkt (wat levert het meeste toegevoegde waarde), dan krijgen fijnchemicaliën (= niche-producten in kleine volumes) en farmacie uit biomassa ook een prominente plek.
•
Storten is de minst aangewezen optie. 11
Deze afweging wordt weergegeven in de onderstaande cascade van waardebehoud:
Figuur 8 Cascade van het waardebehoud van biomassa ("Infografieken Vlaanderen Circulair," 2020) Deze cascade van de biomassa wordt ook vaak weergegeven als een waarde piramide. Deze piramide toont bovenaan producten die een hoge toegevoegde waarde hebben, maar het aandeel is beperkt in volume. Dit zijn de producten die voorrang moeten krijgen op de rest van de piramide. Hoe lager in de piramide, hoe lager de toegevoegde waarde, maar hoe groter het aandeel aan biomassa dat daarvoor in aanmerking komt.
Figuur 9 Waarde piramide van biomassa (Marcheti & Padula, 2017)
12
5.2
Soorten biomassa Biomassa kan worden gedefinieerd als "de biologisch afbreekbare fractie van producten, afvalstoffen en residuen van de landbouw (met inbegrip van plantaardige en dierlijke producten), de bosbouw en aanverwante bedrijfstakken, met inbegrip van de visserij en de aquacultuur, alsmede de biologisch afbreekbare fractie van industrieel en huishoudelijk afval". ("What is a biobased economy?," 2020) Tabel 1 Soorten biomassa ("What is a biobased economy?," 2020) Supply sector
Type
Example
Forestry
Dedicated forestry
Short rotation plantations (e.g. willow, poplar, eucalyptus)
Forestry by-products
Pellets, wood blocks, wood chips form thinnings, branches, stumps
Dry lignocellulosic energy crops
Herbaceous crops (e.g. miscanthus, reed canary grass, giant reed, switch grass, hemp, flax, bamboo)
Oil, sugar and starch energy crops
Oil seeds for methylesters (e.g. rape seed, sunflower)
Agriculture
Sugar crops for ethanol (e.g. sugar cane, sweet sorghum) Starch crops for ethanol (e.g. maize, wheat) Agricultural residues
Straw, leaves, prunings from vineyards and fruit trees
Livestock waste
Wet and dry manure
Industry
Industrial residues
Industrial waste wood, sawdust from sawmills Fibrous waste from paper industries Organic waste from food and agro industry
Waste
Dry lignocellulosic
Residues from parks and gardens (e.g. prunings, grass)
Contaminated waste
Demolition wood Organic fraction of municipal solid waste Biodegradable landfilled waste, landfill grass Sewage sludge
13
Met andere woorden, biomassa is elk materiaal van organische oorsprong en kan zeer divers zijn, bijvoorbeeld hout, stro, plantaardige olie, mest, agroindustrieel afval, organisch afval, enz. Het is alomtegenwoordig en op het eerste gezicht zou men kunnen concluderen dat het vrij gemakkelijk beschikbaar is. Biomassa heeft altijd een natuurlijke oorsprong, is biologisch afbreekbaar en is bij duurzaam gebruik volledig hernieuwbaar. Maar tegelijkertijd is biomassa een zeer veelzijdige grondstof, met een grote diversiteit in samenstelling en grootte, en dus met een hoge variabiliteit in verwerking en kosten.
5.3
Rol van bioraffinage in bio gebaseerde economie Door bioraffinage kunnen verschillende componenten uit biomassa worden vrijgemaakt met een minimale afvalproductie. Na de raffinage krijgen de verschillende componenten een eigen toepassing en dus een eigen economische waarde, vaak verspreid over de verschillende treden van de waardepiramide. Hierdoor kan biomassa een hogere economische waarde krijgen dan zonder deze scheiding in componenten.
Figuur 10 Biobased economie en de plaats van bioraffinage ("Bioraffinage," 2020) 14
Bioraffinage is dus het proces omvat verschillende stappen: •
Voorbehandeling, waarbij de biomassa mechanisch, fysico-chemisch, thermisch of enzymatisch behandeld wordt. Het doel is om de toegang tot aanwezige componenten te vergemakkelijken
•
Na de voorbehandeling kunnen omzettingsprocessen ervoor zorgen dat zinvolle basisbouwstenen ter beschikking komen. Vaak wordt hier gebruik gemaakt van enzymen (biokatalyse), organismen (fermentatie) of chemische omzettingen ((groene) chemie).
•
Finaal zal een opzuiveringsproces ervoor zorgen dat verschillende componenten van elkaar gescheiden kunnen worden.
Figuur 11 Verschillende stappen in bioraffinage ("BioBase Europe Pilot Plant Technologies," 2020) In heel de wereld worden initiatieven ondersteund om te innoveren en bij te dragen aan circulaire en bio gebaseerde economie waar de basisbouwstenen voor chemicaliën, materialen en vooruitstrevende biobrandstoffen afkomstig zijn van hernieuwbare biologische hulpbronnen. Er zijn daarbij een aantal belangrijke aandachtspunten: •
Het ontwikkelen van nieuwe bioraffinage technologieën
•
Het optimaliseren van het duurzaam en efficiënt gebruik van grondstoffen
•
Het optimaliseren van het landgebruik
•
Afvalvrij gebruik van hernieuwbare grondstoffen voor industriële verwerking tot een breed scala aan bio gebaseerde producten: chemicaliën, materialen, voedingsingrediënten, veevoer, energie en geavanceerde biobrandstoffen.
15
6
Chemische industrie en de duurzame ontwikkelingsdoelen Ook de chemische industrie stelt zijn missie af op het bereiken van duurzame ontwikkelingsdoelen. De Europese raad voor chemische industrie (The European Chemical Industry Council, Cefic) heeft een charter opgesteld waarin ze beschrijven hoe ze vanuit hun industrie kunnen bijdragen aan duurzame innovaties. Ze focussen daarbij op 4 werkgebieden:
Figuur 12 Focus van chemie industrie Cefic charter ("ChemistryCAN," 2020) •
Create low carbon solutions De chemische industrie heeft de laatste 30 jaar de emissie van broeikasgassen al met 60% verlaagd. Chemie kan ook in andere sectoren helpen om hun ecologische voetafdruk te verlagen. Technologie uit chemische industrie zou tussen 2017 en 2030 de energie-efficiëntie 20X kunnen verhogen.
•
Conserve Resources Aandacht wordt besteed aan het efficiënter gebruik van grondstoffen en het verminderen van afval. De chemische sector zoekt manieren om neven- en afvalstromen om te zetten in nieuwe materialen.
•
Connect to circular economy De chemische industrie is een drijvende kracht achter circulaire economie. In de 21ste eeuw is design zo uitgedacht dat producten nooit tot afval gereduceerd worden. Het recycleren of herbruiken van materialen is vaak gebaseerd op chemische processen.
•
Care for people and planet De chemische industrie waakt erover dat het milieu en de werknemers niet worden blootgesteld aan schadelijke niveau’s van chemicaliën. 16
Catalisti is een organisatie die, ondersteund door de Vlaamse overheid, innovatie en duurzaamheid wil katalyseren bij de chemie- en kunststofbedrijven. Ze ondersteunen het onderzoek naar alternatieve of bio gebaseerde grondstoffen, meer energie-efficiëntie en het hergebruik van afval- en nevenstromen in een circulaire economie. Daarbij worden 4 pistes gevolgd: •
Inzetten op hernieuwbare grondstoffen
•
Opwaardering van nevenstromen
•
Duurzame processen ontwikkelen
•
Innovatieve duurzame materialen ontwikkelen
In 2020 werd in Antwerpen op het klimaatneutrale bedrijventerrein Blue Gate Antwerp een incubator BlueChem geopend in samenwerking met industrie, overheid en kennisinstellingen (o.a. Catalisti, Essencia, VITO, chemiebedrijven…). Deze incubator wil groeibedrijven ondersteunen in de ontwikkeling van duurzame innovaties. De Vlaamse onderzoeksinstellingen, waaronder UGent maar ook de onderzoekscentra van HOGENT, spelen in op de nood om over te stappen naar Bio gebaseerde economie. Zo verenigt het ‘Re-Source.bio international thematic network’ meer dan 40 onderzoeksgroepen rond de bio gebaseerde segmenten van de circulaire economie. Men heeft als doel om de cirkels te sluiten en de bio gebaseerde grondstofbronnen op te waarderen. Dit ITN bestaat uit verschillende werkgroepen:
Figuur 13 schematische weergave van de 6 verschillende werkgroepen binnen het ITN Re-Source.Bio (https://www.re-source.bio/about-us, 2021)
17
7
Bouwstenen van de biomassa en SDGs In het vak ‘bouwstenen van de biomassa’ willen we de basis leggen voor het bijdragen aan de circulaire, duurzame economie.
Figuur 14 Concept van bio gebaseerde economie (Berger, 2013) Het luik biologie geeft jullie een inzicht in classificatie van organismen, typische kenmerken, en de basis van groei en celdeling. Dit luik is dus een belangrijke basisbron voor inzichten in soorten biomassa. Het luik biochemie leert jullie de basischemie van biomoleculen. Hierin worden karakteristieke kenmerken van biomoleculen duidelijk. Dit is nodig om zinvolle componenten uit biomassa te erkennen en een inzicht te verwerven in hoe deze geproduceerd of opgezuiverd kunnen worden. Tot slot zijn heel wat conversieprocessen vaak de basis voor de productie van zinvolle chemicaliën, dit kan chemisch gebeuren, maar ook door middel van bio-katalyse (= enzymatisch = biochemie) of door middel van fermentatie m.b.v. micro-organismen (luik microbiologie). Naast het belang in fermentatie en bioconversie processen, zijn micro-organismen vaak ook zinvol in voorbehandelingsprocessen, waarbij ze in staat zijn om biochemische componenten vrij te stellen.
18