Is het leven maakbaar? 3.1 Transitie is onvermijdelijk

‘Educatie is het krachtigste wapen dat we kunnen gebruiken om de wereld te veranderen’ (Nelson Mandela).

Hans Tramper is emeritus-hoogleraar Bioprocestechnologie Wageningen Universiteit en reflecteert in een aantal essays op de geschiedenis van zijn vakgebied. Zijn stukken werden tot nu toe gepubliceerd op 18 juni, 30 juni, 11 juli, 22 juli, 19 augustus, 10 september en 21 september 2018.

Toeval

In Essay 1 reflecteerde ik op mijn werkzame leven na mijn afstuderen in Delft als scheikundig ingenieur eind 1972. De keuze in 1973 voor biotechnologie tijdens mijn studie aan Purdue University werd door toeval bepaald en blijkt levenslang. Ook in de periode ervoor speelde toeval een grote rol. Het feit dat we tijdens mijn lagereschooltijd naast de hoofdonderwijzer woonden, zorgde ervoor dat ik naar de HBS kon gaan, iets wat toentertijd een arbeiderskind niet zo vaak overkwam. Tot mijn zestiende wist ik zeker wat ik wilde worden: stuurman op de grote vaart. Het kwam er niet van. Het lot besliste anders. Een lelijke oogontsteking gooide roet in het eten. Onze huisarts zette me op het spoor van de chemie – ‘als je nou toch niet weet wat je wilt, waarom geen scheikunde dan, daar had je tenslotte een 8 voor en, kijk hier, chemici worden de bestbetaalde academici’ en hij gaf me het tijdschrift waarin dit stond. Zo begon ik in september 1966 niet echt gemotiveerd aan de studie scheikundige technologie in Delft. In het derde studiejaar gingen we voor het eerst kleine stukjes zelfstandig onderzoek doen en toen ging mijn hart open, toen begon mijn fascinatie, toen kwamen mijn genen in de juiste stand. Hier wilde ik goed in worden en dat lukte, hetgeen bleek uit mijn afstudeeronderzoek (cum laude) aan de conservering van hout. Hierbij ging ik voor het eerst aan de slag met levende systemen, te weten schimmelcultures. In die periode ontstond mijn belangstelling voor duurzaamheid, voor de biochemie en voor biologische processen. In die tijd ook vroeg ik me voor het eerst af: Wat is er nodig voor leven en waar wordt chemie leven? Waardoor werden deze belangstelling en vragen getriggerd?

Vijftig jaar geleden, in mei 1968, braken studentenrevoltes uit, beginnend in Parijs. De studenten daar waren ontevreden over de kwaliteit van hun onderwijs en gingen de straat op om daartegen te protesteren. De demonstraties breidden zich uit over de hele wereld en groeiden uit tot een algemeen protest tegen de conservatieve gevestigde orde. Zelfs het nuchtere Delft bleef er niet van verschoond. Diverse malen verstoorden milieu-activistische studenten colleges die ik volgde. De chemische industrie was volgens hen de grote vervuiler van het milieu. Als negentienjarige scheikundestudent was ik daar niet ongevoelig voor.

Leefbaarheid

Ook vijftig jaar geleden, in april 1968, was er in Rome een bijzondere bijeenkomst. Een groep van 36 wetenschappers uit alle delen van de wereld richtte daar de Club van Rome op. Ze deelden één zorg: de leefbaarheid op aarde. In 1972 verscheen het eerste grote rapport van deze Club van Rome. Het had de titel Grenzen aan de groei en sloeg in als een bom. Als boek ging het in 37 talen miljoenen malen over de toonbank. Het rapport waarschuwde voor aantasting van milieu en leefbaarheid op aarde door ongebreidelde economische en bevolkingsgroei. Het rapport oogstte veel lof, maar ook kritiek, zelfs na aanpassingen en actualiseringen. ‘Groene groei’ door schone technologie werd het nieuwe paradigma. Opportuun is nog altijd de vraag: Hoeveel verdere groei van bevolking en economische activiteit kan de wereld nog aan? Grenzen aan de groei verscheen op het moment dat ik nadacht over de gewetensvraag: wat te doen met mijn diploma scheikundig ingenieur? Het werd dus biotechnologie en dan met name de ontwikkeling van schone biologische processen. Een mooi voorbeeld van vergroening van chemie waaraan ik heb meegewerkt, is de productie van semisynthetische penicillines en cefalosporines. Het werd mogelijk door de fermentatie uit te voeren met een genetisch gemodificeerde schimmel en door inzet van recombinante enzymen in de volgreacties.

Groene chemie

In Essay 1 staat dat ik de ontwikkeling van bioprocestechnologisch onderwijs startte met het aanpassen van proceskunde vakken door als voorbeelden vooral biotechnologische onderwerpen te kiezen. Als voorbeeld daarvan geef ik het uitwerken van een processchema voor de selectieve productie van optisch zuiver D-(-)-4-hydroxyfenylglycine (rechtsdraaiend) met een selectief enzym als katalysator, dit als potentieel alternatief voor de toen in gebruik zijnde chemisch bereidingswijzen waarbij een racemisch mengsel wordt gevormd. De optisch zuivere vorm is een kostbare grondstof voor de productie van semisynthetische antibiotica, met name amoxicilline en cefadroxil. Uitgaande van een toentertijd recent Japans octrooi werkte ik met een groep studenten in het kader van het vak Procesontwerpen in 1982 een integraal ontwerp in detail uit, inclusief kwantificering van de afvalstromen. De vraag of een dergelijk proces concurrerend kan zijn met de chemische synthese werd mij voorgelegd door Dr. Alle Bruggink, toen wetenschappelijk directeur bij een dochter van Océ-van der Grinten, het bedrijf Andeno, dat tussenproducten ontwikkelde, produceerde en distribueerde voor de farmaceutische industrie. Op basis van de uitkomsten concludeerden we met Bruggink dat het inderdaad zou kunnen concurreren. Een jaar later begon Kanegafuchi, de Japanse octrooihouder, met de bouw van een fabriek voor dit tussenproduct in Singapore. In 1987 kocht DSM het bedrijf Andeno van Océ, een te verwachten overname.

De belangstelling van DSM voor tussenproducten van farmaca ontstond in de jaren ’70 en is in niet onbelangrijke mate te danken aan één werknemer, te weten Willy Boesten. Deze eigenzinnige, briljante en gelauwerde onderzoeker begon in 1962 als leerling-laborant bij de Staatsmijnen, kortweg DSM sinds de laatste kolenmijn in 1973 werd gesloten. Op naam van Boesten staan nu een lange lijst van nieuwe milieuvriendelijke industriële processen, met name voor de enzymatische productie van aminozuren en peptiden in water als reactiemedium. De uitvinding van hem met de voor DSM grootste gevolgen deed hij in 1975, toen hij het nut van het gebruik van enzymen in de organische chemie zag. Dat had ook gevolgen voor mij persoonlijk. In 1975, net terug uit de VS, solliciteerde ik bij Prof. Henk van der Plas, hoogleraar Organische Chemie in Wageningen en toentertijd ook adviseur bij DSM. Hij zag mijn Amerikaanse onderzoekservaring met het enzym glucose isomerase, nam me aan en zette me als promovendus op een gloednieuw onderzoeksthema: toepassing van enzymen in organische syntheses.

Terugkomend op Boesten, die ontwierp in 1975 een proces voor de synthese van D-fenylglycine, evenals D-(-)-4-hydroxyfenylglycine een bouwsteen voor antibiotica, en gebruikte daarvoor het enzym leucine aminopeptidase. Sinds die uitvinding ging DSM vaker gebruik maken van enzymen; het bedrijf produceert tegenwoordig een grote verscheidenheid aan niet-fundamentele aminozuren, dat wil zeggen niet behorend tot de twintig aminozuren waaruit de levende cel eiwitten maakt. Het zijn belangrijke tussenproducten voor tal van farmaca en agrochemicaliën. De overname van Andeno lag daarom voor de hand. De door Boesten ontwikkelde processen voor optisch zuivere D-fenylglycine-derivaten hadden ook grote gevolgen voor de productie van antibiotica. In samenwerking met Gist-brocades ontwikkelden Boesten en zijn collega’s enzymatische routes voor productie van penicillines en cefalosporines.

Semisynthetische antibiotica
Hoewel semisynthetische antibiotica door toenemende resistentie van bacteriën een eindig leven beschoren lijken, worden ze toch nog steeds op grote schaal geproduceerd en voorgeschreven. De verwachting is dat de ‘grote’ antibiotica zoals ampicilline, amoxicilline, cefalexine en cefadroxil toch nog wel enkele decennia zullen meegaan. De eerste twee zijn penicillines, de derde en de vierde behoren tot de cefalosporines, die echter ook van penicilline afgeleid zijn. In 1995 startte een grootschalig, vijfjarig onderzoeksprogramma waaraan zes Nederlandse academische onderzoeksgroepen, waaronder die van mij, en drie bedrijven deelnamen, te weten DSM, Gist-brocades en Chemferm, een joint venture van de andere twee. Dit zogenaamde Chemferm-project had als doel optimalisatie en vergroening van de productie van penicillines en cefalosporines. Het werd in 2001 afgesloten met de publicatie van een boek, met Alle Bruggink, ontwerper en trekker van dit onderzoeksprogramma, als editor. Het boek vat de resultaten van dit intensieve samenwerkingsverband samen en bestaat uit meer dan 100 wetenschappelijke publicaties en diverse octrooien. Tijdens het project, in 1998, werden de drie bedrijven samengevoegd, ze gaan sindsdien verder als DSM.

In maart 2001 is in de Delftse fabriek een nieuw productieproces van cefalexine van start gegaan waarbij een genetisch gemodificeerde Penicillium-stam gebruikt wordt. Daardoor is het aantal processtappen, en daarmee de kosten, aanzienlijk teruggebracht. Het nieuwe proces kost bovendien 35 procent minder energie en het gebruik van organische oplosmiddelen is tot vrijwel nul gereduceerd. Door inzet van deze genetisch gemodificeerde schimmel, en het ook in de vervolgstappen vervangen van chemische syntheses door biokatalyse (gebruik van enzymen), is de productie van antibiotica nu veel milieuvriendelijker en kunnen we met recht spreken van groene chemie.

Interessant? Lees dan ook:
De ‘Groene Routes’ van DSM, een wereldprimeur in biokatalyse
De houdbaarheid van de groene chemie
Verkeerde vraag: kunnen we milieueffect loskoppelen van groei van het BNP?