CO2 vervangt straks suiker als industriële grondstof

Tot de kansrijke start-ups behoort volgens ons beslist Photanol, het onderzoekbedrijf van de hoogleraren Joost Teixeira de Mattos en Klaas Hellingwerf van de Universiteit van Amsterdam. Hun ‘derde generatie’ bedrijfje maakt allerlei chemische producten, zoals melkzuur en vele andere basisproducten, uit cyanobacteriën, een soort algen. Voorlopig nog in opbrengsten van slechts enkele grammen of nog veel minder. Verwacht dus geen biobased kraker of een forse bioraffinaderij, hoewel ze claimen de grootste derde generatie fotobioreactor ter wereld te exploiteren. Maar de elegantie van hun proces en de opzet van hun proeffabriekje op het terrein van de universiteit zijn indrukwekkend. En bij elke presentatie hebben ze een nieuwe invalshoek of zijn ze weer een stapje verder.

Als u regelmatig op deze site kijkt, of ons boek ‘Naar groene chemie en groene materialen’ van de Wetenschappelijke en Technologische Commissie voor de biobased economy heeft gelezen, dan kent u Photanol. Deze week ging een van de oprichters, Klaas Hellingwerf, bioloog aan het Swammerdam Instituut voor Levenswetenschappen in discussie met Joost Reek, chemicus aan het Van ’t Hoff Instituut op het gebied van homogene en supramoleculaire katalyse, en ook hoogleraar in Amsterdam. Ze spraken erover wat de beste manier is voor het vastleggen van CO2 met behulp van zonne-energie, in de vorm van elektriciteit, brandstoffen of chemicaliën. Reek toonde aan dat (bio)brandstoffen de beste manier zijn om zonne-energie op te slaan, bijvoorbeeld in de vorm van methanol, methaan of waterstof. Die brandstoffen worden gemaakt door het omdraaien van de reactie brandstof + zuurstof geeft kooldioxide + water. Reek doet dat via chemische katalyse (kunstmatige fotosynthese, artificial leaf); Hellingwerf doet het met Photanol langs de biologische weg.

Alles maken uit licht en CO2
Dat maakt niet veel uit zou je zeggen, maar er is verschil. De chemische katalysatoren zijn duur en maar beperkt aanwezig. Natuurlijk zoeken de chemici als Joost Reek naar andere mogelijkheden, en die vinden ze ook wel, maar zoals Klaas Hellingwerf opmerkte: ‘bij de biologische route hoef je geen katalysator te synthetiseren. Daar komt bij dat het chemisch gelijktijdig overdragen van vier elektronen op CO2 heel moeilijk is, en biologisch gaat het goed.’ Anderzijds: het rendement van cyanobacteriën op invallend licht zal niet boven 5% uitkomen, op den duur kan kunstmatige fotosynthese een hoger rendement halen. ‘Onderschat de chemici niet,’ zegt Joost Reek, ‘we halen nu al 5% rendement met onze huidige artificial leaves, maar we mikken op 20 tot 40% en denken daarbij aan katalysatoren uit veel goedkopere materialen zoals bijvoorbeeld ijzerroest.’

De aangepaste cyanobacteriën van Photanol kunnen, dank zij de ‘genetische cassettes’ die de onderzoekers erin zetten, alles maken uit licht en CO2, zoals ethanol, etheen, 1-butanol, 2-butanol, isobutanol, isopreen, 2,3 butaandiol en isobutyraldehyde. Er werkt bij Photanol zelfs een promovendus aan het bereiden van melkzuur langs deze weg en ‘de prijs daarvan is vijf maal zo veel als die van ethanol.’ ‘Dank zij ons ‘cell factor concept’ maken we direct ethanol – op termijn in 95% omzetting van de CO2 – zonder de omweg via biomassa,’ aldus Klaas Helingwerf. ‘En die opbrengsten kunnen gigantisch zijn: via biomassa maak je 5000 liter ethanol per hectare per jaar, via cyanobacterien misschien wel 150 000 liter. En dat zonder problemen met de mineralenbalans en zonder concurrentie met de voedselproductie.’ Geen wonder dat ze bij Photanol CO2 zien als de nieuwe grondstof. De klassieke microbiologie maakt haar producten uit suiker en dus uiteindelijk uit CO2 die door planten wordt geabsorbeerd, maar de Photanollers zien dat als een omweg. ‘CO2 is de nieuwe suiker.’

Mineralenbalans geen probleem
Een succesfactor kan ook zijn dat Photanol zijn cyanobacteriën niet oogst. Oogsten van algen is een bottleneck in vele business cases. Photanol oogst niet, maar ‘melkt’ zijn productiepaarden. Het organisme deponeert de opbrengst buiten zichzelf, in de ‘reactorvloeistof’ (een waterige oplossing). Bestaat de opbrengst uit een gas (als waterstof of ethaan), dan ontsnapt dat; het kan eenvoudig worden opgevangen. Blijft de opbrengst opgelost in water, dan is verdere membraanscheiding nodig. En, let wel: de mineralenbalans komt nooit in gevaar; fosfor en stikstof werken wel in de bacteriën, zorgen daar ook voor reproductie, maar komen niet terecht in het product.

Op de energiemarkt zal Photanol natuurlijk niet morgen doorbreken; maar over een jaar of twintig, denkt Klaas Hellingwerf, moet het allemaal toch wel gelukt zijn. Zijn probleem is dat de overheid niet de mogelijkheden van dit soort vooroplopende wetenschap ziet. Het weghalen van aardgasopbrengsten bij innovatie, om er de staatsschuld mee te dempen vindt hij, net als Joost Reek, ook al niet goed voor innovatie. ‘En het bedrijfsleven, dat met een scheef oog naar de mogelijkheden van schaliegas kijkt, begint ons type onderzoek te beschouwen als iets voor later, nog heel ver weg.’ Dat klinkt allemaal niet goed.