Photanol heeft aan CO2 en zonlicht genoeg Voor de industrie is CO2 een welhaast onvermijdelijk bijproduct, dat bijdraagt aan het broeikaseffect. Afvangen en opslaan biedt een oplossing, het gebruik van CO2 als grondstof voor koolwaterstoffen ook. Dit lijkt ver weg, maar is het niet. Het Amsterdamse bedrijf Photanol staat op het punt om in kassen bij Bleiswijk testen uit te voeren met een proefinstallatie, waarin cyanobacteriën CO2 met behulp van zonlicht omzetten in geur- en smaakstoffen en tussenproducten voor de chemische industrie. Dirk den Ouden, directeur bij Photanol, vertelt hoe het ervoor staat. Photanol is in 2008 opgericht door de Universiteit van Amsterdam en de hoogleraren Klaas Hellingwerf en Joost Teixeira de Mattos. Zij kwamen op grond van hun onderzoek tot de conclusie dat cyanobacteriën heel geschikt zijn om CO2 met behulp van fotosynthese om te zetten in organische verbindingen. Na genetische aanpassing maken deze bacteriën stoffen zoals terpenen en organische zuren, die ze van nature niet in grote hoeveelheden maken. "Het idee is een productieplatform te creëren waarmee met cyanobacteriën uit CO2 met behulp van zonlicht verschillende stoffen kunnen produceren", licht Den Ouden toe. "Enkele jaren na de start van Photanol zag het er bijzonder goed uit. Voor durfinvesteerder ICOS Capital een reden om in 2012 in het bedrijf een belang van 45% te nemen. Nog eens 45% is in handen van UvA Holding en 10% in handen van de oprichters. "De kapitaalinjectie van ICOS Capital heeft de ontwikkeling aanzienlijk versneld", aldus Den Ouden.
Photanol richt zich voorlopig op de productie van geur- en smaakstoffen, omdat die per kilogram veel opbrengen, soms wel 10.000 euro per kilogram. Op deze manier hoeft het bedrijf niet in grote installaties te investeren en kan het met relatief kleine installaties volstaan. De productie van enkele kilo's kan al aantrekkelijk zijn. Proefdraaien in Bleiswijk "We staan op het punt om de productie te gaan uittesten in een kassencomplex van de Wageningen Universiteit in Bleiswijk. Daar vertalen we de ervaring uit het lab op milliliter- en liter-schaal naar 500 à 1000 liter. Dit zal ons de kennis en het inzicht verschaffen die we nodig hebben om op grotere schaal te kunnen produceren", licht Den Ouden toe. "In het begin zullen we aan enkele vierkante meters oppervlak genoeg hebben om te produceren, later zal dat in de orde van hectares zijn en op den duur enkele vierkante kilometers", voegt hij eraan toe. De reactoren bestaan uit lichtdoorlatende pvc-buizen van enkele centimeters doorsnede, die net als bij de buizen van vloerverwarming over een bepaald oppervlak zijn gevouwen en verdeeld. Het zonlicht moet immers overal gemakkelijk bij kunnen komen. In centrale tanks worden CO2 en voedingsstoffen toegevoegd en wordt zuurstof dat als bijproduct vrijkomt, verwijderd. Het medium bevat wat zouten en sporenelementen en geen andere grondstof dan CO2. "In Bleiswijk willen we aantonen dat productie met deze bacteriën haalbaar is. Behalve om het optimaliseren van de groeiomstandigheden gaat het ook om het afscheiden en zuiveren van het product uit de processtroom. Als dat goed gaat zullen de partners beslissen over de verdere opschaling en productie", aldus Den Ouden.
De vraag hoeveel grammen of kilogrammen per uur zo'n installatie oplevert, valt volgens Den Ouden niet zomaar te beantwoorden. Dit hangt sterk af van locatie en product. "Het belangrijkste is, dat je de akkerbouw overslaat: niet van CO2 naar suikerbiet naar suiker naar melkzuur, maar van CO2 direct naar melkzuur." Gesloten systeem Het reactorsysteem moet gesloten zijn. Een open vijver werkt niet. De genetisch aangepaste cyanobacteriën zijn namelijk veel kwetsbaarder dan hun natuurlijke soortgenoten, waardoor ze in de vrije natuur het onderspit delven. "Normaal gebruiken cyanobacteriën al hun energie om robuust te zijn en te overleven in de natuur. De aangepaste bacteriën gebruiken die energie vooral voor de productie, waardoor ze minder robuust kunnen zijn. Bovendien zijn de producten die ze maken, zoals melkzuur, weer snoepjes voor andere organismen, welke je dus niet in je procesmedium wilt hebben", verklaart Den Ouden. Hoe meer buizen het systeem bevat, hoe groter overigens de kans op besmetting. "Uitgaande van verschillende parameters proberen we tot een optimaal ontwerp te komen met bijbehorende randvoorwaarden", voegt hij eraan toe. Hij verwacht dat Photanol over twee jaar in staat zal zijn om bepaalde geur- en smaakstoffen commercieel te produceren. Als de cyanobacteriën en het productiesysteem geoptimaliseerd zijn, begint de productie. "Producten met een kleine marktomvang en een hoge prijs per kilogram kun je in een reactor van duizend liter maken. Dit komt neer op een paar honderd meter buis op een paar vierkante meter die één kilogram product per maand opleveren. Met een systeem van vijf voetbalvelden groot, kunnen we een flink palet aan producten in de markt zetten.". "Dit vormt weer de opstap naar grootschaliger productie van organische zuren, zoals melkzuur", vervolgt hij. “Dan gaat het om kilotonnen aan product per jaar, waar je een wezenlijk groter oppervlak voor nodig hebt, in een ordegrootte van vierkante kilometer. Bijzonder is dat we geen grondstof zoals suiker nodig hebben. Aan CO2, zonlicht en wat sporenelementen en zouten hebben we genoeg." AkzoNobel ondersteunt een deel van het onderzoek van Photanol in een publiek-privaat onderzoeksproject dat valt onder de TKI Biobased Economy, een gemeenschappelijk topconsortium voor kennis en innovatie van de Topsectoren Chemie, Energie en Agri & Food. Het concern wil weten of het een product, dat nu nog van aardolie afkomstig is, ook met cyanobacteriën kan maken. Den Ouden verwacht dat rond 2019 duidelijk zal zijn of dit haalbaar is. AkzoNobel en Photanol vertellen voorlopig niet om welke stof het gaat. Photanol ontvangt daarnaast subsidie uit het Europese Fonds voor Regionale Ontwikkeling en in het kader van het onderzoeksprogramma Direct Ethanol from MicroAlgae (DEMA) dat valt onder het Europese Kaderprogramma 7. Amerikanen gaan voor bulk Photanol is niet het enige bedrijf in de wereld dat actief is met fotosynthese. In Amerika zetten Alganol (met cyanobacteriën) en Joule (met een biokatalysator) in op de grootschalige productie van biobrandstoffen, waaronder ethanol. Alganol maakt hierbij gebruik van een systeem van plastic zakken. "Zij gaan voor de bulk. Dat vergt grote sprongen in ontwikkeling, die ze kunnen bekostigen met de royale subsidies die de Amerikaanse overheid geeft aan het ontwikkelen van niet-fossiele brandstoffen en de ruime beschikbaarheid van durfkapitaal. Door gebruik te maken van
lichtdoorlatende plastic zakken proberen ze de kapitaalkosten en daarmee de productiekosten laag te houden, omdat ze concurreren met een product van ordegrootte 50 cent per kilogram. Die zakken zijn echter kwetsbaarder en bewerkelijker dan onze pvc-buizen, maar we houden deze ontwikkeling in de gaten, want in de industrie gaat het uiteindelijk om de laagste productiekosten", aldus Den Ouden. Concurrenten die eveneens geur- en smaakstoffen met micro-organismen maken zijn Isobionics in Geleen en Evolva in Zwitserland. Isobionics maakt onder andere valenceen (sinaasappelgeur en smaak) uit suiker met behulp van aangepaste bacteriën (Rhodobacter) en Evolva maakt onder andere vanilline (vanille) eveneens uit suiker met behulp van aangepaste gisten. "Bij productie in kilogrammen is het gebruik van suiker geen probleem, maar bij grotere productiehoeveelheden is het wel een kostenpost die meetelt", stelt Den Ouden. Voorlopers van planten De cyanobacteriën gebruiken geen suiker, maar CO2. Ook zijn ze redelijk gemakkelijk aan te passen; gisten wat moeilijker, maar daarvan loopt genetische manipulatie jaren vooruit. De verwachting is dat cyanobacteriën uiteindelijk beter zullen zijn in het produceren van producten van plantaardige oorsprong, omdat deze bacteriën evolutionair de voorlopers zijn van planten, waardoor hun systemen meer geschikt lijken voor het produceren van deze plantaardige producten dan gisten. Het grootste voordeel blijft toch wel dat er voor productie alleen CO2 en zonlicht nodig is. Algen zijn gewild vanwege hun biomassa en olie die ze bevatten. De uitdaging daarbij is om de gewenste producten af te scheiden van de rest van de biomassa. Cyanobacteriën, daarentegen, scheiden het product uit in het omringende water. De productie van biomassa is hierbij ongewenst: de energie en CO2 dienen door de bacteriën immers niet aangewend te worden voor hun groei en vermeerdering, maar voor de gewenste producten (products by design). Voorlopig hoeven Evolva, Isobionics en Photanol elkaar niet in de weg te zitten. De klassieke productie van geur- en smaakstoffen uit onder andere sinaasappelschillen staat onder druk, omdat bijvoorbeeld veel sinaasappelbomen in Californië lijden aan de "greening disease", waardoor de kleuring en rijping van de schillen niet goed op gang komen. " Isobionics, Evolva en wij zijn in staat dergelijke geur- en smaakstoffen te maken zonder extractie en destillatie van grote hoeveelheden fruit", zegt Den Ouden. Eén kilogram sinaasappels is normaal goed voor slechts enkele grammen valenceen. Op basis van suiker of – nog duurzamer CO2 - kunnen de bedrijven het hele jaar door naar behoefte valenceen of andere stoffen produceren. Geen akkers nodig Dat cyanobacteriën geen suiker nodig hebben, betekent dat ze geen impact hebben op de voedselvoorziening noch indirect beslag leggen op landbouwgronden. "De productie kan overal plaatsvinden, ook op schrale grond waar niets wil groeien. Vanwege de aanvoer van CO2 is het wel handig om in de buurt van CO2-emitterend bedrijf te zitten, bijvoorbeeld bij grote afvalverwerkers of procesindustrie. Ook is het van belang om dichtbij afnemers te produceren die ons product weer verder verwerken, zodat er geen extra transportkosten bij komen. We zijn met een aantal potentiële afnemers in gesprek en zullen hierover eind dit jaar of begin volgend jaar mededelingen kunnen doen", aldus Den Ouden.
Productie van chemicaliën uit CO2 is in feite van de derde generatie, die volgt op de tweede generatie productie van bijvoorbeeld ethanol op basis van suikers afkomstig van hemicellulose uit de bladeren en stengels van onder andere maïs (agrarische reststroom) en de eerste generatie productie van ethanol uit biet- of rietsuiker en van biodiesel uit palmolie. Ongevaarlijk en kwetsbaar Er zijn vele verschillen soorten cyanobacteriën, waaronder de beruchte blauwalgen. Zijn de bacteriën van Photanol niet gevaarlijk? "Nee, want wij gebruiken de cyanobacteriestam Synechocystis pcc 6803 van oorsprong afkomstig uit een zoetwatermeer, een stam waar ook veel universiteiten mee werken. Die bacteriën scheiden geen giftige stoffen af. Ook bestaat er geen gevaar voor de verspreiding van de aangepaste bacteriën in de natuur, omdat ze kreupel zijn en in de natuur niet zullen overleven", verklaart Den Ouden. Niettemin gaat het om genetisch gemodificeerde organismen, waardoor het laboratorium van Photanol aan bepaalde wettelijke eisen moet voldoen. Nog strenger zijn de nationale en Europese eisen voor het produceren met behulp van gemodificeerde organismen. Momenteel doorloopt Photanol een lange en strenge procedure om hiervoor een vergunning te bemachtigen. Zodra het bedrijf de vergunning binnen heeft, zal het in Bleiswijk aan de slag gaan. Het gebruik van genetisch gemodificeerde organismen ligt – zeker in Europa - nog steeds gevoelig. Toch verwacht Den Ouden dat de voordelen die de technologie brengt, de bezwaren zal wegnemen. "De bacteriën redden zich bovendien niet buiten de installatie. Ook werken we met een gesloten systeem, zodat de gemodificeerde bacteriën niet zomaar in de natuur kunnen belanden. Zon en logistiek belangrijk Vraagt de productie niet om een zonnige omgeving? "Ja, de zonnigste plekken van Nederland zijn te vinden in Zeeland, het Westland en Texel. In landen als Spanje en Portugal is veel meer zon, evenals in het zuiden van de Verenigde Staten en het noorden van Zuid-Amerika, inclusief de Caribische eilanden. In Saoedi-Arabië is weer te veel zon. Je kunt een fabriek dus heel goed in Spanje zetten. Tenzij je het product naar Nederland moet vervoeren. In logistiek opzicht is Nederland aantrekkelijker, omdat hier grote CO2-emitters zijn en afnemers die ons in hun productieketen kunnen opnemen", verklaart Den Ouden. Aan interesse van de industrie voor wat Photanol doet, ontbreekt het volgens hem niet. Waar het op aankomt, is dat andere bedrijven zich committeren en het bedrijf direct of indirect helpen om de productie te vergroten naar commerciële schaal. Bij de huidige lage olieprijs zal er wel minder animo voor dit soort ontwikkelingen zijn. Den Ouden spreekt dat tegen: "Of de biobrandstoffen er komen, hangt niet zozeer van de olieprijs en olieschaarste af van gisteren of morgen als wel van politieke beslissingen en visie voor de langere termijn. Bij veel landen dringt het besef door dat het zo met de grootschalige CO2-emissies niet kan doorgaan. Vroeg of laat zal het tij keren en zullen landen maatregelen nemen om het gebruik van fossiele brandstoffen drastisch terug te dringen. Daar past de productie van koolwaterstoffen uit CO2 met behulp van cyanobacteriën uitstekend bij, hoewel het nog heel wat jaren zal duren voordat we biokerosine op deze manier commercieel kunnen maken. We moeten de overstap echter maken. Is het niet voor onszelf, dan is het wel voor onze kinderen en kleinkinderen", zo besluit Den Ouden.
De selectie van cyanobacteriën Photanol werkt met cyanobacteriën van de stam Synechocystis pcc 6803. Die laten zich redelijk gemakkelijk genetisch manipuleren. Ook is het hele genoom al in kaart gebracht. Alle genetische informatie is dus bekend. Hiermee is ook duidelijk welke genen coderen voor welke eiwitten en hoe die gestimuleerd kunnen worden. Om een cyanobacterie aan te zetten tot de productie van bijvoorbeeld een smaakstof, brengt Photanol erfelijk materiaal van een smaakstoffen producerende plant over in het DNA van de bacterie. Daarna begint de selectie: sommige cyanobacteriën produceren de smaakstof beter dan andere. Die bacteriën kweekt het bedrijf weer verder. Vervolgens is het zaak dat de geproduceerde stof niet in bacterie wordt omgezet in een andere ongewenste stof. Dit wordt voorkomen door een 'knock-out'. In wezen raakt het natuurlijk evenwicht van de stofwisseling van de bacterie door genetische manipulatie verstoord. De uitdaging is te zorgen dat er een nieuw stabiel evenwicht voor in de plaats komt. Werkt alles, dan is de volgende stap het zoeken naar optimale procesomstandigheden. Kan de temperatuur een graadje hoger en hoe lang gaat dat goed? "Stammen ontwikkelen vormt de kern van ons werk. Dat lijkt simpel, maar is tijdrovend. Uitzoeken wat het beste proces en de beste procesomstandigheden zijn, doen we graag met andere partners en met subsidie", aldus Dirk den Ouden van Photanol.
