‘De vraag blijft: hoe kosteneffectief wordt dit?’
Biotechnologie heeft veel te bieden en daarom investeren steeds meer chemiebedrijven in biotechnologische toepassingen. Maar zijn micro-organismen echt de fabrieken van de toekomst? Of zijn bedrijven vooral bang om de boot te missen?
Carina Nieuwenweg
Momenteel is biotechnologie nog vooral interessant voor de productie van fijnchemicaliën. Het gaat dan om complexe stoffen die in relatief kleine oplages worden geproduceerd en relatief veel geld opleveren per gewicht. Maar de chemische industrie wil biotechnologie toch ook steeds meer inzetten voor de relatief simpelere bulkchemicaliën. Vooral om te verduurzamen.De Europese Unie heeft daarom via het Horizon2020-platform forse investeringen gedaan in onderzoek op dit gebied. Ook in Nederland wordt onderzoek op hoog niveau gedaan. Zo stak NWO, de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek, twee jaar geleden miljoenen in onderzoek naar micro-organismen die syngas kunnen omzetten in bouwstenen voor de chemische industrie. AkzoNobel en Flowid zijn twee van de dertien partijen die meedoen aan dit MicroSync-project.
Geen katalysatoren
Syngas is in de chemische industrie bekend als een mengsel van koolmonoxide en waterstof. Als reststroom van bijvoorbeeld de staalindustrie bevat het mengsel daarbij ook kooldioxide. Micro-organismen kunnen dit syngas omzetten in nuttige producten voor de chemische industrie. ‘Dit heeft enerzijds een maatschappelijk belang’, vertelt professor Diana Sousa. Zij is een van de kartrekkers van het MicroSync-project en verbonden aan Wageningen University and Research. ‘De belastingen op emissies zijn hoog, dus dan is het interessant om er iets nuttigs mee te doen in plaats van het uit te stoten.’
Anderzijds heeft een biotechnologisch proces het voordeel dat de samenstelling van het syngas niet constant hoeft te zijn. Iets wat bij de industriële productie van methanol uit syngas wél een vereiste is. ‘De katalysatoren die in dat proces worden gebruikt, werken alleen bij bepaalde ratio’s en zijn slecht bestand tegen verontreinigingen in het syngas, zoals sulfiet. Door deze verontreinigingen moeten katalysatoren met regelmaat worden vervangen. Dat is een grote kostenpost in het chemische proces. Micro-organismen hebben geen katalysatoren nodig, ze doen het helemaal zelf.’
Veel onzekerheden
Bedrijven als LanzaTech hebben al bewezen dat een volledig biotechnologische omzetting van syngas mogelijk is. Dit bedrijf is pionier op het gebied van microbiële fermentatie van syngas naar ethanol. Na pilots in onder andere Nieuw Zeeland en China kon het bedrijf op de Gentse site van ArcelorMittal de volgende stap zetten. In mei vorig jaar gingen de spades officieel in de grond voor de bouw van een bioreactor die straks tachtig miljoen liter bio-ethanol per jaar kan produceren. Voeding voor de reactor is syngas uit de staalfabriek van ArcelorMittal.
Toch benadrukt Sousa dat biotechnologie als commerciële speler op de chemische markt nog toekomstmuziek is. ‘Dat maakt het voor bedrijven lastig, want enerzijds staat de technologie nog in de kinderschoenen en zijn er veel onzekerheden. Anderzijds zijn ze bang om de boot te missen. En daarom willen bedrijven wel investeren. Nouryon stapt bijvoorbeeld in met de vraag welke waardevolle compounds we uit syngas kunnen maken, waarmee we de competitie kunnen aangaan met traditionele chemische reacties.’
Dit artikel komt uit de eerste editie van het Industrielinqs magazine, dat zich richt op de procesindustrie, energiesector en onderlinge infrastructuur. Met het magazine verbinden we industriële ketens zodat ze van elkaar kunnen leren. Belangrijke thema’s zijn: innovatie, energietransitie, onderhoud en veiligheid.
Gebruik kortingscode ILQS20GRATIS voor een gratis proefabonnement!
[/vc_cta]
Sousa heeft hier wel een beeld bij. ‘Voor micro-organismen die organische zuren en alcoholen kunnen produceren, is zeker een markt. Deze producten zijn notoir om de moeilijkheden waarmee ze langs traditionele chemische weg worden geproduceerd. Zo zijn hexanol en butanol interessante stoffen die we kunnen produceren met micro-organismen. In tegenstelling tot ethanol lossen deze zeer slecht op in water en kunnen we ze hierdoor gemakkelijk scheiden. Maar de opbrengst is nu nog niet hoog genoeg om deze route commercieel interessant te maken, dus dat moet nog verder worden onderzocht. Momenteel kunnen alleen ethanol en acetaat op industrieel relevante schaal worden geproduceerd.’
Micro-gasbellen
Door genen van andere micro-organismen te introduceren in de syngas-etende bacteriën of door bepaalde genen uit te zetten, kunnen hogere hoeveelheden eindproduct worden bereikt. Of zelfs compleet nieuwe eindproducten worden geproduceerd. ‘Dit soort methodes worden met bekende modelbacteriën al decennialang veilig toegepast voor de productie van fijnchemicaliën’, vertelt Sousa. ‘Helaas groeien deze bacteriën niet op syngas en zijn we aangewezen op minder bekende bacteriën. Dat maakt het genetisch modificeren moeilijker.’
tekst gaat verder onder de afbeelding
(c)WUR
‘Momenteel kunnen alleen ethanol en acetaat op industrieel relevante schaal worden geproduceerd.’
Diana Sousa Professor Wageningen University & Research
Bovendien heeft het gebruik van gassen als invoer voor biotechnologische processen een groot nadeel: gassen kunnen slechts in beperkte mate oplossen in water. ‘Clostridium autoethanogenum, de bacterie die het meest efficiënt syngas kan fermenteren, groeit bij uitstek in waterrijke omstandigheden’, vertelt Sousa. De Technische Universiteit Eindhoven onderzoekt daarom hoe bioreactoren zó kunnen worden ontwikkeld dat een maximale hoeveelheid gas oplost in de vloeistof. En hoe dit zo efficiënt mogelijk bij de bacteriën kan komen. Denk daarbij aan micro-gasbellen die door de reactor heen worden verspreid. Of het continu in beweging houden van de vloeistof om zo de bacteriën en gassen dicht bij elkaar te brengen.
Vierde generatie biofuels
Nico Claassens, rubicon fellow aan het Max Planck Institute (Duitsland) denkt dat er nog minstens vijf tot tien jaar nodig is voor biotechnologie commercieel interessant wordt voor de productie van een breed scala aan producten. ‘Wat er nu gebeurt, is het oogsten van laaghangend fruit. We zijn al jaren in staat om bijvoorbeeld ethanol of het bioplastic polyhydroxybutyraat (PHB) te maken met microbiële cellen, maar dit zijn natuurlijke producten van bacteriën en gisten. Biotechnologen hebben de productie alleen verder geoptimaliseerd.’
‘We kunnen mierenzuur gemakkelijker opslaan en toevoegen aan een bioreactor met micro-organismen.’
Nico Claassens, rubicon fellow Max Planck Institute
Voor een grote transitie van de chemische industrie naar biotechnologische productie, onafhankelijk van fossiele grondstoffen, moeten er nog flinke stappen worden gezet. In Claassens’ groep wordt onder andere gewerkt aan zogenoemde vierde generatie biofuels en chemicaliën. Die vierde generatie volgt op de microbiële productie van producten uit speciaal hiervoor geproduceerde suiker (eerste generatie), uit het niet eetbare gedeelte van planten (tweede generatie) en door algen die groeien op zonlicht en koolstofdioxide (derde generatie). De eerste twee generaties die op landbouwproducten zijn gebaseerd, waren niet duurzaam genoeg. En fotosynthese, het proces waarbij zonlicht en koolstofdioxide wordt omgezet in biomassa, door algen lijkt niet efficiënt genoeg voor grootschalige commerciële productie.
De hoop is nu gevestigd op simpele verbindingen die met elektrische energie kunnen worden gemaakt. ‘Waterstof is daar een voorbeeld van, maar mierenzuur is ook een optie.’
Beste van twee werelden
Bij de conversie van elektriciteit naar mierenzuur raakt overigens wel vijftig procent verloren ten opzichte van dertig procent bij waterstof. Daar staat tegenover dat mierenzuur vloeibaar is en minder gevaarlijk dan waterstof. ‘We kunnen mierenzuur gemakkelijker opslaan en toevoegen aan een bioreactor met micro-organismen die dit omzetten in waardevolle producten’, stelt Claassens. Op deze manier hoopt hij het beste van twee werelden te combineren.
Recent is – in samenwerking met het lab waar Claassens werkt – de start-up B.fab opgezet. Dit bedrijf gaat zich richten op het ontwikkelen van organismen en biotechnologische processen voor de zogenaamde formate (oftewel mierenzuur) bio-economie. ‘Maar de grote vraag blijft: hoe kosten effectief is en wordt dit? We zijn er nog niet.’ Toch gaan de ontwikkelingen op het gebied van biotechnologie hard. Voor je het weet heb je als bedrijf de spreekwoordelijke boot gemist.
Businessmodel achter biotechnologie
De biotechnologische industrie profiteert van relatief goedkope en flexibele infrastructuur. Er is geen sprake van extreem hoge temperatuur of druk en verontreinigingen. Bovendien zijn wisselende voedingsstromen geen probleem. Daarnaast kan eenzelfde reactor voor meerdere producten en processen worden gebruikt. Dit alles maakt dat biotechnologie vooral kan profiteren van “unit aantal” in plaats van “unit schaalvoordeel”. Met andere woorden, biotechnologische plants profiteren van een groot aantal relatief kleinschalige faciliteiten. Dit is totaal anders dan de chemische technologie, die profiteert van economy of scale. Het nadeel van schaalvoordeel is dat het moeilijker is om te innoveren en in te spelen op veranderingen op de markt vanwege de hoge kosten en het specialisatieniveau van de infrastructuur.[/vc_message]
Overtuiging versus dubio
Torrgas is één van de deelnemende bedrijven in het Horizon 2020 project. Het bedrijf is ervan overtuigd dat een biotechnologische route een van de beste routes is om in de toekomst op een duurzame manier organische moleculen te maken. ‘Biokatalyse leent zich veel beter dan thermische katalyse voor de synthese van bijvoorbeeld vetzuren en C10-C12 moleculen’, stelt co-founder Robin Post van der Burg. ‘Organismen kunnen op een kleinschalige wijze processen uitvoeren waarvoor via chemische katalyse miljarden aan investeringen nodig zijn.’ Vooral geoxideerde moleculen, zoals vetzuren, zijn volgens hem interessant. Het bedrijf richt zich overigens niet op de productie van dit soort moleculen, maar pioniert met het omzetten van biologische reststromen in grondstoffen; biochar en syngas. ‘Biologische reststromen vind je overal. Alleen al bij rijst blijft er wereldwijd 1,4 miljard ton aan stro en schillen over. Dat wordt nu bijna allemaal afgebrand. Wij hebben een mobiele technologie om er een hoogwaardige biobrandstof van te maken.’ Een technologie die bovendien decentraal kan worden ingezet.
Post van der Burg begrijpt het dubio waarin veel chemische bedrijven verkeren. ‘Kijk maar naar de Duitse autoproducenten’, vertelt hij. ‘Als ze hadden gewild, hadden ze tien jaar geleden kunnen beginnen met het bouwen van elektrische auto’s. Nu zijn ze ingehaald door Tesla. Ze hebben een achterstand om goedkoop en op grootschalige wijze batterijen te produceren, waarop Tesla wel al jaren hoog heeft ingezet. Mede daarom zullen ze zich waarschijnlijk nooit meer kunnen aanpassen op de veranderende autotechnologie. Misschien bestaan ze over twintig jaar niet eens meer. Als een juggernaut van weleer je niets te bieden heeft op de markt van nu, waarom zou je dan met ze in zee willen gaan? Zo zal het waarschijnlijk ook gaan in de chemische industrie. Die moet meer en meer biobased worden.’[/vc_message]
