Fermentatie als sleuteltechnologie voor de circulaire economie

Wageningen Food & Biobased Research onderzocht de stand van de productie van chemicaliën met fermentatietechnologie op basis van wetenschappelijke literatuur. Daarbij werd een Top 7 van kansrijke methoden geïdentificeerd voor de duurzame productie van bulkchemicaliën als alternatief voor producten die op dit moment op basis van aardolie worden gemaakt. Volgens Daan van Es, mede-auteur van het onderzoek en projectleider van Wageningen Food & Biobased Research, is fermentatie ideaal voor de conversie van biomassa naar chemicaliën. “Biomassa omzetten kan ook via puur chemische routes, maar dat ligt vaak minder voor de hand. Biomassa bevat namelijk veel suikers die door de natuur zijn gemaakt om door organismen te worden omgezet. Ze zijn wateroplosbaar, thermisch instabiel en bevatten te veel zuurstof voor de meeste bestaande chemische processen, terwijl micro-organismen daar uitstekend mee overweg kunnen.”

Gisting

Fermentatie is feitelijk te zien als een gistingsproces. Het houdt in dat de suikers in de biomassa door geselecteerde micro-organismen worden verteerd, waarbij bepaalde chemicaliën en soms CO₂ worden geproduceerd. Denk aan de vergisting van druiven voor de productie van wijn. Ethanol (alcohol)productie is inderdaad één van de best ontwikkelde toepassingen van fermentatietechnologie. Zo wordt er al jaren op grote schaal (80 megaton per jaar) bio-ethanol geproduceerd uit biomassa. Niet voor menselijke consumptie, maar voor duurzame brandstoffen. Ook in de voedselindustrie en de melkzuurproductie wordt fermentatie al heel lang commercieel toegepast.

Toch staat grootschalige fermentatie voor de industriële productie van chemicaliën nog maar aan het begin van een doorbraak. “De petrochemie maakt jaarlijks zo’n 600 miljoen ton aan chemische producten. Dat is een enorme hoeveelheid. Als je die allemaal wilt vervangen door niet-fossiele alternatieven, is een snelle en grote opschaling noodzakelijk. We hebben in deze studie dus gekeken wat er nu al op redelijke schaal draait aan fermentatietechnologie, wat voor organismen daarvoor worden gebruikt en welke afgeleide chemicaliën daar vervolgens mee te maken zijn.”

Top 7 van kansrijke methoden

Uit die inventarisatie is vervolgens een Top 7 gekozen van technologieën die als volwassen worden geclassificeerd. Ze zijn kansrijk voor de productie van de volgende bulkchemicaliën:

• ethanol
• melkzuur
• barnsteenzuur
• 1,3-propaandiol
• itaconzuur
• 1,4-butaandiol
• PHA (biopolymeren)

Deze moleculen kunnen de basis vormen voor de productie van andere, complexere chemicaliën. “Met ethanol kun je bijvoorbeeld bio-ethyleen maken en dat is weer bruikbaar voor de productie van polyethyleen (PE). Dat is echter nog steeds een slecht recyclebare kunststof. Ons einddoel is het maken van stoffen en materialen die recyclebaar zijn of op zijn minst biologisch afbreekbaar. Bovendien willen we efficiënt gebruikmaken van de koolstof in de suikers die als grondstof dienen. Melkzuur is bijvoorbeeld zeer efficiënt: meer dan 90% van de koolstof blijft behouden.”

Ethanol scoort wat koolstof efficiëntie betreft beduidend minder goed. Bij iedere ton geproduceerde ethanol komt ook ongeveer een ton CO₂ vrij. Daan van Es: “Dat is geen probleem als we deze kunnen afvangen en gebruiken. In de voedselindustrie is bijvoorbeeld een enorme vraag naar zuivere CO₂ voor frisdranken en verpakkingen onder zuurstofarme atmosfeer. Bovendien is CO₂ inzetbaar als chemische bouwsteen. Zo kun je via gasfermentatie ethanol maken uit CO₂ en (groene) waterstof, met nul emissies. Deze technologie is nu volop in ontwikkeling. Je zou die processen dus aan elkaar kunnen koppelen. Ook zijn er andere conversiemethodes beschikbaar zoals de elektrochemische omzetting van CO₂ naar mierenzuur.”

Ontwikkeling van nieuwe technologie

De studie van Wageningen Food & Biobased Research kan dienen als hulpmiddel om te beslissen over investeringen in realistische processen en grondstoffen voor de biotechnologische productie van veelgebruikte chemicaliën. In de tussentijd staat de ontwikkeling van nieuwe technologie niet stil. Met behulp van genoombewerking, high-throughput screening en computerberekeningen is het bijvoorbeeld mogelijk om nieuwe stammen van micro-organismen te ontwikkelen. Ook wordt er gewerkt aan de integratie van elektrochemie in fermentatieprocessen. Dat kan de efficiëntie en dus de economische levensvatbaarheid van deze processen verder vergroten. Tom Ewing, mede-auteur van het onderzoek: “Met dit soort nieuwe technologieën kunnen bestaande fermentatieprocessen efficiënter worden gemaakt en kunnen bovendien nieuwe routes naar andere chemicaliën worden ontwikkeld. Het is dus goed mogelijk dat er in de komende decennia nieuwe processen toegevoegd kunnen worden aan de lijst met volwassen technologieën voor de toekomstige circulaire economie.”