PET fles vs PEF fles

PET fles vs PEF fles

Studie naar de ecologische en economische impact van de productie van twee verschillende soorten wegwerpflessen

Bèta Gamma Thema III - deel 2 Lieke Mulder & Moniek Tromp

Woorden: 6520

Abstract

Er is een steeds grotere focus op duurzaamheid, zowel economisch als ecologisch. Er is een grote groei in de vraag naar plastic verpakkingen. Het bedrijf Avantium is bezig met de ontwikkeling van het nieuwe materiaal PEF plastic, wat uiteindelijk zal moeten concurreren met PET plastic. Avantium belooft een grote afname in NREU en CO2 uitstoot. Maar dit proces kost veel geld, daarom zal dit onderzoek de vraag beantwoorden: ‘Wat is de economische en ecologische impact bij het vervangen van de PET fles voor de PEF fles uit tweede generatie biomassa in Nederland?’. In dit onderzoek zijn de Life Cyclus Analysis voor Non-renewable energy use voor PET, PEF uit maïs en PEF uit

houtsnippers bepaald en geanalyseerd. PET heeft NREU kosten van 69 GJ/ton; PEF uit maïs van 26GJ/ton PEF; en PEF uit houtsnippers 33 GJ/ton PEF. De marktprijs van PET is $1800/ton en de marktprijs van PEF is $2370/ton. PEF heeft een betere zuurstof en koolstofdioxide barrière, waardoor het kan concurreren met glas. Dit zal op lange termijn op grote schaal geproduceerd worden.

Gebaseerd op deze ecologische voordelen en economische factoren is de prognose gemaakt dat PEF de PET op termijn kan vervangen.

Ignis Trollmann, Life Science & Technology, 10011501 Lily Waller, Economie, 10329765

2

Inhoudsopgave

Inleiding ... 3

Inleiding ... 3

Theoretisch kader ... 6

Methode ... 8

LCA Methode ... 8

Economische analyse ... 9

Resultaten ... 10

Reactieschema’s PEF ... 10

Berekeningen ... 14

Marktwaarden van PET en PEF ... 20

Totale hoeveelheid en groei PET in Nederland ... 21

Eigenschappen PET plastic en PEF plastic ... 22

Conclusie ... 23

Discussie ... 24

Glossary ... 26

Literatuurlijst ... 27

3

Inleiding

Inleiding

Figuur 1: Amerikaanse klimaatinstituut NOAA. ©KNMI

Zoals te zien in figuur 1 is de jaarlijkse uitstoot CO2 de afgelopen 55 jaar ongeveer verdrievoudigd. Om deze groei te remmen is er is een groeiende vraag naar ‘biobased’ productie in plaats van een chemische omzetting vanuit fossiele grondstoffen (Werpy & Petersen, 2004). Bij ‘biobased’ productie wordt het gewenste product omgezet vanuit biomassa, met veelal minder vervuilende effecten van een petrochemische omzetting.

De groei van CO2-emissie is onder andere te danken aan de groeiende vraag naar verpakkingsmaterialen (All4Pack, 2016). Er zijn een aantal trends van consumentengedrag met betrekking op verpakkingen (Lange & Wyser, 2003); er is een stijgende vraag naar transparante verpakkingen met betere zuurstof- en CO2-barrières, aluminium wordt zoveel mogelijk ontweken omdat metalen milieuonvriendelijk zijn en er veel energie nodig is bij de productie, er is een steeds grotere consumentenvraag naar verse producten.

Een andere trend is dat er steeds meer glas wordt vervangen door plastic. Het grootste voordeel hiervan is de reductie in het gewicht van de verpakkingen, wat veel geld bespaart bij de transportkosten (Klooster, 2007). Door deze veranderingen zijn er ook veranderingen aan de eisen van het materiaal (Molenveld, K., & van den Oever, 2014). Een hogere zuurstofbarrière, chemische resistentie, hittebestendigheid en recyclebaarheid zijn de voornaamste eisen die bij deze trend komen kijken.

4 Naast het feit dat er een verandering is in de vraag naar soorten materialen is er ook een enorme stijging van vraag naar verpakkingen over het geheel (All4Pack, 2016). De wereldwijde

verpakkingsmarkt is verdeeld in vijf verschillende materialen, te zien in figuur 2.

Figuur 2 : wereldwijde verdeling van verpakkingsmaterialen (ALL4PACK, 2016)

Uit onderzoek van All4pack (2016) vertoont plastic de grootste groei, waarin Polyethyleentereftalaat (PET) het meest gebruikte materiaal is. Hierdoor is het van groot belang dat de CO2-uitstoot in het productieproces van plastic gereduceerd wordt (Sheldon, 2014). De groei van plastic is onder andere te danken aan de consumptiegroei van plastic wegwerpflessen, voornamelijk in Europa en de US (Gleick & Cooley, 2009). Volgens dit onderzoek is PET het meest gangbare materiaal voor plastic flessen.

Onlangs heeft Coca-Cola, Danone en ALPLA aangegeven samen te willen werken met Avantium voor het ontwikkelen van Polyethyleenfuranoaat (PEF) (Stahl & Alsters, 2016). Avantium is bezig met de vervanging van het uit fossiele grondstof vervaardigde PET voor het uit biomassa vervaardigde PEF. Voor de productie van PEF wordt nul procent fossiele grondstoffen gebruikt (Avantium, 2016). Volgens Eerhart, Faaij en Patel (2012) zal met een wereldwijde markt van 15 miljoen Mt (metric tonnes) PET flessen, de complete vervanging van PET voor PEF zorgen voor een afname tussen 43 procent en 51 procent van non-renewable energy use (NREU) en een afname tussen 46 procent en 54 procent van broeikasgassen. Volgens dit onderzoek zijn deze procentuele

veranderingen groter dan bij vervanging van PET voor andere ‘biobased’ plastic, wat PEF relevant maakt om te onderzoeken.

5 Avantium maakt tot op heden gebruik van zetmeel uit eerste generatie biobrandstoffen. Het nadeel van eerste generatie biobrandstoffen is dat het in competitie is met de voedselmarkt. Daarom is het

gebruiken van tweede generatie biobrandstoffen zoals bio-afval de grootste uitdaging voor duurzame bioplastics (Sheldon, 2014). Door tweede generatie PEF te gebruiken zal deze productie niet in competitie zijn met de voedselproductie.

Daarom zal dit onderzoek zich gaan richten op de onderzoeksvraag:

‘Wat is de economische en ecologische impact bij het vervangen van de PET fles voor de PEF fles uit tweede generatie biomassa in Nederland?’

Voor de beantwoording van deze hoofdvraag is de life science & technology nodig om de productiecycli van PET, PEF uit maïs en PEF uit houtsnippers in kaart te brengen. Tezamen met de aardwetenschappen zal de ecologische impact van deze productiecycli bepaald worden. Hierbij wordt gekeken naar het productieproces en de uitstoot van de gehele route van grondstof tot afbraak van het eindproduct. De economie zal kijken naar wat het marktaandeel van plastic op dit moment is en wat de verwachtingen zijn omtrent de groei. Vervolgens zal er gekeken worden welke productie schaal van PEF nodig is om het markt-waardig te maken ten opzichte van PET. Ten slotte zullen de

karaktereigenschappen van PEF vergeleken worden met die van PET.

De analyse die een Life Cycle Analysis maakt is puur gefocust op de milieuaspecten van het productieproces, maar laat economische parameters en mechanismen buiten beschouwing (RIVM, 2017). Daarom geeft dit onderzoek een bredere en realistischere analyse omtrent de kansen van de tweede generatie PEF uit houtsnippers voor het gebruik van plastic flessen.

6

Theoretisch kader

In dit onderzoek wordt erg gekeken ‘biobased’ PEF flessen uit zowel eerste generatie biomassa maïs en tweede generatie biomassa houtsnippers afval en een vergelijking gedaan met uit fossiele

brandstoffen gebaseerde PET flessen. De term ‘biobased’ houdt in dat de grondstoffen van de producten direct of indirect van natuurlijke oorsprong zijn. Alle fossiele grondstoffen vallen hier dus buiten (WUR, 2014). ‘Biobased’ zegt alleen iets over de vervaardiging van een product, het hoeft dus niet zo te zijn dat een product dan ook per se bio afbreekbaar is. De afbraak van het product kan dus net zo ‘slecht’ zijn als zijn petrochemische (uit fossiele grondstoffen) tegenhanger (WUR, 2014). In figuur 3 is de route van biomassa tot functionele stof weergegeven.

Figuur 3: De route van het omzetten van biomassa tot functioneel product; in ons onderzoek van biomassa uit houtsnippers tot het functionele product de PEF fles (Gallezot, 2012).

De algemene opvatting is dat ‘biobased’ processen minder CO2-emissie hebben dan industriële processen die veelal gebaseerd zijn op fossiele brandstoffen (Anastas & Warner, 1998). Echter zijn ‘biobased’ processen vaak lastiger op te schalen dan puur petrochemische processen. Dit komt door de kwetsbaarheid van de benodigde micro-organismen en enzymen (Werpy & Petersen, 2004). Zo zijn ‘biobased’ producten in de praktijk vaak duurder dan zijn goedkopere petrochemische variant (de Jong et. al., 2012).

Deze algemene opvatting blijkt niet altijd op te gaan. Een ‘biobased’ proces kan wel degelijk vervuilender zijn dan zijn petrochemische tegenhanger (Lammes et. al., 2011). Dit komt doordat petrochemisch processen efficiënter zijn vanwege hun grootschaligheid en er al veel optimalisatie

7 studies voor zijn gedaan (Alvarez et al, 2012). Het is daarom van belang dat in dit onderzoek duidelijk is waar precies naar gekeken wordt en om uit te zoeken of dit ook voor PEF opgaat.

Vanuit ecologisch oogpunt is duurzaamheid gedefinieerd als: ‘Environmental sustainability is reached by meeting the resource and services needs of current and future generations without compromising the health of the ecosystems that provide them’ (Morelli, 2013).

Hierbij zal in dit onderzoek gekeken worden naar de non-renewable energy use, ook wel NREU genoemd. Energie bronnen zijn non renewable als ze niet aangevuld kunnen worden binnen een korte periode. Dit geldt dus voor alle fossiele grondstoffen. Een hoge NREU heeft dus veel CO2 uitstoot en

is daarom minder gewenst (EIA, 2015).

Tevens is de economische waarde van beide processen van belang of een ‘biobased’ proces überhaupt een reëel alternatief kan bieden voor het huidige petrochemische product. Naast de

economische marktwaarden te vergelijken van de twee processen, zal de economie zich ook toespitsen op de economische voordelen van het PEF materiaal. In dit onderzoek is gekozen om economische duurzaamheid te definiëren als ‘ontwikkelingen die, op lange termijn, een bedreiging vormen voor de inkomensvorming en daarmee de consumptie’ (Veeneklaas, Eck & Harms, 1994). Dit wilt zeggen dat consumptie het einddoel is van alle economische bedrijvigheid. Er gaat gekeken worden of de kosten opwegen tegen de baten.

Het specifieke biobased productieproces van maïs en houtsnippers biomassa naar PEF zal in kaart gebracht worden tijdens dit onderzoek. Maïs is een eerste generatie biomassa terwijl houtsnippers tweede generatie biomassa is (Gruter, pers. comm., 6 december 2017). De verschillende generaties geven groepen biomassa aan, waarbij de groepen ongeveer dezelfde karakteristieken hebben. De eerste generatie biomassa wordt vervaardigd uit de eetbare delen van planten. Daarentegen is de tweede generatie biomassa uit afval van landbouw of houtverwerking en delen van de plant die niet als voedsel gebruikt kunnen worden (Williams et al., 2007). Bovendien bevat tweede generatie biomassa vaak lignocellulose, wat moeilijk is om af te breken.

8

Methode

Het onderzoek wordt verricht door een expert te benaderen, literatuur te onderzoeken en berekeningen te maken. De expert is Gert-Jan Gruter, CTO van Avantium. Avantium doet onderzoek naar PEF en Dr. Gruter begeleidt dit onderzoek. Uit het interview zijn de volgende opmerkelijkheden gekomen:

● Op dit moment is Avantium bezig met eerste generatie PEF. Op lange termijn is het niet mogelijk om dit te blijven gebruiken omdat dit in strijd is met de voedselindustrie. Daarom is het interessant om te kijken naar tweede generatie PEF.

● De huidige prijs van PEF is meer dan die van PET. Bedrijven gaan hierdoor niet zomaar overstappen. Het is belangrijk om te kijken naar de eigenschappen van PET ten opzichte van PEF. Als de eigenschappen van PEF beter zijn, dan hebben bedrijven er meer geld voor over. Daarom is het economisch gezien relevant om te kijken naar de eigenschappen van PEF.

LCA Methode

Een Life Cycle Analysis weergeeft de milieu impact van alle inputs en outputs van de beschreven cyclus van een product of stof. Een standaard LCA bestaat uit vier fasen: ‘goal and scope’ definieren, ‘Life Cycle inventory analysis’, ‘Life Cycle impacts assessment’ en het interpreteren van de resultaten (Garfi et al., 2016).

De methode zal toegepast worden om een zogeheten ‘cradle-to-grave life cycle’ te bepalen. Hierbij wordt gekeken de hele levenscyclus van een product van grondstofwinning tot aan

afvalverwerking. De consumptie en recycling wordt hierbij niet meegenomen. In dit onderzoek is aangenomen dat het gebruik van PEF en PET niet zal verschillen en dat de recycle procedures dezelfde vervuiling winst zullen opleveren voor PET en PEF plastic flessen (De jong et al, 2012). Daarnaast is weinig data bekend over het gebruik en recycling voor PEF aangezien dit een nieuw materiaal is (Shen et al, 2012).

In deze LCA wordt op maïs gebaseerd PEF vergeleken met op houtsnippers gebaseerd PEF. Deze worden daarna vergeleken met in de literatuur gevonden waarden van PET.

De functionele eenheid is voor beide 1 ton. Vanuit milieu en ecologisch opzicht is hierbij van belang om te kijken naar de eventuele schade die deze stappen van beide flessen teweegbrengen. Dit wordt in kaart gebracht bij de impactbeoordeling. Omdat er hierbinnen verschillende categorieën bestaan wordt er gekeken naar de green house gas – emmissions (GHG emissie) en NREU.

Bij de LCA zal het productieproces worden gevolgd wat Avantium hanteert voor PEF (Eerhart et al., 2012). Het productieproces voor PEF uit tweede generatie biomassa afval bestaat nog niet.

9 Daarom wordt literatuur gebruikt om de methoden voor tweede generatie biomassa afval van

houtsnippers voor te bewerken en uiteindelijk om te zetten naar PEF. Er zijn verschillende manieren voor de voorbehandeling van de houtsnippers en het verwerken hiervan. In dit onderzoek wordt de methode volgens het zogenaamde Sugar Platform gebruikt (Taylor et al., 2015). Het Sugar Platform is een biochemische productieroute middels fermentatie naar bioethanol en andere chemicaliën. In dit onderzoek zal louter gekeken worden naar het begin gedeelte tot C5 en C6 productie Hierna beloopt het

dezelfde route als de eerste generatie biomassa en dus het proces van Avantium.

Van dit gehele proces wordt vervolgens de NREU in GJ/ton PEF bepaald voor zowel houtsnippers als maïs als grondstoffen. Deze uitkomsten worden vergeleken met GJ/ton PET. De tekortkomingen van een LCA zijn dat het zich alleen focust op de ecologische- en

milieuaspecten. De economische aspecten en realiteit van een proces staan hier los van, daarom is de interdisciplinaire samenwerking tussen de biotechnologie en economie van belang om een prognose te maken over de toekomst van een vernieuwend duurzaam product als PEF in de markt.

Economische analyse

Economisch gezien wordt er onderzocht of PEF een marktwaardig product is. Dit wordt gedaan door te kijken naar de totale Nederlandse consumptie van plastic wegwerpflessen. Hierbij wordt gekeken naar de consumptie voor binnenlands gebruik in Nederland. Bos, van den Oever & Meesters (2014) schrijven dat er in de productiecijfers en consumptiecijfers binnen Nederland grote verschillen kunnen zitten. De groeiprognose van plastic verpakkingen wordt hierbij meegenomen.

Er zal een vergelijking worden gemaakt hoeveel extra kosten er verbonden zijn bij de productie van een PEF fles ten opzichte van de PET fles. Het prijsverschil zal worden doorgerekend naar het flessen consumptiegebruik in Nederland. Dit wordt gedaan door verpakkingsrapporten te analyseren. Hierbij zal ook gekeken worden naar de productieschaal die nodig is voor PEF om dit product competitief te maken met PET. Hierbij wordt eerder gedaan onderzoek van Avantium gebruikt. Uiteraard zijn de productiekosten van PEF op dit moment nog hoger dan die van PET. Hierdoor zal er ook gekeken moeten worden naar de verbeterde eigenschappen van PEF ten opzichte van PET en wat voor invloed dit heeft op het marktaandeel.

De economische en ecologische impact wordt bepaald door te kijken of PEF inderdaad voor een significante NREU en CO2 vermindering zorgt zoals wordt beweerd. Dit wordt gecombineerd met de economische conclusie of PEF, los van de ecologische voordelen, een marktwaardig product is. Aanhankelijk van deze trade-off zal de eindconclusie worden geformuleerd of PEF een waardig materiaal is voor de vervanging van PET.

10

Resultaten

Reactieschema’s PEF

Eerste generatie PEF

Biomassa van planten bestaat voor het grootste deel uit lignocellulose, wat koolhydraten zijn. Hydrolytische omzetting van lignocellulose wordt gekatalyseerd door zuren bij verhoogde

temperaturen, waarbij chlorides of sulfaten worden gevormd bij het neutraliseren van de zuren. Ook kan een enzymatische reactie de lignocellulose afbreken tot een mix van lignine, hemicellulose en cellulose (Sheldon, 2014).

De gevormde hemicellulose en cellulose kunnen hydrolytisch omgezet worden tot C5 en C6

monosaccharides, welke als bouwstenen dienen voor het proces dat het bedrijf Avantium uitvoert voor het produceren van PEF (Sheldon, 2014). De hexose C6 suiker (fructose) kan door een zuur

gekatalyseerde reactie met alcohol worden omgezet tot een Alkoxymethyl-fyrfural (RMF), zoals methoxymethyl furfural (MMF). Vervolgens zet een gekatalyseerde oxidatie van RMF het om in furan-2,5-dicarboxylic acid (FDCA). FDCA kan samen met ethylene glycol (EG) reageren tot de biobased polymeer PEF (Sheldon, 2014).

Dimethyl-FDCA wordt getransesterificeerd met ethylene glycol (EG) door een tin (IV) bevattende katalysator. Vervolgens kan de getransesterificeerde dmFDCA polymeriseren tot PEF en hierbij komt een methanol molecuul vrij dat verdampt. ‘Solid-State-Polymerization’ wordt gebruikt als laatste stap om het polymeer het gewenste molecuulgewicht te geven, deze methode wordt ook gebruikt bij PET (De jong et al., 2012). Zie figuur 4 voor de transesterificatie en polymerisatie stap.

Figuur 4: reactieproces van FCDA met EG tot PEF monomeer(stap ii) en vervolgens tot PEF polymeer(stap iii).

De gehele reactie route van tweede generatie lignocellulose bevattende biomassa tot PEF is weergeven in figuur 4. In figuur 4 betreft het reactieschema van lignocellulose bevattende biomassa, zoals

houtsnippers, tot aan PEF. Avantium verkrijgt haar C5 en C6 suikers vanuit eerste generatie biomassa

gewassen en zo de afbraak van lignocellulose niet nodig is. Het proces dat Avantium hanteert om van eerste generatie maïs biomassa naar C5 en C6 suikers te komen zal nader aan bod komen en is tevens te

11 Figuur 5: Het proces van biomassa tot aan PEF. Waar Avantium C5 en C6 suikers niet verkrijgt vanuit

lignocellulose bevattende tweede generatie biomassa maar vanuit eerste generatie maïs. (Eerhart et al., 2012)

Avantium gebruikt C6 suikers(fructose) als beginproducten rechtstreeks afkomstig van maïs-of

graangewassen. Het bedrijf wil in de toekomst ook tweede generatie bio-afval gebruiken. Bio-afval bevat zoals plantenstengels of houtsnippers vaak lignocellulose, wat een energie-intensievere processtap is (Gruter, pers. comm., 6 december 2017). Dit zou de LCA negatief kunnen beïnvloeden ten opzichte van eerste generatie biomassa als grondstof die Avantium nu gebruikt, waar deze lignocellulose afbraak stap niet nodig is.

De LCA die uitgevoerd zal worden, zal zich richten op de cyclus van maïs tot PEF en van houtsnippers tot PEF en daarna kunnen deze waarden vergelijken worden met de LCA van olie tot PET.

12 Voor opstellen van de LCA voor Non-renewable energy use (NREU) wordt het proces wat Eerhart et al. (2012) beschrijven voor Avantium aangehouden zoals beschreven in figuur 6.

Figuur 6: Levenscyclus van maïs vanaf ‘Corn cultivation’ tot aan afvalverwerking ‘MSWI’ van PEF uit maïs, zoals uitgevoerd door Avantium (Eerhart et al., 2012).

Nu het productieproces zichtbaar is zal in dit onderzoek allereerst de bijdrage van de Corn cultivation, Corn Wet Miling en HFCS & Fructose productie in de gehele Life Cycle Analysis bepaald worden. Zodra deze NREU waarden voor maïs voorbewerking immers berekend zijn kunnen deze waarden aangepast worden voor de NREU kosten van houtsnippers voorbewerking. Zo kan de LCA voor PEF uit houtsnippers berekend worden. Omdat er geen verandering zal plaatsvinden in en na het ASPEN plus Simulation model in figuur 6. Gekozen is hiervoor, omdat zowel houtsnippers als maïs eerst tot dextrose en daarna tot fructose verwerkt worden, hierna bewandelen beide vormen van biomassa dezelfde route in het schema van figuur 4. Ook de afvalverwerking of recycling tussen PET, PEF uit maïs of PEF uit houtsnippers zal nauwelijks verschillen waardoor deze waarden irrelevant zijn voor de vergelijking, omdat het voor het netto-verschil tussen de drie LCA’s weinig uitmaakt.

13 Tweede generatie PEF

Houtsnippers zijn lignocellulose bevattende biomassa en bevatten ongeveer ⅔ polysacharidden en ⅓ lignine (Eerhart et al., 2012). Veel energie en/of chemicaliën zijn nodig om lignocellulose af te breken naar bruikbare producten, veelal te wijten aan lignine verwijdering. In dit onderzoek is gekeken naar potentiële thermochemische of katalytische processen om houtsnippers om te zetten tot fructose(C6

suikers) om van daaruit verder PEF te maken volgens het proces van Avantium. Van het deelproces van houtsnippers tot fructose zijn GHG en NREU waarden berekend om bij te dragen aan de LCA voor houtsnippers tot PEF.

Naast dat het geen concurrentie met schaarse hulpbronnen oplevert, kent de biomassa uit houtsnippers grote fysische en chemische verschillen met biomassa uit de eerste generatie. Biomassa uit hout is fysisch groter. Bovendien is het structureel sterker en heeft het een grotere dichtheid dan biomassa van landbouw gewassen. Chemisch gezien heeft het een hogere lignine gehalte, waardoor het moeilijker af te breken is door microbiotische en enzymatische reacties (Zhu & Pan, 2010).

Hieronder zal een schematische weergave van het proces van houtsnippers tot glucose gegeven worden.

Figuur 7: Sugar Platform, rood omlijnde weergeeft het gebruikte deel van het proces (Taylor et al., 2015)

De gekozen voorbehandeling gaat volgens de ORGANOSOLV manier. Uit onderzoek is gebleken dat dit een aantal voordelen heeft ten opzichte van andere voorbehandelingsmethodes. Het kan toegepast worden op verschillende houtsoorten en werkt dus niet specifiek op maar één soort. Het heeft een hoge lignine kwaliteit als uitkomst. Bovendien kunnen de houtsnippers, hoewel relatief groot, direct het proces van de voorbehandeling in. Door de ORGANOSOLV manier van voorbehandeling is een

14 aparte behandeling van groottereductie van de houtsnippers niet nodig. De voorbehandeling zorgt met een oplossingsmiddel met onder andere ethanol ervoor dat de cellulose, hemicellulose en lignine gescheiden worden. De vrijgekomen cellulose en hemicellulose kunnen daarna door een enzymatisch proces om er eenvoudige suikers van te maken (Vohra et al., 2014).

Figuur 8: Eenvoudige weergave van het voorbehandelingsproces Rieth et al. 2011

Na deze voorbehandeling van het hout vindt er een enzymatische hydrolyse plaats, van

glucose/dextrose naar fructose. Dit is een proces wat het maïs zetmeel eveneens ondergaat (Eerhart et al., 2012). Hierdoor kunnen dezelfde rekenkundige waardes worden genomen.

Berekeningen

Eerste generatie PEF

In het onderzoek van Eerhart et al.(2012) is een LCA verricht volgens figuur 6 over het gehele de gehele levenscyclus van maïs tot PEF afvalverwerking. Interessant is om te berekenen welke invloed de maïs voorbewerking stappen van maïs tot fructose aan bijdrage leveren voor de totale NREU waarde van GJ/ton PEF.

Uit data van Eerhart et al.(2012) zijn de NREU kosten per proces per jaar berekend door de NREU kosten die het proces per geproduceerde hoeveelheid heeft te vermenigvuldigen met de hoeveelheid die per jaar nodig is voor 23.340 ton PEF. Zie tabel 1.

Bijvoorbeeld: het ‘Corn wet miling’ en ‘fructose productie proces’ uit figuur 6 kosten tezamen 10,48 GJ/ton fructose dat bij deze twee processen gefabriceerd wordt. Echter is 51.100 ton

fructose/jaar benodigd om 23.340 ton PEF te produceren volgens het fabrieksproces van Avantium. Dit komt neer op 10,48 GJ/ton fructose * 51.100 ton fructose / jaar = 535.528 GJ/jaar kosten deze twee processen om 23.340 ton PEF/jaar te maken. Tot slot is in tabel 1 berekent hoeveel alle processen te samen aan NREU moeten leveren voor 1 ton PEF productie vanuit eerste generatie biomassa maïs. Zie tabel 1.

15 Tabel 1. NREU per deelproces en NREU in GJ/ton PEF voor PEF productie uit maïs.

Proces NREU kosten Hoeveelheid

per jaar

NREU per jaar

Corn wet milling + Fructose productie 10,48 GJ/ ton fructose * 51100 ton fructose/ jaar 535.528 GJ / jaar

EG productie uit Corn 27,2 GJ / ton 7954 ton EG / jaar

216.349 GJ / jaar

HMF oxidatie 11,8 GJ / ton 20000 ton FCDA / jaar

236.000 GJ / jaar

PEF polymerisatie 10,2 GJ / ton 23340 ton PEF / jaar 238.068 GJ / jaar Energiekosten fabrieksproces -20 MW (MJ/ sec) 31.536.000 sec / jaar ** -630.720GJ / jaar Totaal energiegebruik per jaar 595.225 GJ / jaar Totaal energiegebruik per ton PEF

(595.225 GJ / jaar)/ ( 23.340 ton PEF / jaar)= 25.5 GJ / ton PEF * CWM = 6,2 GJ / ton dextrose * 1,06 ton dextrose/ton fructose = 6,57 GJ / ton fructose

+ Fructose productie = 3,9 GJ / ton fructose

** 365 dagen x 24 uur x 60 minuten x 60 seconden = 31.536.000 sec / jaar

In deze berekening zijn LCA inputs voor het oogsten van de maïs (Corn cultivation) en

afvalverwerking(MSWI) van de PEF niet meegenomen. De uiteindelijke LCA uitkomst van Eerhart et al. (2012) ligt op ongeveer dezelfde waarde van 26 GJ / ton PEF. Hierdoor kan worden geconcludeerd dat deze inputs, alsmede transportkosten per ton PEF, een minimale bijdrage leveren aan het totale NREU gebruik per ton PEF.

In tabel 1 is PEF 100% bio-based, dus zowel de FDCA als de EG bouwstenen zijn afkomstig uit maïs, zoals geproduceerd door Avantium. De waarde van ‘Non-renewable energy use (NREU)’ bestaat uit het gebruik van fossiele en nucleaire energie. De uitstoot van ‘Green house gases (GHG)’ bestaat uit de uitstoot van CO2 per geproduceerd PEF of PET.

16 Overigens maken de Corn Wet Miling en Fructose productie processen samen het deel uit van de maïs voorbewerking stap en kost dus 10,48 GJ/ton fructose. Verderop zullen de NREU kosten van de houtsnippers voorbewerking stap tot fructose berekend worden tevens in GJ/ton fructose. Door de berekening als in tabel 1 vervolgens door te voeren met een nieuwe NREU waarde voor de

voorbewerking stap kan de GJ/ton PEF voor PEF uit houtsnippers berekend worden. Aangezien PET een standaard is op de markt zijn gegevens omtrent de LCA hiervan ruimschoots aanwezig en gestandaardiseerd (Shen et al., 2012). Daarom is de LCA van het PET productieproces aangenomen onder dezelfde assumpties zoals weergeven in Eerhart et al. (2012). Omdat ook het transport van de grondstoffen energie kost is het voor een LCA interessant om de yield van ton grondstoffen per ton PEF te vergelijken. Grondstoffen zijn in dit geval maïs of houtsnippers. Hieronder volgt de berekening voor de yield van ‘’ ton maïs : ton PEF’’.

Tabel 2 Massa yields gedurende het Avantium productieproces van maïs naar PEF.

56 pond corn : 32 pond starch (zetmeel) via Corn Wet milling. (Penn. State University, 2017). 1 gram starch(zetmeel): 1,1 gram dextrose(glucose) (Borglum, 2017).

1,06 ton dextrose: 1 ton fructose (Eerhart et al., 2012) 2,19 ton fructose: 1 ton PEF (Eerhart et al., 2012)

Tabel 3 Hoeveel ton maïs is benodigd voor 1 ton PEF? 1 ton PEF staat tot 2,19 ton fructose

2,19 ton fructose *1,06 = 2,3214 ton dextrose 2,3214 ton dextrose / 1,1 = 2,11036 ton starch 2,11036 ton starch *(56/32) = 3,7 ton maïs

Dus 3,7 ton maïs is benodigd voor 1 ton PEF bij het proces van Avantium dat gebruik maakt van eerste generatie biomassa maïs.

17 Tweede generatie PEF

De onderstaande berekeningen zijn gebaseerd op het onderzoek uitgevoerd door Pan et al. (2008) en Zhu & Pan (2010). De basis conditie die in het onderzoek van Pan et al. (2008) wordt genomen is: 170 °C; 60 min; 1.1% H2SO4; 65% ethanol.1

Het onderzoek is uitgevoerd met een input van 200 g lodgepole pine hout, na het vervaardigen van het voorbehandelingsproces met bovengenoemde basis conditie zijn dit de yields:

Figuur 9: Uitkomst yield voor de basis conditie (B) van healthy lodgepole pine (HLP). Hele tabel in Pan et al. 2008

Omdat de yields in procenten zijn, kunnen ze makkelijk gebruikt worden in berekeningen met absolute waardes. Er zal worden uitgegaan van 1 ton hout als input.

Voor glucose wordt de output dan: 1 ton = 1000 kg, 3,53 % (zie tabel), hiervan is 35,3 kg/ton hout. De bruikbare C5 en C6 zijn alleen Xylose, Mannose en Glucose.2 De totale sugar yield is voor 1 ton

hout hierdoor 134 kg/ton (som van 35,3; 36,7; 6,16).

Echter door enzymatische hydrolyse wordt nog extra bruikbare glucose verkregen. Wat volgens het artikel van Zhu & Pan (2010) om 347 kg glucose/ton hout gaat.

Dit maakt de totale monomerische suiker opbrengst voor deze pretreatment methode: 481 kg/ton. De totale energieconsumptie is gebaseerd op tabel 3 van Zhu & Pan (2010). Hierin is de total energy consumption voor organosolv = 1254 MJ/ton

Echter zit hier ook de vermaling van het hout tot houtsnippers in. Er zijn genoeg houtsnippers als productieverwerkingsafval(milieuloket, 2015), dus zal dit proces niet worden meegerekend in de totale energieconsumptie. De energie voor het versnipperen van het hout is 180 MJ/ton.

Dus de nieuwe energieconsumptie = 1254 – 180 = 1074 MJ/ton hout.

1_{Zie Pan et al. voor bewijs waarom deze basis conditie de beste keuze is}

2 _{Galactose is een C}

18 Deze waarde is helaas zonder de energie die nodig is voor de retractie van het oplosmiddel (figuur 8: solvent recovery) met ethanol. Deze waarde is nog niet berekent voor Organosolv met houtmassa en is daarom genomen uit Van Beijeren Bergen en Henegouwen et al. (2003) en is 522 MJ/ton hout (145,08 kWh/t pulp).

De totale energie is daarom 1596 MJ/ton hout.

De totale energie per kg geproduceerde suikers = 1596 MJ/ton * 1,18 MJ/MJfuel = 1883,28 NREU / 481 kg/ton = 3,92 MJ/kg = 3,92 GJ/ton dextrose

Bovendien zitten er nog stoffen in (e.g. lignine en HMF (zie figuur 9)) die ook verwijdert moeten worden. Dit heeft ongeveer een energie van 5,4 MJ/kg dextrose (Viel et al., 2013).

Dit geeft een totaal van 3,92 + 5,4 = 9,32 GJ/ton dextrose Hydrolische omzetten = 1,06 * 9,32 = 9,87 GJ/ton fructose Hierbij komt 3,9 GJ/ ton fructose voor het gebruik ervan. Dit geeft een totaal van 13,8 GJ/ton fructose.

Hieronder de tabel met een nieuwe beginwaarde van 13,8 GJ/ton fructose.

Proces NREU kosten Hoeveelheid

per jaar

NREU per jaar

Corn wet milling + fructose productie 13,8 GJ/ ton fructose * 51100 ton fructose/ jaar 705.180 GJ / jaar

EG productie uit Corn 27,2 GJ / ton 7954 ton EG / jaar

216.349 GJ / jaar

HMF oxidatie 11,8 GJ / ton 20000 ton FCDA / jaar

236.000 GJ / jaar

PEF polymerisatie 10,2 GJ / ton 23340 ton PEF / jaar 238.068 GJ / jaar Energiekosten fabrieksproces -20 MW (MJ/ sec) 31.536.000 sec / jaar ** -630.720GJ / jaar Totaal energiegebruik per jaar 764.877 GJ / jaar Totaal energiegebruik per ton PEF

764.877 GJ /jaar / 23.340 ton PEF / jaar= 32,8 GJ / ton PEF

19 Dus het totale energieverbruik voor houtsnippers per ton PEF is 32,8 GJ ten opzichte van 26,6 GJ/ ton PEF gemaakt uit maïs zetmeel. Vergeleken met PET is de NREU dus ongeveer de helft.

Voor maïs is berekend hoeveel ton er voor 1 ton PEF nodig is. Hieronder is eveneens een berekening voor houtsnippers.

Tabel 4. Hoeveel ton houtsnippers is benodigd voor 1 ton PEF? 1 ton PEF staat tot 2,19 ton fructose

2,19 ton fructose *1,06 = 2,3214 ton dextrose 0,481 ton dextrose / ton hout

2,3214 / 0,481 = 4,83 ton hout per ton PEF

Uit de NREU waardes is de volgende grafiek gemaakt, ter illustratie van de verschillen tussen alle 3.

Figuur 10: Weergave NREU voor de drie verschillende soorten plastic flessen.

Uit de berekeningen blijkt dat zowel 1e generatie PEF als 2e generatie PEF ecologische voordelen lijken te hebben vergeleken met PET. Beide vormen van PEF hebben een NREU van minder dan de helft van het totaal van PET, wat dus betekent dat zij een stuk minder vervuilend zijn. De tweede generatie PEF heeft echter door het lignine gehalte en de retractie van het oplosmiddel wel een hogere energieconsumptie en is daardoor wel meer vervuilend dan eerste generatie PEF.

20 Bij maïs cultivatie zijn drie stappen van belang voor de LCA waarde: 1. fertilizer production 2. agro-chemicals 3. transport van corn naar de fabriek(Eerhart et al., 2012). Aangezien in dit onderzoek uitgegaan wordt van biomass waste, is puur transport van belang de producten gebruikt voor de groei van het hout wordt toegeschreven aan een ander proces en is niet noodzakelijk gebruikt voor het produceren van houtsnippers.

Voor 1 ton PEF uit maïs is 3,7 ton maïs nodig, zoals eerder berekend, en voor 1 ton PEF uit houtsnippers is 4,8 ton houtsnippers nodig. Er is meer ton houtsnippers nodig voor 1 ton PEF, wat de eventuele NREU waarde van GJ/ton PEF uit houtsnippers in realiteit meer zou kunnen verhogen ten opzichte van GJ/ton PEF uit maïs. Dit omdat er meer transport energiekosten gemaakt dienen te worden voor het vervoeren van houtsnippers per ton PEF. In het huidige LCA model zijn verschillen in transportkosten verwaarloosd omdat transport weinig bijdraagt aan de totale LCA energiekosten en de netto-verschillen verwaarloosbaar zijn.

Marktwaarden van PET en PEF

PEF wordt op veel kleinschaliger niveau geproduceerd dan PET (Gruter, pers. comm., 6 december 2017). Volgens Clark (1988) betekent economies of scale dat de gemiddelde productiekosten per eenheid daalt als de output stijgt.

In figuur 11 is de zien wat de verschillende productiekosten zijn van eerste generatie PEF, bij verschillende schalen. Hier is te zien dat de productiekosten bij 625 en 1000 kton per jaar een stuk lager ligt dan bij 100 kton per jaar. De marktprijs voor PET is op dit moment 1800 $/ton PET (Eerhart et al., 2015). Volgens dit onderzoek zal het prijslevel van de productiekosten van PEF gereduceerd moeten worden naar 1500$/ton om het competitief te laten zijn met zijn petrochemische tegenhanger PET. Deze prijs is rendabel onder de voorwaarde dat het ‘corn’ tussen de prijs van 50$/ton en 150$/ton blijft. In figuur 11 is te zien dat, vanaf een schaal van 625 kton per jaar, de productiekosten van PEF vergelijkbaar of minder is dan die van PET. Bij deze vergelijking is de marktprijs van PET vergeleken met de productiekosten van PEF, waarbij bij PEF geen winst ingecalculeerd is. De winstmarge in deze industrie is 1% tot 5% (Eerhart et al., 2015). Doordat dit geen significant groot verschil is kan deze vergelijking worden gemaakt.

21 Figuur 11: Productiekosten van PEF (Eerhart et al., 2015)

Totale hoeveelheid en groei PET in Nederland

In Nederland worden er ongeveer 650 miljoen PET-flessen per jaar geproduceerd (van Velzen & Bos-Brouwers, 2012). Dit is gebaseerd op een rapport over statiegeld, dus PET flessen met een inhoud van een halve liter zijn hierin niet meegenomen. Volgens dit rapport hebben de statiegeldflessen een gemiddeld gewicht van 44,6 gram. Naar schatting wordt er in Nederland ongeveer 600 miljoen halve liter flesjes per jaar geproduceerd met een gemiddeld gewicht van 22 gram (verpakkingsmanagement Nederland, 2012). Dit betekent dat er een totale productie is van 42190 ton per jaar. Met het huidige prijsverschil ($1800/ton PET en $2370/ton PEF) zal dat betekenen dat er een prijsstijging van

ongeveer 1,9 cent per fles is. Dit lijkt weinig, maar als dit doorgerekend wordt naar totale bedragen die producenten moeten betalen dan is het heel veel; met het huidige prijsverschil van $2370/ton -

$1800/ton = $570/ton zal het betekenen het ongeveer 24 miljoen dollar kost om in Nederland volledig over te stappen naar PEF flessen. Deze kosten komen grotendeels bij de producenten terecht en niet bij de consumenten (Gruter, pers. comm., 6 december 2017). Om dit mogelijk te maken is het dus

noodzakelijk dat PEF economisch gezien ook zal concurreren met glas.

Om een schatting te doen over de groei van plastic in Nederland wordt de Average annual Growth rate (AAGR) van 5% genomen tot 2020 (All4Pack, 2016). De hoeveelheid geproduceerde flessen is genomen van 2012. Dit betekent dat er in totaal tussen 2012 en 2020 een groei schatting van in totaal 47,75% wordt verwacht. Dit betekend dat het aannemelijk is dat PEF op steeds grotere schaal geproduceerd zal worden.

22

Eigenschappen PET plastic en PEF plastic

Volgens het artikel van Ladrak (2012) heeft PEF betere eigenschappen ten opzichte van PET, zoals een betere zuurstof en koolzuur afscheiding. Doordat het zuurstof minder snel de fles in gaat en het koolzuur minder snel de fles uit, blijft de inhoud van de fles langer houdbaar. Uit onderzoek is gebleken dat de prijs en kwaliteit van een product meer invloed heeft op het koopgedrag van

consumenten dan de invloed van het product op het milieu (TNS Political & Social network, 2013). Volgens het onderzoek van Molenveld & van den Oever (2014) zijn er drie die een vernieuwde verpakking kan geven:

● verlengde houdbaarheid van het product

● minimalisatie van verlies tijdens transport en distributie ● aantrekkelijk om te kopen voor de consument

Willige et al. (2002) zegt dat de houdbaarheid van voedsel en drank sterk afhangt van materiaal doorlaatbaarheid en absorptie. Met de huidige eigenschappen van PET plastic is het niet mogelijk om bijvoorbeeld bier te bewaren in plastic flessen. Volgens Krawielitzki, & Kläusli (2015) heeft PEF een 10 keer betere zuurstof barrière dat PET en een 5 keer betere carbon dioxide barrière. Hierdoor is het mogelijk om thee en bier te bewaren in PEF flessen. Lange & Wyser (2003) schrijven dat er een trend is om metalen en glazen verpakkingen te vervangen voor plastic verpakkingen omdat dit de

vervoerkosten heel erg reduceert. Door de verbeterde barrière eigenschappen is het mogelijk om glas te vervangen voor PEF plastic en dit bijvoorbeeld te gebruiken bij bierconsumptie (Gruter, pers. comm., 6 december 2017).

23

Conclusie

Uit het onderzoek blijkt dat PEF uit maïs een NREU heeft van 25,5 GJ/ton PEF. PEF uit houtsnippers heeft een NREU van 32,8 GJ/ton PEF. Beide LCA's liggen dus lager dan die van PET met 69 GJ/ton PET. Dit betekend dat als alle flessen van tweede generatie PEF worden gemaakt in de plaats van PET de NREU met (69GJ/ton – 32,8 GJ/ton) * 42190 = 1.527.278 GJ afneemt. Hiertegenover staat dat deze omzetting op dit moment, voor deze hoeveelheden ongeveer 24 miljoen dollar kost.

Om over te gaan op PEF plastic is het daarom noodzakelijk dat PEF zal concurreren met glas. Door de verhoogde zuurstof barrière zal het mogelijk zijn om bier te bewaren in plastic. Hierdoor zal de overgang van glas naar PEF plastic mogelijk zijn. Doordat het gewicht van plastic een stuk lager is dan dat van glas zullen de transportkosten van plastic zijn een stuk lager dan die van glas. Dit maakt het rendabel voor bedrijven om te investeren in PEF. Om PET flessen volledig te vervangen voor PEF flessen is het nodig om PEF op een 10 keer zo grote schaal te produceren ten opzichte van nu. Als bedrijven meer gaan investeren in PEF, zal de schaal steeds groter worden. Hierdoor zal PEF uiteindelijk even duur worden als PET.

Met het vooruitzicht op de enorme groei van vraag naar plastic verpakkingen, in combinatie met het feit dat doordat PEF plastic qua eigenschappen vergelijkbaar is met glas de schaalvergroting van productie van PEF plastic zal gaan plaats vinden is de conclusie van dit onderzoek; Het

economische nadeel van $24 miljoen weegt wel op tegen het ecologische voordeel van 1.527.278 GJ afname in NREU.

24

Discussie

Hoewel de gevonden resultaten de duurzaamheid van de twee verschillende productieprocessen laten zien, is dit puur theoretische berekening binnen het biotechnologische kader. In werkelijkheid zal het omschakelen van het gangbare PET productieproces naar het PEF productieproces veel kosten en wellicht ook extra vervuiling met zich meebrengen. Aangezien het nieuwe PEF proces nog niet geoptimaliseerd is zoals het PET proces, kunnen deze hindernissen in werkelijkheid voor meer vervuiling zorgen, ten opzichte van de berekende productieprocessen.

Hierbij dient vermeld te worden dat PEF uit houtsnippers met de Organosolv methode theoretisch is opgeschaald. Daarbij is Organosolv op labschaal om biomassa met lignocellulose voor te bewerken al een erg kostbaar proces. De vraag of PEF uit houtsnippers economisch realiseerbaar is in de toekomst is daarom maar de vraag. Echter is het op basis van NREU waarden wel een ecologisch duurzame toekomst.

Onderzoek naar betere technieken duurt voort, zoals het gebruik van pyrolyse (Zhang et al., 2013, Sahanaraj et al., 2014). Daarom zal de uitstoot en efficiëntie van de productie van PEF of andere bioplastics zal naar alle waarschijnlijkheid verbeteren in de toekomst.

Vervolgonderzoek tussen PEF en PET zou gedaan kunnen worden door deze hypothetische nieuwe methoden en productie technieken te implementeren in de Life Cycle Analysis.

In de Life Cycle analysis van de twee processen zijn veel aannames gemaakt over

insignificant energie verbruiken of afvalstromen waardoor sprake is van een heuristiek onderzoek waar de belangrijkste impactfactoren op vervuiling zijn beschouwd. Tevens is veel beschikbare data in de ISO database voor het maken van LCA’s gebaseerd op schattingen en aannames, waarvan het onbekend is in hoeverre deze data kan variëren of significant is (RIVM, 2017). Daarom valt de

25 significantie van de waarden die een Life Cycle Analysis genereert te betwisten.

Uit het onderzoek blijkt dat PEF uit maïs een NREU heeft van 25,5 GJ/ton PEF. PEF uit houtsnippers heeft een NREU van 32,8 GJ/ton PEF. Beide LCA's liggen dus lager dan die van PET met 69 GJ/ton PET. PEF uit houtsnippers met de Organosolv methode is theoretisch opgeschaald en Organosolv op labschaal al een erg kostbaar proces is om biomassa met lignocellulose voor te bewerken. Of PEF uit houtsnippers economisch realiseerbaar is in de toekomst is maar de vraag. Echter is het op basis van NREU waarden een ecologisch duurzame toekomst.

Er zal nog meer onderzoek gedaan moeten worden naar de prijs van PEF uit houdsnippers. In dit onderzoek is de prijs van PEF uit ‘corn’ vergeleken met de marktprijs van PET. In werkelijkheid is het mogelijk dat de prijs van PEF uit houtsnippers hoger ligt dan de geschatte waarde in dit onderzoek. LCIA

Naast het huidige bereik van de uitgevoerde LCA kan er ook gekeken worden naar een Life Cycle Impact Assessment. Hierbij wordt gekeken naar de verwerkings- en afvalproducten die in het biotechnologische proces vrijkomen en de invloed van deze producten op het milieu. Hierdoor wordt dus ook gekeken naar bijvoorbeeld de land use change. Daardoor kan voorgesteld worden dat bij het overstappen op houtsnippers en hierdoor geen gecultiveerd land meer wordt gebruikt het

bodemgebruik verandert. Hierdoor kunnen dus veel beter in kaart worden gebracht wat de specifieke ecologische voor en nadelen zijn. Bovendien kan gekeken naar de LCA van glas om daar de toekomst van te bekijken. Een studie van Garfi et al. (2016) toont aan dat het gebruik van glazen flessen in de meeste opzichten slechter is dan petrochemische PET flessen, ook op het gebied van CO2 uitstoot bij

26

Glossary

AAGR Average annual Growth rate

C6 Hexose suiker (fructose)

CO2 Koolstofdioxide

EG ethylene glycol

FCDA (C6) 2,5-Furandicarboxylic acid

IV tin

MMF methoxymethyl furfural NREU Non-renewable energy use

O2 Zuurstof

PEF Polyethyleenfuranoaat PET Polyethyleentereftalaat

PTA terephthalic acid

27

Literatuurlijst

Accorsi, R., Versari, L., & Manzini, R. (2015). Glass vs. Plastic: Life Cycle Assessment of Extra-Virgin Olive Oil Bottles across Global Supply Chains. Sustainability,7(3), 2818-2840.

Álvarez-Chávez, C. R., Edwards, S., Moure-Eraso, R., & Geiser, K. (2012). Sustainability of bio-based plastics: General comparative analysis and recommendations for improvement. Journal of leaner Production, 23(1), 47-56.

Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Principles of green chemistry. Green chemistry: Theory and practice, 29-56.

Beckman, E. J. (2016). Sustainable chemistry: Putting carbon dioxide to work. Nature,531(7593), 180-181.

Bos, H. L., van den Oever, M. J. A., & Meesters, K. P. H. (2014). Kwantificering van volumes en prijzen van

biobased en fossiele producten in Nederland: de waardepiramide en cascadering in de biobased economy (No.

1493). Wageningen UR Food & Biobased Research.

Chen, L., Pelton, R. E., & Smith, T. M. (2016). Comparative life cycle assessment of fossil and bio-based polyethylene terephthalate (PET) bottles. Journal of Cleaner Production, 137, 667-676.

Clark, J. A. (1988). Economies of scale and scope at depository financial institutions: A review of the literature.

Economic Review, 73(8), 17-33.

Eerhart, A.J.J.E., Faaij, A.P.C., Patel, M.K., Grisel, R.J.H., Huijgen, W.J.J., Van der Linden, R., Iqbal, S., De Jong, E., De Sousa Dias, A. & Van der Waal, J.C.. (2016) Pilot: CATFUR: CATalytic conversion of

lignocelluloses by an Organosolv process into FURan derivatives, Utrecht University

Eerhart, A. J. J. E., Huijgen, W. J. J., Grisel, R. J. H., Van Der Waal, J. C., De Jong, E., de Sousa Dias, A., ... & Patel, M. K. (2014). Fuels and plastics from lignocellulosic biomass via the furan pathway; a technical analysis.

Rsc Advances, 4(7), 3536-3549.

Eerhart, A. J. J. E., Faaij, A. P. C., & Patel, M. K. (2012). Replacing fossil based PET with biobased PEF; process analysis, energy and GHG balance. Energy & Environmental Science, 5(4), 6407-6422.

Garfí, M., Cadena, E., Sanchez-Ramos, D., & Ferrer, I. (2016). Life cycle assessment of drinking water:

Comparing conventional water treatment, reverse osmosis and mineral water in glass and plastic bottles. Journal

28

Gallezot, P. (2012). ChemInform Abstract: Conversion of Biomass to Selected Chemical Products. ChemInform,

43(19).

Gleick, P. H., & Cooley, H. S. (2009). Energy implications of bottled water. Environmental Research Letters,

4(1), 014009.

Glenz, W. (2004) Polyethylenterephthalat (PET) Kunststoffe 10/2004, p 76-78

Huppes, G., & Ishikawa, M. (2005). A framework for quantified eco- efficiency analysis. Journal of Industrial

Ecology, 9(4), 25-41.

Hoe werkt LCA?. RIVM. 13 januari 2017. Op:

http://www.rivm.nl/Onderwerpen/L/Life_Cycle_Assessment_LCA/LCA/Hoe_werkt_LCA

de Jong, E., Higson, A., Walsh, P., & Wellisch, M. (2012). Bio-based chemicals value added products from biorefineries. IEA Bioenergy, Task42 Biorefinery.

Jong, E. D., Dam, M. A., Sipos, L., & Gruter, G. M. (2012). Furandicarboxylic Acid (FDCA), A Versatile Building Block for a Very Interesting Class of Polyesters. ACS Symposium Series Biobased Monomers,

Polymers, and Materials, 1-13. doi:10.1021/bk-2012-1105.ch001

Khan, S., (2016). Stanford MBA Admission Blog. van: http://web.stanford.edu/group/mba/blog/2014/01/e-iper.html

Klooster, R. (2007). Verpakking buitenstebinnen.

Krawielitzki, S., & Kläusli, T. M. (2015). Modified Hydrothermal Carbonization Process for Producing Biobased 5-HMF Platform Chemical. Industrial Biotechnology, 11(1), 6-8.

Ladrak, T. (2012). Biobased Future, Right here. npt procestechnologie.

Lammens, T. M., Potting, J., Sanders, J. P., & De Boer, I. J. (2011). Environmental comparison of biobased chemicals from glutamic acid with their petrochemical equivalents. Environmental science & technology,

45(19), 8521-8528.

Lange, J., & Wyser, Y. (2003). Recent innovations in barrier technologies for plastic packaging—a review.

29

Langeveld, J. W. A., Dixon, J., & Jaworski, J. F. (2010). Development perspectives of the biobased economy: a review. Crop Science,50(Supplement_1), S-142.

Molenveld, K., & van den Oever, M. J. A. (2014). Catalogus biobased verpakkingen. Wageningen UR Food & Biobased Research.

Morelli, J. (2013). Environmental sustainability: A definition for environmental professionals. Journal of

Environmental Sustainability, 1(1), 2.

All4Pack. (2016). Packaging: market and challenges in 2016. The global marketplace for packaging.

Pan, X., Xie, D., Yu, R. W., & Saddler, J. N. (2008). The bioconversion of mountain pine beetle- killed lodgepole pine to fuel ethanol using the organosolv process. Biotechnology and Bioengineering, 101(1), 39-48.

Reith et al. (2011) A step towards the development of a Biorefinery, NPT procestechnologie, 18(1), 26-28

Rosenboom, J. G. (2015). 474244 Ring-Opening Polymerization for 100% Renewables-Based Polyethylene Furanoate (PEF) for the" Green Bottle.

Santhanaraj, D., Rover, M. R., Resasco, D. E., Brown, R. C., & Crossley, S. (2014). Gluconic Acid from Biomass Fast Pyrolysis Oils: Specialty Chemicals from the Thermochemical Conversion of Biomass.

ChemSusChem,7(11), 3132-3137. doi:10.1002/cssc.201402431

Sheldon, R. A. (2014). Green and sustainable manufacture of chemicals from biomass: State of the art. Green

Chem., 16(3), 950-963.

Shen, L., Worrell, E., & Patel, M. K. (2012). Comparing life cycle energy and GHG emissions of bio-based PET, recycled PET, PLA, and man-made cellulosics. Biofuels, Bioproducts and Biorefining,6(6), 625-639.

Stahl, S. S., & Alsters, P. L. (Eds.). (2016). Liquid Phase Aerobic Oxidation Catalysis: Industrial Applications

and Academic Perspectives. John Wiley & Sons.

Taylor, R., Nattrass, L., Alberts, G., Robson, P., Chudziak, C., Bauen, A., ... & Chiaramonti, D. (2015). From

the Sugar Platform to biofuels and biochemicals: Final report for the European Commission Directorate-General Energy. E4tech/Re-CORD/Wageningen UR.

The 12 Principles of Green Chemistry. 14 oktober 2016. Op: http://www.sigmaaldrich.com/chemistry/greener-alternatives/green-chemistry.html

30

TNS Political & Social network (2013) Attitudes of Europeans towards building the single market for green products : report [online]

Triebl, C., Nikolakis, V., & Ierapetritou, M. (2013). Simulation and economic analysis of

5-hydroxymethylfurfural conversion to 2,5-furandicarboxylic acid. Computers & Chemical Engineering,52, 26-34.

van Velzen, E. T., & Bos-Brouwers, H. E. J. (2012). Analyse Nederlands statiegeldsysteem voor PET flessen:

studie naar kosten, materiaalgebruik en energiegebruik van het Nederlandse statiegeldsysteem voor frisdrank-en waterflessen (No. 1316B). Wageningen UR Food & Biobased Research.

Veeneklaas, F. R., van Eck, W., & Harms, W. B. (1994). De twee kanten van de snip: over economische en

ecologische duurzaamheid van natuur (No. 351). DLO-Staring Centrum.

Viell, J., Harwardt, A., Seiler, J., & Marquardt, W. (2013). Is biomass fractionation by Organosolv-like processes economically viable? A conceptual design study. Bioresource technology, 150, 89-97.

Vohra, M., Manwar, J., Manmode, R., Padgilwar, S., & Patil, S. (2014). Bioethanol production: Feedstock and current technologies. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2(1), 573-584.

Werpy, T., & Petersen, G. (2004). Top Value Added Chemicals from Biomass: Volume I -- Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthesis Gas. U.S. Department of Energy, 3-20.

Willige, R. V., Linssen, J. P. H., Meinders, M. B. J., Stege, H. V. D., & Voragen, A. G. J. (2002). Influence of flavour absorption on oxygen permeation through LDPE, PP, PC and PET plastics food packaging. Food

Additives & Contaminants, 19(3), 303-313.

Zhang, X., Yang, G., Jiang, H., Liu, W., & Ding, H. (2013). Mass production of chemicals from biomass-derived oil by directly atmospheric distillation coupled with co-pyrolysis. Scientific Reports,3.

Zhang, K., Pei, Z., & Wang, D. (2016). Organic solvent pretreatment of lignocellulosic biomass for biofuels and biochemicals: a review. Bioresource technology, 199, 21-33.

Zhu, J. Y., & Pan, X. J. (2010). Woody biomass pretreatment for cellulosic ethanol production: technology and energy consumption evaluation. Bioresource technology, 101(13), 4992-5002.

31

Appendix I: Interview

Dinsdag 6 december 2017 - Avantium Interview met Gert-Jan Gruter

bijzonder hoogleraar Industrial Sustainable Chemistry aan de Universiteit van Amsterdam en CTO Avantium

Kunt u ons wat vertellen over wat Avantium doet?

Avantium is in 2000 opgericht. Het is een bedrijf in Amsterdam wat continu bezig is met het testen van katalysatoren testen. Avantium is uniek in de wereld en het is sinds 2006 eigen processen gaan ontwikkeling.

Avantium is bezig met het toepassen van katalyse op koolhydraten door middel van dehydrateren. We zijn bezig met zure katalyse, wat betekent dat het katalyse zonder enzymen is, confessioneel.

door het intermediair oxideren krijg je FCDA (C6) (2,5-Furandicarboxylic acid) in de plaats van TA (terephthalic acid) wat wordt gebruikt bij PET (C8).

De maximale opbrengst die je kan halen is 90%. Je hebt een aantal verliezen en bijproducten. Een optimalisatie naar 100% is niet mogelijk. Dit gebruiken we in bijvoorbeeld asfalt of als binder. Je kan suikers gebruiken als grondstof voor PEF. Er zijn verschillende generaties voor biobased plastic:

1. Zetmeel – Glucose (maïs, graan, aardappel) ---- ZAMBEZIE uit bv houtsnippers. 2. Suiker – Sucrose (lastiger, doordat je eerst moet scheiden)

3. Cellulose – (te moeilijk door lignine en te kostbaar, wordt dus niet gebruikt) Kunt u wat vertellen over de competitie tussen biobased plastic en voedsel?

Er is inderdaad een ethische kwestie of het goed is om voedsel te gebruiken voor het maken van plastic. Bioplastics nu nog niet met de voedselvoorziening. Maar als je de groei van de

wereldbevolking meerekent dan kan dit in de toekomst wel een groot probleem worden. Daarom richt Avantium zich op de tweede generatie biomassa: de non-food biomassa. Hierbij wordt geen extra land gebruikt, want hiervoor wordt er bioafval gebruikt. Er hoeven dus geen extra bomen te worden gekapt. Hier worden eerst de koolhydraten uitgehaald, en dan pas de lignine als energie.

Zimfina, joint venture. Fabriek in Antwerpen opzetten.

Copernicus instituut: LCA -- PEF vs PET. (Waste & CO2) --- Aardwetenschappen. Hoe is biobasedplastic (PEF) nu op de markt?

In de praktijk draait het om kosten. Bedrijven zijn niet geïnteresseerd in duurzaamheid als zij er economisch mee achteruit gaan. Om een voorbeeld te geven, Coca Cola moest meer betalen voor de groenere versie van de plantbottles, dit moet dan terug worden verdient met de marketing. Bedrijven hebben er op dit moment veel aan op zich ‘groen’ te promoten, de consumenten reageren hier op. Dit moet tegen elkaar opwegen.

Wat is het verschil in productiekosten tussen PEF en PET?

Wat betreft kosten kan ik alleen in algemene termen praten. Het verschil in productiekosten voor een enkele fles is heel erg klein. We hebben het hier over enkele centen, of misschien niet eens een cent. Maar de markt voor PET is op dit moment 50 miljoen ton per jaar. Je kunt je dan wel voorstellen dat als een bedrijf wil overstappen naar PEF, dit een bedrijf heel erg veel zal kosten. Zolang deze kosten niet door te voeren zijn naar consumenten zal een bedrijf hier niet in willen investeren.

32 investering van 2 miljoen is het mogelijk om 50.000 ton PEF te maken. De reactoren die PET

produceren zijn tien keer zo groot. Hoe groter je fabriek, hoe minder logistiek en dus hoe lager de kosten zijn voor de productie. Dit heet economies of scale.

Niemand gaat een miljard investeren, als het nog niet bewezen is dat het werkt. De kilo’s die hier uitkomen zijn altijd duurder omdat het nieuw en kleinschaliger is.

Als het niet mogelijk is om naar exacte prijzen te kijken van de flessen, wat is dan een relevante manier om dit onderzoek te bekijken vanuit economisch perspectief?

Er zijn meerdere manieren om het economisch te benaderen. Voordat wij zelf altijd beginnen met een bepaald project laten wij altijd eerst een econoom kijken naar het project, om te kijken of het relevant is voor de markt. Hier wordt een techno-economische analyse gedaan. Hier zal ik je artikelen over toesturen. Avantium is een heel interdisciplinair bedrijf waar de verschillende disciplines nauw met elkaar samenwerken.

Wat ook interessant is om naar te kijken is, is drop-in (bv suiker gebaseerd etheenglycol). Als je een nieuw product op de markt brengt dan moet er worden gekeken met wat het concurreert. Als PEF vergelijkbaar is met de eigenschappen van plastic (dus een drop-in), dan is de concurrentie heel lastig. Want PEF is nu nog een stuk duurder dan PET. Het is ook erg belangrijk wat de voorspellingen zijn voor het product. Blijft het product even duur? Of zal het product goedkoper worden als het op grotere schaal gemaakt zal worden? Als het vooruitzicht is dat het goedkoper wordt dan zijn bedrijven eerder geneigd erin te investeren. Maar als de eigenschappen zodanig anders (beter) zijn dan plastic dan hoeven we dus niet in competitie met PET. Maar eerder met glas of dubbellaags plastic (nylon laagje, om koolstof in de fles te houden). Als dit zo is dan maakt het een stuk interessanter voor bedrijven om te investeren hierin.

Techno-economische evaluatie: analyse van de fabriek, massabalans, hoeveel kost het dan straks per ton. Let dus op het verschil tussen iets nieuws en een drop-in. Als het een plek vindt in de markt vanwege andere eigenschappen, dan kan dat gewoon naast PET. Op dit moment is er bijvoorbeeld alleen bier uit glas te verkrijgen in de supermarkt. Bier uit flesjes bestaat nog niet, omdat de

doorlaatbaarheid van PET plastic te groot is. Met PEF zal dit misschien wel mogelijk zijn. Niemand bereid momenteel om meer te betalen, puur omdat het goed is voor het milieu. Als het product duurder is, zal het dus ook betere eigenschappen moeten hebben.

Wat zijn de voordelen van PEF?

De zuurstof barrière is tien keer beter dan bij plastic. Ook is de koolstof barrière beter. Dit maakt het erg interessant voor bedrijven met koolzuurhoudende dranken. Door deze eigenschappen blijft het product in de fles langer houdbaar.

Als de fles duurder is, geen betere eigenschappen heeft en er geen kostenreductie komt op korte termijn, dan heeft de fles geen kans in de markt.

Alles heeft te maken met consumenten demand en de peer pressure op de consumenten. Bedrijven gaan pas grote verschillen maken als er belastingen op CO2 gaan komen. Als de

belastingnadelen groter zijn dan de extra kosten om duurzamer te zijn, dan zullen bedrijven vanzelf overstappen.

Sommigen zien de opkomst van PEF als een bedreiging voor PET. Ik zie het als oppurtunity. Het is geen bedreiging. Er is een enorme groei in plastic, 5-6% per jaar. hierdoor is er een kans om een switch te maken naar biobased producten. PET blijft 500 jaar in de natuur, PEF zal rond de 10 jaar zitten. Biodegradeble breekt sneller af dan cellulose. Op dit moment wordt er heel veel getest naar de afbreekbaarheid. Recyclen is meestal heel duur. Dus een hoge feedstock concentratie in je

oplosmiddel (oplosmiddel gaat weer terug in het systeem – recycle) Er moet al vroeg gekeken worden naar dat soort kostenplaatjes. Is het haalbaar?