Onderzoek Marc Spiller

Abstract

Vlaanderen heeft samen met vele andere regio's in Europa een van de droogste zomers in de geschiedenis achter de rug en dit zal helaas geen uitzondering zijn. Om voldoende water beschikbaar te houden (voor drinkwater, landbouw, industrie...), moeten we de veerkracht van ons waterbeheer aanzienlijk verhogen door optimalisatie van de bestaande infrastructuur, stimulering van circulaire waterpraktijken en strategische investeringen in nieuwe infrastructuur. Waterbeheer is echter inherent een zeer complex gegeven dat veel verschillende actoren raakt en een grote ruimtelijke schaal bestrijkt. Meer veerkracht vraagt dus een besluitvormingsinstrument dat deze complexiteit kan integreren om meerdere doelstellingen met elkaar in evenwicht te brengen voor holistische beslissingen. Het is echter nog niet mogelijk om momenteel de beschikbare gegevens en modelleringsinstrumenten op verschillende schalen samen te brengen en toepassingsgebieden om technologische of maatschappelijke uitdagingen op hoog niveau aan te pakken. Dit project zal methodologieën ontwikkelen die gebaseerd zijn op semantische webstandaarden. Datastandaarden, ontologiën en een dynamische kennisgraaf worden ontwikkeld om kennis te coderen en structureren en zo een holistische structuur van het waterdomein te creëren. De kennisgraaf zal dynamisch zijn zodat deze voortdurend kan worden aangevuld met nieuwe gegevens (sensorgegevens, ontwerpgegevens, simulatiegegevens). Verder wordt de integratie van voorspellende modellen en optimaliseringsalgoritmen binnen de structuur voorzien, waardoor holistische scenario's kunnen worden geanalyseerd ter ondersteuning van de besluitvorming. Kennisgrafen kunnen modulair worden opgebouwd, wat veel flexibiliteit biedt voor toekomstige ontwikkelingen. Aangezien zij gebaseerd zijn op gestandaardiseerde websemantiek kunnen zij gemakkelijk worden bevraagd. Bovendien maakt de gestandaardiseerde vorm ook koppeling met andere sectoren mogelijk voor cross-domein besluitvorming.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Spiller Marc
• Co-promotor: Van Winckel Tim

Onderzoeksgroep(en)

• Biogebaseerde duurzaamheidsengineering (SUSTAIN)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Stikstof (N) en fosfor (P) zijn essentiële elementen voor alle leven. Jaarlijks wordt er in de EU 24 Mt N gesynthetiseerd en 3.7 Mt P geïmporteerd. De mens verstoort de cycli van N en P tot voorbij de draagkracht van onze planeet. Verduurzamen van de N- en P cycli is een van de speerpunten in de "van boer tot bord"-strategie van de EU. Vlaanderen heeft door een sterke agro-voedingsindustrie grote N- en P-stromen, met veel potentieel voor hergebruik. Maar de vele actoren en processen in de voedselvoorzieningsketen vormen een zeer complex netwerk. Een diep inzicht in mogelijkheden voor hergebruik ontbreekt. Om een goed beleid te voeren, moeten we eerst begrijpen hoe keuzes van actoren tot stand komen, hoe technologieën in ontwikkeling zullen presteren in de toekomst en hoe beide elementen samen de N- en P-cycli kunnen verbeteren. NutriChoice pakt deze kenniskloof aan, en werkt daarbij interdisciplinair. Er worden inzichten en methodologieën ontwikkeld in drie domeinen: i) Het ophelderen van keuzegedrag van actoren in de volledige waardeketen. De variabelen die de keuzes voor hergebruik van N en P aansturen, worden gekwantificeerd. ii) Een nieuwe methode voor het beoordelen van nieuwe technologieën voor N en P hergebruik. iii) Kwantitatieve toekomstscenario's voor stofstromen van N en P in 2050. Met deze drie elementen zal NutriChoice efficiënte strategieën ontwikkelen voor een duurzaam nutriëntenbeleid in Vlaanderen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Spiller Marc
• Co-promotor: Van Passel Steven
• Mandaathouder: Santolin Julia

Onderzoeksgroep(en)

• Biogebaseerde duurzaamheidsengineering (SUSTAIN)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

BIOVEXO demonstreert een set nieuwe en innovatieve biopesticiden tegen de fytopathogene bacterie Xylella en diens overbrengende schuimcicadevector, om een ziekte te genezen die een ernstige bedreiging vormt voor de productie van olijven en amandelen in het Europese Middelandse Zeegebied. De biopesticiden van BIOVEXO zullen de input van chemische insecticiden verminderen, en zullen de Europese olijfkweek duurzaam beschermen en laten groeien in zijn waardevolle socio-economische context. De producten zullen getest worden voor gebruik in curatieve en preventieve benaderingen (geïntegreerde gewasbescherming). BIOVEXO zal mechanistisch inzichten leveren van de biopesticidenwerking om de finale productontwikkeling te ondersteunen, en zal de ecologische en economische duurzaamheid analyseren door levenscyclusanalyse (LCA) en study van risico's, toxiciteit en pathogeniciteit. Universiteit Antwerpen is voornamelijk betrokken bij de LCA-activiteiten. Grondige evaluatie m.b.t. het naleven van de regelgeving zal de producten voorbereiden tot een vlotte marktintrede na het project.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Moretti Michele
• Co-promotor: Spiller Marc

Onderzoeksgroep(en)

• Biogebaseerde duurzaamheidsengineering (SUSTAIN)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Microbieel eiwit is een alternatieve en duurzame eiwitbron voor diervoeders en humane voeding. Eerder onderzoek heeft het potentieel aangetoond minder duurzame, conventionele eiwitbronnen te vervangen in voeders voor aquacultuur en in humane diëten. Dit project gaat in op technologische en niet-technologische uitdagingen om nieuwe microbiële eiwitprocessen en -producten te ontwikkelen en te implementeren die zowel technisch en maatschappelijk rendabel zijn. Voor de productie van purperbacteriën en aerobe heterotrofen worden innovatieve secundaire en hernieuwbare grondstoffen bekeken. Om de nutritionele en functionele kwaliteit van de biomassa te optimaliseren, zullen microbiële controle-instrumenten en innovaties op het gebied van 'downstream processing' worden ontwikkeld en geautomatiseerd. Om het keuzeproces voor implementatie van nieuwe eiwitproducten en -technologieën te ondersteunen, zullen milieueffecten en sociale acceptatiefactoren worden bepaald. De milieu-impact van producten en processen zal worden geëvalueerd met behulp van levenscyclusanalyse. Dit laat toe om te evalueren of de microbiële producten superieur zijn aan conventionele eiwitbronnen. Sociaal wetenschappelijk onderzoek, zoals interviews en enquêtes, zal worden uitgevoerd om acceptatiefactoren van producten en technologieën te achterhalen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Alloul Abbas
• Co-promotor: Spiller Marc
• Co-promotor: Vandermoere Frederic

Onderzoeksgroep(en)

• Biogebaseerde duurzaamheidsengineering (SUSTAIN)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Gezonde lucht is een kernprioriteit voor Vlaanderen, naast het extraheren van grondstoffen uit vervuilde lucht en gassen. De stikstofcyclus vergt dringend onze aandacht. Het huidige onduurzame beheer van ammoniakale stikstof (N) beschadigt kwetsbare ecosystemen en onze gezondheid. Vandaag wordt de technologie van zure wasser gebruikt om stikstof uit de lucht te halen. Het gebruik van minerale zuren zoals zwavelzuur is echter duur en gevaarlijk. De productie en transport van minerale zuren zijn bovendien schadelijk voor het milieu. Het eindproduct van wassen is een ammoniumsulfaatoplossing die landbouwbodems verzuurt en leidt tot extra bekalkingskosten. Er is echter een unieke kans om op een meer duurzame manier N uit ammoniakhoudende lucht en gassen te herwinnen. We hebben de bouwstenen in handen om een technologische oplossing te ontwikkelen om N-rijke lucht te verwerken als grondstof in een circulaire economie voor de productie van meststoffen. Hierbij vermijden we emissies en we ontwikkelen een duurzame strategie voor de landbouw. BioCatcher 2 bestudeert een innovatief biowasserconcept met de microbiële productie van protonen en nitraat. Ontwikkelingsuitdagingen liggen bij een slimme koppelingsen controlestrategie tussen de scrubber- en nitrificatie-eenheden, beiden bedreven onder extreme omstandigheden. De ammoniakbehandeling en geproduceerde nitraathoudende oplossingen hebben minder kosten, zijn veiliger en beter voor het milieu.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Spiller Marc

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het in maart 2020 opgestelde actieplan voor de circulaire economie is een van de belangrijkste bouwstenen van de Europese Green Deal om de EU tegen 2050 klimaatneutraal te maken en andere milieueffecten te verminderen (bv. stikstofverontreiniging, luchtverontreiniging, biodiversiteitsverlies). De circulaire economie vereist dat reststromen (bv. afval en nevenstromen) beter worden benut door er nieuwe hoogwaardige producten van te maken. Hierbij horen de productie van meststoffen, eiwitten of bouwmaterialen uit afvalstromen, maar ook de vervanging van fossiele kunststoffen door hernieuwbare alternatieven. Bij het nastreven van de circulaire economie moet er echter op worden toegezien dat de milieueffecten van de nieuwe goederen worden verminderd of dat de milieueffecten niet eenvoudigweg worden verwisseld tussen impactdomeinen. Bovendien ontstaan er door het hergebruik van afvalstromen nieuwe methodologische uitdagingen voor de milieubeoordelingen, zoals de vraag hoe rekening moet worden gehouden met de effecten van afval die stroomopwaarts ontstaan, wat de systemische impact is van nieuwe waardeketens op basis van afval/nevenstroomproducten en hoe rekening moet worden gehouden met het verschil in kwaliteit van recyclaten in vergelijking met nieuwe materialen. De doelstelling van het MAZE-project is het ontwikkelen van nieuwe methoden en benaderingen om de (prospectieve) evaluatie van milieueffecten van biogebaseerde producten te verbeteren. De belangrijkste methoden die in het project zullen worden gebruikt zijn levenscyclusanalyse en materiaalstroomanalyse. Het onderzoek zal betrekking hebben op de vraag hoe rekening kan worden gehouden met de stroomopwaartse effecten van afvalproducten, hoe de productkwaliteit kan worden geëvalueerd in milieu- en materiaalstroombeoordelingen en vervolgens hoe de informatie kan worden gebruikt in prospectieve besluitvorming. De methoden zullen worden toegepast op een geselecteerd aantal biogebaseerde materialen/producten om hun toepasbaarheid aan te tonen. De resultaten van het project zijn in strategisch opzicht in lijn met de circulaire economie van de EU.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Nimmegeers Philippe
• Promotor: Spiller Marc
• Co-promotor: Buyle Matthias
• Co-promotor: Nimmegeers Philippe
• Co-promotor: Spiller Marc

Onderzoeksgroep(en)

• Intelligentie in processen, geavanceerde katalysatoren en solventen (iPRACS)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De toenemende wereldbevolking en levensstandaard vereisen een eiwittransitie voor een meer duurzaam voedingssysteem. Een oplossing hiertoe ligt bij microbieel eiwit, i.e. het gebruik van microbiële biomassa als alternatieve eiwitbron voor menselijke voeding. Dit is in het bijzonder duurzaam als gebaseerd op hernieuwbare elektron- en koolstofbronnen die geen landbouwgrond noch fossiele brandstoffen vereisen. Dit wordt mogelijk gemaakt door de bewegingen naar groene elektrificatie en koolstofcaptatie die nieuwe routes leveren voor H2, CO2 en van CO2 afgeleide componenten (e.g. methanol, mierenzuur, azijnzuur). Kernuitdagingen liggen bij het produceren van microbiële biomassa op deze componenten dat voedzaam en praktisch bruikbaar is. In het project Air2Protein zal een doelgerichte benadering gebruikt worden om de beste strains, metabolismes en kweekcondities te selecteren vertrekkende van H2, CO2 en/of CO2-derivaten. Daarbij is niet enkel het eiwitgehalte van belang, maar ook essentiële aminozuren en vetzuren, en vitamines. Daarenboven zullen nieuwe benaderingen verkend worden voor stabilisatie en andere downstream processing. Air2Protein sluit aan bij de duurzame H2- en CO2- gebaseerde economie, en wil bijdragen tot nieuwe voedzame en bruikbare eiwitingrediënten voor de voedingsindustrie.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Alloul Abbas
• Co-promotor: Spiller Marc

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Wereldwijd staan we voor grote uitdagingen op het vlak van waterstress en -zekerheid door meer frequente en ernstige droogte in combinatie met een toenemende vraag naar water vanuit de maatschappij. Industriële activiteiten spelen een kernrol bij deze maatschappelijke watervraag, en zijn tegelijkertijd de eersten die impact ondervinden van tekorten. In Vlaanderen bijvoorbeeld is een kwart van de bruto toegevoegde waarde afkomstig van industriële activiteiten, maar tegelijk is de regio enorm kwetsbaar inzake waterbeschikbaarheid omdat 40-80% van de huidige waterbronnen volledig benut worden. De industrie is ook de eerste partij die haar rechten om te produceren verliest bij extreme droogte, wat nefast is voor haar economisch rendement. De industrie heeft al haar bezorgdheid hierover geuit, maar geeft toe niet voorbereid te zijn voor effectieve problemen. Industriële watergebruik is complex naar kwantiteit, kwaliteit en dynamiek toe, wat het moeilijk maakt om opportuniteiten bloot te leggen zonder de hulp van holistische computationele hulpmiddelen. Industriële sites bieden weliswaar heel wat mogelijkheden naar efficiënt watergebruik en industriële ecologie toe, gezien de individuele activiteiten dicht bij elkaar gelocaliseerd zijn en diverse karakteristieken naar vraag en aanbod toe vertonen. Het efficiënt beheren van water met een focus op het gebruik van 'alternatieve waterbronnen' zoals gezuiverd afvalwater en regenwater is dus zeer belangrijk om een duurzame groei van de Vlaamse economie te ondersteunen. De Blue Deal van de Vlaamse regering maakt van alternatieve waterbronnen een speerpunt, wat de urgentie van deze uitdaging benadrukt. Het doel van de Water Reuse and Exchange Advanced Computational Tool (WaterREACT) is modelcode te prototyperen dat zorgt voor een minimale watervraag van industriële zones naar externe, 'conventionele' bronnen, i.e. kraantjes-, oppervlakte- en grondwater. WaterREACT mikt er zo op bedrijven te helpen om te plannen rond circulair watergebruik en regenwatergebruik op industriële sites. In het bijzonder richt het modelalgoritme er op computatiegebaseerde input te leveren voor beslissing, door scenario's door te rekenen die wateruitwisseling o.b.v. alternatieve bronnen tussen bedrijven optimaliseren, en afhankelijkheid van conventionele bronnen minimaliseren. Overeenkomsten tussen vraag naar en aanbod van water zullen gevonden worden gebaseerd op de hoeveelheid, kwaliteit en temporaliteit van de stromen. Bijkomend wordt er rekening gehouden met de nabijheid van aanbod- en vraagpunten, samen met de behandelingsopties om de kwaliteit te verbeteren. De uitwisseling van water kan worden gesimuleerd tussen twee of meerdere bedrijven. Om beslissing te ondersteunen, zullen indicatoren berekend zoals de waterrobuustheid, kost en milieu-impact van de verschillende scenario's. In het beginstadium van het project zullen de verwachtingen van de eindgebruikers en klanten in kaart gebracht worden, en gebruikt worden om het minimum viable product en de valorizatietrajecten te definiëren.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Spiller Marc
• Co-promotor: Verhaert Ivan

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

In NutriFlow werken Universiteit Gent, Universiteit Antwerpen, de European Biogas Association en United Experts samen om material/substance flow analyses (MFA/SFA) uit te voeren voor de Vlaamse Milieumaatschappij (VMM). In het bijzonder wordt gefocust op stikstof, fosfor en eiwit binnen de agrovoedingsketen. Nuttige indicatorparametuers zullen hieruit afgeleid worden om de duurzaamheid te karakteriseren van het beheer van de gerelateerde grondstoffen en producten.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Spiller Marc

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Slechts 20% van de stikstof die gebruikt wordt in de landbouw in de EU komt uiteindelijk in onze voeding terecht. De overgrote meerderheid komt vrij als reactieve stikstof in bodem, lucht en water, en heeft een belangrijke negatieve impact op de gezondheid van mens en milieu. Hoewel stikstof een hernieuwbare grondstof is, vraagt industriële stikstoffixatie uit de lucht veel energie (in het Haber-Boschproces) en is dit proces jaarlijks verantwoordelijk voor de uitstoot van belangrijke hoeveelheden broeikasgassen. Door stikstof te recycleren uit afvalstromen en op te waarderen tot herbruikbare producten, kan dit gevoelig verminderd worden. Een belangrijke toepassing is het gebruik als meststof voor plantaardige productie. Daarenboven is Vlaanderen gemarkeerd als een nitraatgevoelige zone, wat de noodzaak onderstreept om meer efficiënt en duurzaam om te gaan met nutriënten, door o.a. in te zetten op het hergebruik van de nutriënten in afvalstromen aanwezig. Ammoniumrijke vloeibare stromen kunnen volgens de huidige state of the art behandeld worden met stripping en zure wassing. Ammoniakrijke lucht of gassen met zure wassing. Belangrijke nadelen van dit proces zijn echter: i) hoge operationele kosten, en ii) gebruik van en de opslag van sterke zuren die belangrijke risico's meebrengen voor de gezondheid en een negatieve impact hebben op het milieu. BioCatcher biedt een oplossing voor deze problemen aangezien hier op een biologische en duurzame wijze vermeden wordt dat chemische zuren nodig zijn. In het project worden de operationele grenzen afgetast en vastgelegd, om inzicht te verkrijgen in de kritische parameters. In een tweede deel wordt een reactorprototype uitgetest en geoptimaliseerd om maximale gehaltes aan nuttige componenten te verkrijgen. Ten slotte wordt de economische haalbaarheid onderzocht.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Spiller Marc

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Langdurige bemande ruimtemissies hebben de laatste jaren meer publieke belangstelling gekregen, maar brengen weliswaar grote en unieke ingenieursuitdagingen met zich mee. De luchtdruk in de cabine wordt voornamelijk bepaald door de hoeveelheid inert stikstofgas die aanwezig is en kleine verliezen tijdens lange missies kunnen leiden tot condities ongeschikt voor leven. Op dit moment bestaan er geen ruimtevaarttechnologieën om het verloren stikstofgas te genereren o.b.v. lokaal beschikbare bronnen. Op aarde wordt stikstofgas microbieel geregenereerd met bacteriën die denitrificatie of anammox uitvoeren, processen die met succes worden toegepast in bijvoorbeeld afvalwaterzuiveringsinstallaties. Deze studie heeft tot doel deze microbiële technologie te extrapoleren naar ruimtetoepassingen, waarbij de in de urine van astronauten de aanwezige stikstof kan worden omgezet in inert stikstofgas. De "Nitrogenisor" zal gebruik maken van partiële nitritatie/anammox, als energie- en hulpbronefficiënt proces met minimale coproductie van koolstofdioxide. Toepassing van dit proces in een membraanbeluchte biofilmreactor zal zwaartekrachtonafhankelijke beluchting mogelijk maken. Nitrogenisor zou de nood om stikstofgas uit de aarde te halen verminderen, en tegelijkertijd risico's mitigeren m.b.t. het afval dat op het ruimteschip geproduceerd wordt.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Spiller Marc

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De doelstelling van SARASWATI 2.0 is het identificeren van de beste beschikbare en betaalbare technieken voor gedecentraliseerde afvalwaterbehandeling met de focus op grondstof-/energieherwinning en hergebruik in stedelijke en rurale omgevingen. Bovendien wordt de uitdaging aangegaan om hierbij real-time monitoring en automatisering uit te rollen. Tien piloottechnologieën zullen een verregaande verwijdering van organische vervuiling, nutriënten, micropolluenten en pathogenen demonstreren in India. Alle piloten laten grondstofherwinning toe volgens de principes van een circulaire economie, en ondergaan een comprehensieve performantieanalyse aangevuld met een duurzaamheidsanalyse. UAntwerpen, in samenwerking met TUDelft en IITKharagpur, is betrokken bij één van deze piloten die gebaseerd is op een innovatieve racewayreactor die purperbacteriën produceert op het afvalwater. UAntwerpen zal bovendien de levenscyclusanalyse (LCA) uitvoeren op de piloottechnologieën.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Spiller Marc

Onderzoeksgroep(en)

• Biogebaseerde duurzaamheidsengineering (SUSTAIN)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

SUSFERT adresseert het aanzienlijke gebruik van minerale meststoffen binnen de landbouw in de Europese Unie (EU), grotendeels gebaseerd op niet hernieuwbare grondstoffen, maar essentieel bij intensieve productie van gewassen om tegemoet te komen aan de vraag naar voedsel en voeder. SUSFERT zal multifunctionele meststoffen ontwikkelen voor de dosering van fosfor (P) en ijzer (Fe), passend in bestaande productieprocessen en de gangbare landbouwpraktijk in de EU.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Vlaeminck Siegfried
• Co-promotor: Spiller Marc

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject