1. De groeiende belangstelling van consumenten voor duurzame oppervlakteactieve stoffen

“De wereldwijde vraag naar biologische oppervlakteactieve stoffen is enorm. Vandaag spreken we over een groei met twee cijfers.
We stellen vast dat alle bedrijven zich momenteel willen positioneren op het gebied van duurzame producten en meer respect voor het milieu.“ F. Warzée,DETIC

1.1 Alomtegenwoordige moleculen in ons dagelijks leven

De plantaardige chemie, een van de belangrijkste assen van de groene chemie, floreert. Ze speelt in op een groeiende vraag van tal van sectoren om moleculen van petrochemische oorsprong te vervangen door hun equivalent van plantaardige oorsprong.

De oppervlakteactieve stoffen, surfactanten genaamd (afkorting van het Engels SURFace ACTive AgeNTS) zijn moleculen uit ons dagelijks leven waarvan de totale productie in de 28 landen van de EU in 2019 3.149.044 ton bedroeg. CESIO1 schat dat 59% van die jaarlijkse Europese productie deels biogebaseerd is2.

Volgens het onderzoekscentrum van de Europese Commissie (Joint Research Centre) vormen de oppervlakteactieve stoffen een stabiele en volwassen sector in Europa. Deze moleculen hebben verschillende toepassingen in bijna alle aspecten van ons dagelijks leven: oplosmiddelen, schuimmiddelen, bevochtigingsmiddelen, dispergeermiddelen, emulgators… Ze worden daarom op grote schaal gebruikt bij de formulering van medicijnen, cosmetica, reinigingsmiddelen, additieven voor levensmiddelen en diervoeder, agrochemische producten, verf, en ook in milieusaneringstechnologieën, die momenteel uitgebreid worden bestudeerd.

Diagram oppervlakteactieve stoffen

Goed om weten

De oppervlakteactieve stoffen verminderen de oppervlaktespanning tussen twee oppervlakken, waardoor twee aanvankelijk niet-mengbare fasen kunnen dispergeren, bijvoorbeeld lucht en water of water en olie. Deze moleculen hebben een amfifiele structuur, d.w.z. ze zijn samengesteld uit twee delen: een hydrofoob (of lipofiel, vetminnend) deel, de “staart”, en een hydrofiel deel, de waterminnende "kop". Een oppervlakteactieve stof is altijd amfifiel; maar een amfifiele verbinding is niet noodzakelijk een oppervlakteactieve stof3.

Diagram amfifiele structuur

Amfifiele structuur van een oppervlakteactieve stof

Amfifiele structuur van een oppervlakteactieve stof

Oppervlakteactieve stoffen worden nog steeds grotendeels geproduceerd uit petrochemische grondstoffen. Maar het groeiende milieubewustzijn heeft geleid tot een verschuiving naar zogenaamde oleochemische producten, die deels afkomstig zijn uit plantaardige oliën, die momenteel meer dan de helft van de markt in Europa vertegenwoordigen. Deze oleochemische producten zijn echter slechts gedeeltelijk hernieuwbaar en hoofdzakelijk afkomstig uit gewasssen die ver buiten Europa worden geteeld4.

Oppervlakteactieve stoffen markt5

Diagram oppervlakteactieve stoffen markt
  • 44% van het marktvolume is volledig op aardolie gebaseerd en van fossiele oorsprong.
  • 52% van het marktvolume is deels afkomstig uit biomassa (oleochemische producten). Deze 52% omvat de oppervlakteactieve stoffen van biogebaseerde oorsprong (gemiddeld 40%), d.w.z. alle oppervlakteactieve stoffen waarvan het biogebaseerde gehalte tussen 5 en 95% ligt.
  • 4% van het marktvolume is deels afkomstig uit biomassa (oleochemische producten). Deze 52% omvat de oppervlakteactieve stoffen van biogebaseerde oorsprong (gemiddeld 40%), d.w.z. alle oppervlakteactieve stoffen waarvan het biogebaseerde gehalte tussen 5 en 95% ligt.

Wereldwijd vertegenwoordigen de biologische oppervlakteactieve stoffen momenteel slechts een heel klein deel van de markt van de oppervlakteactieve stoffen. Maar deze markt krijgt alle aandacht van industriëlen en begint terrein te veroveren.

1.2 De biologische oppervlakteactieve stoffen: populair en in trek

Recent zijn, gelijktijdig met de ontwikkeling van de bioraffinaderijen, de volledig biologische oppervlakteactieve stoffen entièrement op het toneel verschenen en hun ontwikkeling maakt een sterke groei door. In Europa, bijvoorbeeld, vertegenwoordigt de productie van oppervlakteactieve stoffen van biologische oorsprong ongeveer 1.100 kt/jaar, terwijl die van fossiele oorsprong ongeveer 2.400 kt/jaar bedraagt, dat is meer dan het dubbele6.

De uitdaging van de bioraffinaderijen is groot omdat ze de hernieuwbare koolstof van planten gebruiken en dus de uitstoot van broeikasgassen beperken. Ze bieden alternatieve manieren voor het gebruik van uitputbare fossiele bronnen. Het doel is om de bestanddelen van planten onder verschillende vormen te valoriseren: energie, materialen en interessante moleculen (ValBiom, 2020).

In termen van fysisch-chemische eigenschappen is er geen verschil tussen een enzymatisch verkregen biologische oppervlakteactieve stof en een microbieel verkregen biologische oppervlakteactieve stof als de moleculen een gelijkwaardige samenstelling hebben. De twee technologieën hebben daarentegen wel verschillende voor- en nadelen , die later in dit verslag worden besproken.

Naast het feit dat ze gemaakt zijn uit hernieuwbare grondstoffen zijn de belangrijkste voordelen van biogebaseerde oppervlakteactieve stoffen7 :

  • Hun lage ecotoxiteit en hun biologische afbreekbaarheid waardoor ze interessante alternatieven zijn voor de mens en het milieu.

Goed om weten

Richtlijn 73/404/CE7 verbiedt het op de markt brengen van oppervlakteactieve stoffen waarvan de biologische afbreekbaarheid minder dan 90 % bedraagt en bepaalde oppervlakteactieve moleculen die niet beantwoorden aan de criteria van de REACH-verordening8.

  • Hun vermogen om te voldoen aan de regelgeving op het gebied van veiligheid (milieu).
  • Het gebruik van goedkope grondstoffen (vetten, oliën, suikers) om ze te produceren.
  • Hun grote diversiteit aan structuren, waardoor een specifiek antwoord op een bepaalde toepassing mogelijk is.
  • Hun betere schuimende eigenschappen, in vergelijking met op aardolie gebaseerde oppervlakteactieve stoffen.
  • Hun bredere toepassingsgebied bij lage temperaturen, hoge pH’s en zoutgehaltes, in vergelijking met op aardolie gebaseerde oppervlakteactieve stoffen.
  • Hun antimicrobiële eigenschappen (schimmelwerend, antibacterieel en/of antiviraal). Hoewel niet alle biologische oppervlakteactieve stoffen betrokken zijn.

Het op de markt brengen van moleculen van plantaardige oorsprong als alternatief voor moleculen van fossiele oorsprong creëert grote maatschappelijke uitdagingen, waaronder de aanvaardbaarheid van biogebaseerde moleculen door de consument. Om deze belangrijke uitdaging tegemoet te komen, dienen deze biogebaseerde moleculen aan 4 criteria te voldoen:

Stake 1

1. ze mogen niet concurreren met voeding,

Stake 2

2. ze mogen niet meer dan 10% duurder zijn dan hun op aardolie gebaseerde equivalenten,

Stake 3

3. hun eigenschappen moeten minstens gelijkwaardig zijn aan die van hun op aardolie gebaseerde equivalenten,

Stake 4

4. hun impact op het milieu moet minimaal zijn.

Oppervlakteactieve stoffen vormen een groep van polyfunctionele ingrediënten, zelf onderverdeeld in vier subgroepen. Deze classificatie wordt uitgevoerd volgens de lading die wordt gedragen door het hydrofiele deel van de oppervlakteactieve stoffen in een waterig medium.

1. Anionische oppervlakteactieve stoffen

Anionen geven een negatieve lading (anion) af in een waterige oplossing, hun hydrofiele deel is negatief geladen. De eigenschappen van wasmiddelen, bevochtigers en schuimers die aan anionische oppervlakteactieve stoffen worden toegeschreven, maken ze tot sleutelingrediënten voor hygiëneproducten.

2. Kationische oppervlakteactieve stoffen

Kationen hebben een of meer functionele groepen die ioniseren in een waterige oplossing om positief geladen organische ionen te leveren die verantwoordelijk zijn voor de oppervlakteactiviteit. Zo worden kationische wasmiddelen gebruikt in ziekenhuizen en in de voedingsmiddelenindustrie.

3. Niet-ionische oppervlakte-actieve stoffen

De niet-ionische maken het mogelijk om meerfasensystemen zoals emulsies, suspensies en schuimen te stabiliseren om de actieve stoffen op te lossen. Ze hebben een zeer goede huidtolerantie en worden daarom het meest gebruikt in cosmetica.

4. Amfotere oppervlakte-actieve stoffen

Het toepassingsgebied van amfoteren is afhankelijk van de pH van de preparaten en omvat dat van andere groepen oppervlakteactieve stoffen.

Pictogram Biologisch afbreekbaarheid

Biologisch afbreekbaarheid

Pictogram Lage ecotoxiteit

Lage
ecotoxiteit

Pictogram Lage toxiciteit voor de mens

Lage toxiciteit
voor de mens

Geavanceerde eigenschappen

  • Leidt vaak tot minder ecotoxiteit in vergelijking met conventionele oppervlakteactieve stoffen.
  • Lagere kritische micelconcentratie.
  • Biologische activiteiten (antibacteriële, schimmelwerende, antivirale, kankerbestrijding en immunomodulatie).

Belemmeringen

  • Weinig kennis van de consument over het nut en de eigenschappen van biologische oppervlakteactieve stoffen.
  • Noodzaak van ontwikkelaars van afgewerkte producten om de meerwaarde te zien van het overschakelen van traditionele oppervlakteactieve stoffen naarbiologische oppervlakteactieve stoffen.
  • Afwezigheid van een standaarddefinitie van biologische oppervlakteactieve stoffen.
  • Ontwikkeling van nieuwe formuleringen: vaak nodig om de prestaties van biologische oppervlakteactieve stoffen te optimaliseren.
  • Kost van biologische oppervlakteactieve stoffen van microbiële oorsprong: in het algemeen 10 keer hoger dan die van oppervlakteactieve stoffen van fossiele oorsprong.
  • Laag rendement van de productie van microbiële biologische oppervlakteactieve stoffen en problematische toxische bijproducten.
  • Verwerking verderop in het proces van microbiële biologische oppervlakteactieve stoffen: gecompliceerd en vereist innovatie.

Wereldwijd zijn de meest gebruikte biologische oppervlakteactieve stoffen methylestersulfonaat (MES) (33,3%), de alkylpolyglycosiden (25%, meer dan 100.000 t/jaar), de sorbitaan esters en de suikeresters (ongeveer 6.000 t/jaar). Ze worden voornamelijk gebruikt in de productie van schoonmaakmiddelen (45%) en cosmetica (bijna 11%)9.

Aandeel biologische oppervlakteactieve stoffen in producten / toepassingen in de wereld

application 1

Huishoudelijke schoonmaakmiddelen

44,6%
application 2

Cosmetica

10,8%
application 3

Industriële reinigingsmiddelen

6,7%
application 4

Voedingsmiddelenindustrie

5,8%
application 5

Op aardolie gebaseerde additieven

4,3%
application 2

Agrochemie

3,5%
application 3

Textiel

2,2%
application 8

Andere markten

22,1%

Dubbelinterview: Jacky Vandeputte, Pôle Industries & Agro-Ressources10 en Frédérick Warzée, DETIC12

Foto van Jacky Vandeputte Jacky Vandeputte Pôle Industries & Agro-Ressources Foto van Frédérick Warzée Frédérick Warzée DETIC

Hoe beantwoordt de productie van nieuwe oppervlakteactieve moleculen aan de huidige verwachtingen van consumenten, en bijgevolg van industriëlen?

Jacky Vandeputte : Oppervlakteactieve stoffen worden gebruikt in de formulering van heel wat producten: schoonmaakmiddelen, cosmetica, verf, fytosanitaire producten... De markt van oppervlakteactieve stoffen vertegenwoordigt de meest ontwikkelde sector van biogebaseerde specialiteiten met een penetratiegraad van 25%. Deze aantrekkelijkheid heeft te maken met hun positieve imago, hun hogere biologische afbreekbaarheid en hun huidvriendelijkheid, vooral in cosmetica (60-80%). Ze vormen een alternatief voor aardolieproducten en maken het mogelijk om bepaalde als zorgwekkend beschouwde stoffen te vervangen door stoffen met een beter toxicologisch- en milieuprofiel.

Frédérick Warzée : Er zijn momenteel geen statistieken voor België maar de trends zijn vrij vergelijkbaar. Ik stel toch vast dat er aan Vlaamse zijde een grote dynamiek is voor de ontwikkeling van biotechnologieën . Maar over het algemeen is er in België een grote vraag naar biogebaseerde eindproducten. In termen van productie is de prijs van biogebaseerde grondstoffen een belemmering voor de ontwikkeling... Vooral op het gebied van schoonmaakmiddelen.
In de cosmetica is de consument over het algemeen bereid iets meer te betalen. Wat schoonmaakmiddelen betreft, circuleert er nog steeds een misverstand: biogebaseerde schoonmaakmiddelen zouden minder efficiënt zijn dan hun op aardolie gebaseerde equivalenten. Dat is natuurlijk niet waar. De consument is daarom terughoudender. Maar er vindt toch een positieve mentaliteitswijziging plaats op dit gebied.

Is de plantaardige chemie een sector met een groot potentieel in Frankrijk, Wallonië en Vlaanderen?

Jacky Vandeputte : Nog voordat plantaardige chemie in de jaren ‘80 in de mode kwam, hebben de regio's Grand Est en Hauts-de-France gefocust op deze sector, met de oprichting van technische centra zoals Extractis (ex CVG) maar ook particuliere onderzoekscentra zoals ARD, die toen gewoonlijk bioraffinaderijen werden genoemd. Naast de plantaardige chemie hebben deze twee regio’s van de bio-economie een belangrijke pijler van hun economische ontwikkeling gemaakt.

De regio Hauts-de-France beschikt over een groot netwerk van spelers in de hele waardeketen van de bio-economie (27.000 landbouwers, zaadfabrikanten, toonaangevende bedrijven in de sector, concurrentieclusters, technologieplatformen), overvloedig aanwezig en gediversifieerde hulpbronnen (2 miljoen hectare landbouwgrond en 450.000 hectare bossen, een uitgestrekte kustlijn,...), maar ook sectoren met een potentieel om echt leiderschap op te bouwen (1e Franse agrovoedingsregio, wereldleiders in de biotechnologie, 1e regio voor de verwerking en verbetering van zeeproducten, regio die een voortrekkersrol vervult in de insectensector...).

De bio-economie weegt steeds zwaarder door in de regionale economische ontwikkeling sinds tussen 2014 en 2017, voor elke euro die de Regio in de sector investeerde, 7 euro werd geïnjecteerd in de regionale econonomie . De bio-economie vertegenwoordigt meer dan 85.000 jobs in Hauts-de-France.

Ook de regio Grand Est heeft veel troeven om een referentiegebied op dit vlak te worden. De regio heeft opmerkelijke biomassa (meer dan 50% van het gebied is gewijd aan de landbouw met bijna 50.000 bedrijven, bijna 2 miljoen ha bos en 2e regio voor houtkap, topsectoren), een gevarieerd en actief industrieel netwerk (regionale bioraffinaderijen van Pomacle-Bazancourt, Europese hennepcluster, grote industriële namen...), erkende R&D-innovatiestructuren (IAR, CEBB, FRD...), markten van wereldklasse en groeimarkten (landbouw/bosbouw/wijnbouw, voeding/dierenvoeder...). 111.800 jobs houden verband met de landbouw-/voedingsmiddelensector.

Hauts-de-France en Grand Est streven beide naar Europees leiderschap in de bio-economie. Daarom heeft de Regio Hauts-de-France in 2018 zijn Master Plan Bio-economie goedgekeurd voor een concurrerende, duurzame sector die meerwaarde en jobs creëert. De Regio Grand Est van zijn kant stemde eind 2019 voor een strategie waarbij de bio-economie in dienst staat van de groei en het concurrentievermogen van de bedrijven op zijn grondgebied.

Frédérick Warzée : Ook in België is het potentieel aanzienlijk. Het land - in het bijzonder Brussel - heeft een groot voordeel: het telt veel Europese hoofdkantoren van multinationals die overstappen op biogebaseerde producten. Tegelijkertijd slagen verschillende Belgische kmo’s erin te concurreren met de grote groepen door zich op de markt van de groene chemie te richten.

In welk opzicht is de aanpak van het ValBran-onderzoeksproject innovatief?

Jacky Vandeputte : Er is al een heel assortiment biogebaseerde oppervlakteactieve stoffen (suikeresters, APG’s, lipo-aminozuren...). De regio Grand Est heeft tien jaar geleden geïnnoveerd met de ontwikkeling van de eerste oppervlakteactieve stoffen op basis van tarwezemelen en de oprichting van het bedrijf Wheatoleo. Het ValBran-project wil de in tarwezemelen overvloedig aanwezige polysacchariden (cellulose en hemicellulose) valoriseren onder de vorm van oppervlakteactieve moleculen.

Het innovatieve karakter ervan hangt samen met de ontwikkeling van een biotechnologieproces en het gebruik van enzymen om niet alleen de suikers te fractioneren, maar ook om oppervlakteactieve stoffen te ontwikkelen en te functionaliseren . Het doet een beroep op een hele resem van processen en in het bijzonder op scheidings-/zuiveringsprocessen om nieuwe, orginele structuren te ontwikkelen voor toepassingen zoals voeding (levensmiddelenadditieven), schoonmaakmiddelen, cosmetica maar ook fytosanitaire producten.

Frédérick Warzée : Dit project speelt in op de belangen van industriëlen. Immers op korte tot middellange termijn (5-10 jaar) verwachten we dat de Belgische en Franse bedrijven het petrochemische zullen verlaten en zich zullen richten op de biomassa, met een voorkeur voor landbouwafval en alles wat samenhangt met voeding. De industriëlen zijn zich ervan bewust dat de landbouw zich richt op de massaproductie van levensmiddelen om aan de wereldwijde vraag te voldoen. De productie van oppervlakteactieve stoffen op basis van voedselafval wordt dus zeer interessant .

Interview: Dr. Boris Estrine, Agro-industrie Recherches et Développements13

Foto van Boris Estrine Dr. Boris Estrine Agro-industrie Recherches et Développements

Waarom is de productie van oppervlakteactieve stoffen uit agrarische bijproducten zoals tarwezemelen interessant?

Ons onderzoek naar het gebruik van agrarische bijproducten zoals tarwezemelen of tarwestro begon rond 1996 en resulteerde in de oprichting van een dochterbedrijf voor de verkoop van onze oppervlakteactieve stoffen in 2010.

In het licht van de groeiende vraag naar duurzame oppervlakteactieve stoffen, interesseert ARD zich enorm in het gebruik van natuurlijke hulpbronnen die weinig of slecht worden benut. Dankzij landbouwoverschotten en bijproducten kunnen we oppervlakteactieve stoffen produceren met een zeer lage impact op het milieu, vooral door hun herkomst (continentaal Europa).

Wat zijn de innovatie-uitdagingen in uw vakgebied?

De productie van efficiënte en goed werkende oppervlakteactieve stoffen is onze prioriteit. Zodra de oppervlakteactieve stof is gevalideerd, moeten we ervoor zorgen dat ze een lage ecotoxiteit heeft om aan de huidige verwachtingen van de klant te voldoen. Voor ons is de combinatie van die twee criteria de belangrijkste motor voor innovatie.

Evolueert de reglementering in de richting van een ontwikkeling van biogebaseerde oppervlakteactieve stoffen en nieuwe technologieën om ze te produceren?

Ja en nee. Dankzij de IVE-verordening konden we een stap zetten in de richting van meer aanvaardbare moleculen op het gebied van toxiciteit, zonder echter een gerichtheid op een plantaardige oorsprong mogelijk te maken die beter wordt gerealiseerd dankzij het Écocert-label en ECOLABEL. De uiteindelijke keuze ligt hoe dan ook bij de consument die, door te kiezen voor producten met een label, de ontwikkeling van biogebaseerde oppervlakteactieve stoffen bevordert.

Op het gebied van technologie, is het eerder het bedrijf dat beslist. Het is het bedrijf dat de knowhow van groene chemie en fermentatie bezit. Het bedrijf zal daarom de productiemethode kiezen, bijvoorbeeld fermentatie, afhankelijk van de economische raming van de productiekost, gecombineerd met de LCA-raming van de ecologische impact van deze technologie (zie hoofdstuk 3).


1 European Committee of Organic Surfactants and their Intermediates (CESIO).

2 De Cooman C, 2020

3 Larpent C, 2020

4 JRC, 2019

5 Roelants S. et Soetaert W., 2021

6 RoadToBio, 2019

7 RoadToBio, 2019

8 Artikel 2 van de Richtlijn van de Europese Raad van 22 november 1973 (73/404/CEE) bepaalt dat: “De Lidstaten verbieden het op de markt brengen en het gebruiken van detergentia, wanneer de gemiddelde biologische afbreekbaarheid van de daarin aanwezige oppervlakteactieve stoffen minder dan 90% bedraagt voor elk van de volgende categorieën: de anionactieve, de kationactieve, de niet-ionische en de amfolitische oppervlakteactieve stoffen. Het gebruik van oppervlakteactieve stoffen waarvan de gemiddelde graad van biologische afbreekbaarheid ten minste 90% bedraagt, mag bij normaal gebruik geen schade berokkenen aan de gezondheid van mens of dier.”
De REACH-verordening (registratie, beoordeling, autorisatie en beperking van chemische stoffen) biedt een alomvattend wetgevingskader voor de productie en het gebruik van chemische stoffen in Europa. Op 1 juni 2007 trad de wetgeving REACH in werking.

9 RoadToBio, 2019

10 IAR is de Franse bio-economie cluster, actief in Europa en internationaal.

11 DETIC is de Belgisch-Luxemburgse vereniging van producenten en distributeurs van cosmetica, schoonmaakmiddelen, onderhoudsproducten, lijmen en mastieken, biociden en aerosolen.

12 Als deskundige in de chemische extractie van plantaardige eiwitten en proactief in de valorisatie van bijproducten, werkt het Franse bedrijf ARD (Grand Est) voornamelijk op akkerbouwgewassen, speciale gewassen, agro-industriële bijproducten (o.a. tarwezemelen) en oogstresten. Afhankelijk van de gebruikte processen en de plant kunnen de verkregen producten in verschillende sectoren worden gebruikt.

13 De IVE-verordening (in het Engels: CLP - Classification, Labelling, Packaging) verwijst naar Verordening (EG) nr. 1272/2008 van het Europees Parlement betreffende de indeling, etikettering en verpakking van chemische stoffen en mengsels.