Melkzuur maken met licht en lucht, Photanol gaat productie op demoschaal bewijzen

Stel dat cyanobacteriën (blauwalgen, blauwwieren) door fotosynthese en met CO₂ in één omzettingsproces ethanol zouden kunnen produceren? Een jaar of tien geleden werkte professor Klaas Hellingwerf van de Universiteit van Amsterdam het concept uit. De huidige chief strategy officer van Photanol slaagde daar met speciaal ontwikkelde stammen inderdaad in. Helaas daalde de prijs van ethanol daarna zodanig dat er (nog) geen mogelijkheid was een sluitende businesscase voor dit product te bedenken.

Gelukkig gaat het om een platformtechnologie, die in staat is om zo'n beetje alle compounds te produceren die koolstofatomen bevatten. De kracht ligt in de strain engineering, het ontwikkelen van de juiste productiestammen voor het juiste product. Daarbij is het mogelijk om met dezelfde ingrediënten licht, lucht, voedingsmedium en aangepaste cyanobacteriën heel andere producten te maken. Koekoek: “Denk aan organische zuren, geur- en smaakstoffen, brandstoffen en bioplastics.”

Paul Koekoek in de proeffabriek in Delfzijl. Foto: Photanol

 

Tuinbouw

De omzetting in het proces verloopt zeer efficiënt. De verhouding CO₂ tot eindproduct, aangegeven als Cp, ligt op 80procent. Dat betekent vier keer meer melkzuur dan groei van biomassa. Die vergelijking is relevant, stelt Koekoek, omdat het proces eigenlijk meer tuinbouw dan chemie is. “Bij de productie van één ton melkzuur leggen we twee ton CO₂ vast. Het proces kent daarnaast een gunstige nutriëntenbalans en er is maar een gering ruimtebeslag nodig voor productie. Vruchtbare grond wordt schaarser en daardoor kostbaarder. Wij hebben helemaal geen vruchtbare grond nodig.”

Het enige wat nodig is, zijn alleen een schoorsteen met een geconcentreerde CO₂-uitstoot en zonlicht. Koekoek: “Direct aan de schoorsteen is de CO₂-concentratie veel hoger dan in gewone lucht, dus dat maakt een veel efficiënter proces mogelijk. Het afvangen van die CO₂-emissie is daarnaast geld waard. Het is geen dominante factor in de overwegingen, maar wel een mooie bijkomstigheid.”

Productie zou zelfs rond de klok, onder de grond of in verdiepingen kunnen plaatsvinden, wanneer de productie met ledlampen rendabel kan worden opgezet. Dat is op dit moment nog niet aan de orde, de fotosynthese draait nu nog op zonlicht. 

Investeerders

Inmiddels is Photanol zover dat het de productie van melkzuur en een ander organisch zuur op demonstratieschaal gaat bewijzen aan investeerders, partners en klanten. Hoewel er wereldwijd verschillende onderzoeksgroepen met een vergelijkbaar proces actief zijn, is dit het eerste echte productieproces met deze technologie. Ook overheden zien de potentie van de technologie. De demonstratiefase krijgt ondersteuning vanuit het Waddenfonds en van het EU-project RePLAy.

 

Het enige wat nodig is, zijn zonlicht en een schoorsteen met een geconcentreerde CO2-uitstoot.

 

Corbion is als producent van melkzuur en de afbreekbare kunststof PLA (via een joint venture met Total) als partner betrokken. Het bedrijf produceert al melkzuur uit suiker, maar is geïnteresseerd in de efficiëntie van het Photanol-proces. Voor de productie van het andere organische zuur is Nobian (voormalig Nouryon Industrial Chemicals) de partner. Een derde belangrijke partner is het Duitse Renolit, groot in specialistische kunststoftoepassingen. De gedachten gaan onder andere uit naar de circulaire productie van etheen en propeen voor medische toepassingen. Dat materiaal kan nu om veiligheidsredenen niet gerecycled worden en een duurzame oplossing is hier zeer welkom. Deze producten en oplossingen bevinden zich nog in de lagere TRLs (Technology Readiness Levels). Renolit is verder ook de leverancier van de buisvormige fotobioreactoren in een klimaat-gecontroleerde kas voor de productiefaciliteit op demonstratieschaal.

Productiestappen

Bij fotobioreactoren gaan de gedachten meteen uit naar algenproductie. “Dat proces lijkt veel op het onze, maar heeft een essentieel verschil”, zegt Koekoek. “Bij de algenproductie zijn de algen het product. In ons proces scheiden de cyanobacteriën het product uit in de broth ('bouillon') waarin de concentratie product steeds hoger oploopt.” Dat betekent dat downstream processing, filteren en opzuiveren, essentieel zijn om het product te oogsten, terwijl de productie-organismen gewoon doorwerken. Partners Nobian en Corbion zijn daarin gespecialiseerd en staan Photanol met hun kennis terzijde. 

Nog dit jaar kan Photanol gaan bewijzen dat het deze en andere productiestappen onder controle heeft. De fabriek staat er al. In 2020 is deze fabriek gebouwd en heeft succesvol proefgedraaid met wildtype bacteriën – dezelfde bacteriën, maar zonder het vermogen om melkzuur te produceren. Nu komen de productiestammen aan de beurt. Koekoek: “We kunnen maximaal tien ton per jaar produceren, honderd keer zoveel als met onze pilotplantproductie bij Prodock in de Amsterdamse haven. Behalve relatief grootschalige productie kunnen we ook de veiligheid van de productie voor de omgeving gaan aantonen; de omgevingsvergunning daarvoor is verleend. Daarvoor nemen onafhankelijke partijen voortdurend grond- en watermonsters uit de omgeving.”

Opschaling

Koekoek twijfelt niet of de technologie werkt. “De spannende aspecten zitten in de schaalbaarheid en het economische perspectief. De kosten per kilo melkzuur zijn gebaseerd op de combinatie van het geïnvesteerde kapitaal (CAPEX), operationele kosten (OPEX) en de productiecapaciteit van de stammen.” Goedkopere fotobioreactoren als gevolg van opschaling en standaardisatie van de productie brengen de CAPEX omlaag. Naast opschaling is ook in de operatie veel winst te behalen, maar het grootste potentiële voordeel zit volgens Koekoek in het optimaliseren van de bacteriestammen. “Als het lukt de productie-organismen twee keer zoveel te laten produceren, is de CAPEX relatief meteen twee keer zo laag.”

Photanol mikt niet alleen op duurzaamheid als verkoopargument, maar ook op een concurrerende prijs. Koekoek: “Het duurzaamheidsargument helpt wel. Steeds meer bedrijven vermelden in hun jaarverslagen hoeveel fossiele brandstoffen ze vervangen door een duurzame oplossing. Als we nog een aantal stappen weten te zetten lijkt een concurrerende kostprijs haalbaar. Met een fabriek voor een jaarproductie van 30 tot 100 kiloton ligt dit ondanks de huidige lage prijs van suiker en aardolie binnen bereik.” Photanol werkt al aan het conceptontwerp van een dergelijke fabriek. Het streven is om die in 2024 te realiseren in Delfzijl of in het zuiden van Europa.


Stammen op maat

Via strain engineering, het ontwikkelen van de juiste productiestammen voor het juiste product, kan Photanol zijn productieplatform afstemmen op het maken van een bepaald product. Daarnaast moeten de productiestammen worden aangepast op lokale productie-omstandigheden, zoals het klimaat. In een fabriek in Groningen gedijen andere stammen dan bijvoorbeeld in de woestijn van Arizona.


De productiefaciliteit op demoschaal bevat buisvormige fotobioreactoren in een klimaat-gecontroleerde kas.