Chemicaliën produceren met een negatieve CO2-uitstoot
Photanol perfectioneert technologie voor efficiënt en kosteneffectief proces
Chemiebedrijven zijn naarstig op zoek naar duurzame circulaire processen om hun netto CO2-uitstoot tot nul te kunnen verminderen. In plaats van fossiele grondstoffen te gebruiken, kunnen ze bijvoorbeeld biomassa pyrolyseren of suiker als grondstof inzetten of CO2 katalytisch omzetten in koolwaterstoffen. Scale-up Photanol is ver gevorderd met de ontwikkeling van nog een ander veelbelovend proces. Hierbij zetten cyanobacteriën met behulp van zonlicht CO2 rechtstreeks om in allerlei producten, zoals bijvoorbeeld melkzuur, glycolzuur of olefinen.
nieuwe fotosynthese-fabrieken
“We zijn van plan om in 2028 in een eerste commerciële fabriek te gaan produceren. Met deze flagship plant willen we laten zien dat we chemische producten op relevante schaal kosteneffectief kunnen maken. Deze fabriek moet een blauwdruk zijn voor nieuwe fotosynthese-fabrieken wereldwijd. Hij zal waarschijnlijk niet in Nederland komen te staan, maar in een gebied waar de zon veelvuldig schijnt en de temperaturen hoger zijn dan hier, omdat dit de beste omstandigheden zijn voor de productie met cyanobacteriën”, zegt Jan Wery, Chief Technology Officer bij Photanol.
Photanol is in 2008 opgericht door de Universiteit van Amsterdam en de hoogleraren Klaas Hellingwerf en Joost Teixeira de Mattos. Zij ontdekten dat cyanobacteriën na genetische aanpassing in staat zijn om CO2 met behulp van zonlicht om te zetten in verschillende stoffen en zuurstof. In de jaren daarna hebben onderzoekers in de laboratoria in het Science Park in Amsterdam verschillende stammen cyanobacteriën ontwikkeld, die specifieke chemicaliën heel efficiënt kunnen maken.
“De omzetting van CO2 door cyanobacteriën is in feite niets nieuws. Ze vonden de fotosynthese zo’n twee miljard jaar geleden uit en brachten daarna zuurstof in de atmosfeer nog voordat planten en bomen dat deden. Daardoor kunnen wij nu vrij ademhalen. Wij zetten ze nu in voor de productie van chemicaliën”, licht Hayco Bloemen, Principal Scientist Process Development bij Photanol, toe.
"Cyanobacteriën zijn efficiënt en kosteneffectief, want ze hebben alleen CO2 als koolstofbron en zonlicht als energiebron nodig"
testinstallatie
Vijf à zeven jaar geleden begon het bedrijf met het testen van het proces in een fotobioreactor van 500 liter in een kassencomplex van de Wageningen Universiteit in Bleiswijk. Daarna volgden testen met een grotere fotobioreactor bestaande uit een buis van 200 meter lengte, opgevouwen binnen een kavel van 2 bij 10 meter bij het innovatiecentrum Prodock in Amsterdam Sloterdijk. Deze testinstallatie is inmiddels verhuisd naar Delfzijl. Daar experimenteert Photanol in samenwerking met chemiebedrijf Nobian sinds 2020 met een demonstratie-installatie op een kavel van 50 bij 100 meter met een maximale capaciteit van rond de 5 ton per jaar. Er vinden tests plaats met de productie van diverse producten door verschillende stammen cyanobacteriën. Volgens Wery blijft dit de komende jaren de centrale testlocatie van Photanol.
Om de ontwikkeling van de grond te helpen, nam durfinvesteerder ICOS Capital al in 2012 een belang in Photanol. Toen het bedrijf in Delfzijl begon, stapte de regionale ontwikkelingsmaatschappij NOM als aandeelhouder in. De universiteit neemt via UvA Ventures deel.
Op weg van het lab naar een grote reactor maken de cyanobacteriën een tussenstap in een reactor die met ledlampen wordt verlicht
efficiënt en kosteneffectief proces
cyanobacteriën
Wery legt uit dat cyanobacteriën door hun veelzijdige stofwisseling genoeg aanknopingspunten bieden voor het maken van producten die voor de chemische industrie interessant zijn. “Bij Photanol beschikken we over de moleculaire tools om dit soort bacteriën aan te zetten tot efficiënte productie, dat wil zeggen dat ze zoveel mogelijk energie en CO2 gebruiken voor de productie en zo min mogelijk voor hun groei. In het lab hebben we met deze organismen al zo’n 20 producten gemaakt om te laten zien hoe breed inzetbaar ze zijn.”
De eigenschappen voor het maken van een specifiek product, zoals enzymatische omzettingen, kunnen eventueel gehaald worden uit bacteriën, gisten, schimmels en planten. “Met de juiste tools kunnen we eigenschappen identificeren, die we vervolgens in de cyanobacteriën zetten”, licht Wery toe.
Het grote voordeel van cyanobacteriën is dat ze alleen CO2 als koolstofbron nodig hebben en die met zonlicht als enige energiebron direct kunnen omzetten in verbindingen zoals etheen en organische zuren. “CO2 is rijkelijk beschikbaar en de zon is gratis. Verder hebben ze alleen water, wat minerale zouten en nog wat sporenelementen nodig. Dat maakt ze zo efficiënt en kosteneffectief. Je kunt organische zuren ook maken van suikers, maar daarvoor heb je een stuk vruchtbare grond nodig, waarop je suikerbieten kweekt en oogst, plus een suikerfabriek om de suiker uit de bieten te winnen. Wij slaan die keten over. En het voordeel ten opzichte van fossiele routes is evident; wij laten fossiel in de grond zitten en nemen CO2 op”, stelt Wery.
"Het inoculeren van de reactor gaat nu dankzij een betere hygiëne tien keer zo snel met een slagingspercentage van 100 procent"
Hoe meer licht, hoe hoger de productie
“In het algemeen geldt dat hoe langer de transparante buizen van de reactor zijn, hoe meer licht er voor de cyanobacteriën beschikbaar is, hoe efficiënter de productie is. Daar zit een grens aan, maar voorlopig lijkt het erop dat de reactorbuis nog veel langer kan zijn dan wat tot nu toe gebruikelijk is”, zegt Bloemen.
Bloemen: “Belangrijk is de bacteriën zo te cultiveren dat ze producten heel efficiënt kunnen maken. De toevoer van licht is belangrijk en speelt een grote rol bij het ontwerp van de fotobioreactor. We gebruiken daarom lange gevouwen transparante buizen van polyetheen, polypropeen of glas, zodat er zoveel mogelijk licht tot de bacteriën kan doordringen”, aldus Bloemen.
Pompen zorgen voor de circulatie van het medium met de bacteriën door de buizen. Tegelijk wordt het systeem constant gevoed met CO2, terwijl de vrijkomende zuurstof wordt afgevoerd.
Zoals wel vaker bij biotechnologische processen liep ook Photanol de eerste jaren tegen uitdagingen aan bij het opschalen van de technologie, zoals contaminatie waarbij andere organismen de cyanobacteriën consumeerden. “De afgelopen jaren hebben we geleerd om heel hygiënisch te werken, zodat we contaminatie onder controle kunnen houden. Dat heeft voor een doorbraak gezorgd, waardoor we producten inmiddels op kiloschaal kunnen produceren”, aldus Bloemen.
Tussenstap
De cyanobacteriën maken op weg van het lab naar een grote reactor een tussenstap in een reactor van 20 liter die met ledlampen wordt verlicht. Daar vermeerderen ze zich, wat te zien is doordat de vloeistof binnen vier dagen van neutraal naar groen kleurt. Vervolgens worden ze overgebracht naar een reactor buiten met een volume van bijvoorbeeld 300 à 400 liter. “Voorheen duurde het inoculeren van de reactor maanden. Door contaminatie mislukte dat eerder ook vaak. Nu gaat het tien keer zo snel met een slagingspercentage van 100 procent. Dat heeft alles te maken met betere hygiëne”, aldus Bloemen.
Na de introductie in de reactor vermenigvuldigen de cyanobacteriën zich verder door te delen. De snelheid waarmee ze dat doen, hangt af van de condities, waaronder de temperatuur. Elke cel splitst zich in twee nieuwe identieke cellen en die weer in vier nieuwe cellen enzovoorts. Dat is een continuproces, waarbij ze tegelijkertijd ook de gewenste stof produceren.
dynamisch evenwicht
Het is zaak de concentratie bacteriën niet te hoog te laten oplopen, omdat het licht de bacteriën anders niet goed meer kan bereiken. Om de concentratie op een bepaald niveau te houden, worden door het aftappen van medium evenveel bacteriën afgevoerd als er door splitsing bij komen. Bij constante toevoer van CO2 en afvoer van zuurstof en product ontstaat er dan een dynamisch evenwicht dat maanden stand kan houden, legt Bloemen uit.
Na afscheiding van de bacteriën uit het medium met behulp van een centrifuge wordt het medium, waarin het product zit, verder verwerkt. Dat kan door het te concentreren met standaardtechnologie, zoals verdampen of omgekeerde osmose. Daarna kan een product als bijvoorbeeld lactaat worden omgezet in zijn zure vorm. Nobian neemt het ontwikkelen van methodes voor het opwerken van producten grotendeels voor zijn rekening.
"We verwachten de komende jaren nog een slag naar een hogere efficiëntie te gaan maken”
Gelijke specificaties
Wery: “We willen het product uiteindelijk op een specificatie brengen die gelijk is aan die van hetzelfde product gemaakt met andere processen. Onze eindproducten zijn dan identiek aan die gemaakt met traditionele processen. Op die manier kunnen we bijvoorbeeld glycolaat (glycolzuur – n.v.d.r.) aanbieden als een duurzaam gemaakte drop-in chemical.”
Idealiter komt 70 tot 90 procent van de omzettingen van CO2 en zonlicht ten goede aan het product en dient de rest voor groei van de bacteriën. “Zodoende houd je bij een fabriek van bijvoorbeeld 100 kiloton per jaar toch nog wel een flinke reststroom van de bacteriën uit de centrifuges over. We kijken of die biomassa ook een waardevolle bron van eiwitten en andere componenten kan zijn in plaats van dat we er bijvoorbeeld biogas van maken.”
“Photanol wil een duurzaam alternatief bieden voor met name de bulkproductie van organische verbindingen op basis van fossiele grondstoffen. Op deze manier kan ons proces een grote bijdrage leveren aan het verminderen van de CO2-uitstoot van de industrie. We zijn vooral geïnteresseerd in de toepassing van lactaat als monomeer voor PLA, omdat de vraag naar dit niet-fossiele en bio-afbreekbare polymeer snel toeneemt en groot is”, zegt Wery.
De vereiste zuiverheid van het product hangt af van de toepassing. Voor het maken van kwalitatief hoogwaardig polylactaat (PLA) is bijvoorbeeld zeer zuiver melkzuur als monomeer nodig. Voor andere toepassingen, bijvoorbeeld glycolaat in cosmetica, kunnen de zuiverheidseisen soms wat minder streng zijn. Glycolaat kan ook voor de productie van polymeren worden gebruikt en in crèmes voor skin peeling. “Dit wordt nu nog uit olie gemaakt, maar kan dus ook uit CO2 worden gemaakt, dus op een circulaire manier”, aldus Wery.
Grootschalige productie met cyanobacteriën vergt oppervlaktes tot wel 1.000 hectare per fabriek, die nodig zijn om voldoende licht te kunnen invangen voor de bacteriën. “De foto-efficiëntie van cyanobacteriën is wat groter dan van landbouwgewassen. Een hectare met bijvoorbeeld suikerbieten levert bij optimale omstandigheden 15 tot 20 ton suiker op. Uit de experimenten van Photanol blijkt dat cyanobacteriën nu al omgerekend evenveel of meer per hectare aan product opleveren. We verwachten de komende jaren nog een slag naar een hogere efficiëntie te gaan maken”, zegt Bloemen.
Milieuvoordelen
Voordelen zijn ook dat een fabriek met cyanobacteriën niet op vruchtbaar land hoeft te staan en dat het waterverbruik veel lager is dan bij akkerbouw, omdat er geen water verdampt. Ook kunnen bepaalde stammen cyanobacteriën goed groeien bij hitte in zonnige landen. Andere milieuvoordelen zijn dat er geen kunstmest of gewasbeschermingsmiddelen nodig zijn. En qua operationele kosten valt het proces gunstig uit, omdat het grotendeels op gratis zonne-energie werkt.
Wery: “We kijken in eerste instantie naar de productiviteit en opbrengst in vergelijking met bestaande chemische processen om de kostprijs van een product uit te kunnen rekenen. Maar we gaan ook bekijken hoe we de milieuvoordelen van weinig water, geen kunstmest, enzovoorts in geld kunnen uitdrukken om tot een faire vergelijking tussen de traditionele en deze productiewijze te kunnen komen.”
Hij verwacht dat de productie met cyanobacteriën op grote schaal over het algemeen in zonnige streken zal plaatsvinden. “High-endproducten met een hoge prijs per kilo kunnen met ons proces nog wel in zones met een gematigd klimaat gemaakt worden.”
Gunstig is ook dat het proces CO2 opneemt, dus geen CO2-tax met zich meebrengt. Vanwege de CO2-heffingen is het zelfs denkbaar dat een CO2-leverancier een ander bedrijf betaalt dat de CO2 met cyanobacteriën verwerkt.
Wery constateert dat de belangstelling voor het Photanol-proces de laatste paar jaar sterk is toegenomen. “Er kloppen bedrijven bij ons aan die op zoek zijn naar circulaire alternatieven voor hun fossiele productie. Er zijn natuurlijk meer aanbieders van bio-based of circulaire processen. Wij horen daarbij en worden als zodanig benaderd met vragen over de mogelijkheden van ons proces. Dat is prettig, want daarvoor doen we het uiteindelijk.”
Die vragen leiden soms tot onderzoeksopdrachten die voor Photanol als technologiebedrijf weer geld in het laatje brengen. “We zijn een scale-up bedrijf, dat een technologie perfectioneert en geschikt maakt voor toepassing wereldwijd. We stappen dus niet zelf in de duurzame chemische productie, maar gaan onze technologie straks wereldwijd aan bedrijven licentiëren die ermee aan de slag willen gaan”, aldus Wery.
