Je leest:

De eiwittenfabriek

De eiwittenfabriek

Auteur: | 12 juni 2018
iStockphoto

In onze huidige tijd vormt de verwachte groei van de wereldbevolking een enorme uitdaging. Als we in 2050 alle negen tot tien miljard aardbewoners willen voeden met eiwitten voornamelijk uit vlees en vis, zoals wij in het Westen gewend zijn, dan moeten we op zoek naar nieuwe, meer efficiënte methoden voor het produceren van eiwitten. Eén onverwachte maar uitermate rijke bron daarvan zou ons eigen afvalwater kunnen zijn.

Eiwit is een essentiële component voor al wat leeft. Ze bestaan uit een keten van aminozuren die zijn opgebouwd uit een aminogroep (-NH2) en een carbonzuurgroep (-COOH). De stikstofbron voor de synthese van een eiwit is meestal ammonium. Deze verbinding staat steeds meer in de belangstelling als het gaat om terugwinnen van grondstoffen uit afvalwater met name in relatie tot eiwitproductie.

Energieverspiller

Op dit moment halen we ammonium uit het afvalwater met allerlei biologische processen. Aerobe nitrificerende bacteriën zetten ammonium met zuurstof om in nitriet en nitraat en anaerobe denitrificerende bacteriën zetten dit weer om naar stikstofgas. Dat is op zich zonde als men beseft dat veel ammonium eerst op industriële wijze via het Haber-Boschproces wordt geproduceerd.

In dat kapitaal slurpend proces wordt onder hoge druk en temperatuur met hulp van een katalysator uit stikstofgas en waterstofgas ammoniak geproduceerd. Dit ammoniak vormt de basis voor de kunstmestproductie en is dus cruciaal voor de voedselvoorziening. Een deel van het stikstof komt in ons voedsel terecht en via onze uitwerpselen bereikt het ammoniak uiteindelijk de rioolwaterzuivering.

Power to protein: voor eiwit uit afvalwater.

Het industriële proces voor ammoniakproductie vereist veel energie, ongeveer 40 MJ per kg geproduceerd stikstof. Ongeveer 2 procent van het totale mondiale energieverbruik wordt voor deze omzetting gebruikt. Uiteindelijk komt slechts 16 procent van het geproduceerde ammonium in de eiwitten in ons voedsel terecht. De omzetting van ammonium naar stikstofgas op een rioolwaterzuivering kost per kg stikstof ongeveer evenveel energie als de industriële productie ervan. Dit was de aanleiding om te onderzoeken of het mogelijk is ammonium in afvalwater met specifieke bacteriën direct om te zetten naar eiwitten, de zogenaamde single cell proteins, afgekort SCP.

Power-to-protein

Het idee om eiwit met bacteriën te produceren is niet nieuw. Gedwongen door economische blokkades werden in Duitsland zowel tijdens de Eerste als Tweede Wereldoorlog verwoede pogingen gedaan om lokaal eiwitten te produceren met gist (een schimmel) uit suikers en melasse. In de voormalige Sovjet-Unie werd tijdens de koude oorlog geprobeerd om restproducten van de olieraffinage te gebruiken als basis voor groei van bacteriën voor eiwitproductie.

Het project moest eind jaren 80 van de vorige eeuw worden stopgezet om toxicologische redenen, er zaten alkenen in het eiwit en die zijn giftig. Beide voorbeelden geven aan hoe op zichzelf staande landen innovatieve wegen zochten om hun bevolking van voldoende eiwit te voorzien. Er zijn ook al voorbeelden van micro­biële eiwitten op de markt, zoals het bekende Quorn.

Het concept power-to-protein gaat uit van het vastleggen van ammonium afkomstig uit de afvalwaterketen door specifieke bacteriën in de vorm van SCP. Hiermee wordt in feite de stikstofcyclus kortgesloten. Het concept is ontwikkeld aan de universiteit van Gent door emeritus hoogleraar microbiële ecologie en technologie Willy Verstraete. De specifieke bacteriën kunnen waterstofgas (H2), koolzuurgas (CO2), zuurstof en ammonium gebruiken om te groeien:

Ammoniumomzetting
Stichting Biowetenschap en Maatschappij

De gedachte hierachter is dat voor de productie van waterstof (en zuurstof) via elektrolyse, gebruik wordt gemaakt van groene elektriciteit die bijvoorbeeld door een waterschap zelf lokaal wordt opgewekt met wind of zon. Vandaar de naam ‘_power-to-protein_’. Het concept past naadloos in een toekomstige waterstofeconomie waarin, na het uitbannen van fossiele brandstoffen, waterstof een belangrijke energiedrager wordt voor de opslag van wind- en zonne-energie.

Ammoniumterugwinning

Ammonium terugwinnen uit afvalwater is een eerste belangrijke stap. Bestaande technologie gaat uit van conventioneel luchtstrippen bij hoge pH en temperatuur (tot 70 °C) of membraanstrippen onder vergelijkbare condities. In beide gevallen wordt het gestripte ammoniak vastgelegd als ammoniumsulfaat, dat bacteriën kunnen gebruiken om vast te leggen in eiwit. Deze technieken zijn alleen rendabel bij waterstromen met relatief hoge ammoniumconcentraties van ten minste 1.000 mg per liter.

In de huidige afvalwaterzuiveringspraktijk is vooral de natte fractie van de slibvergisting (digestaat) een interessante bron om ammonium met deze technieken uit terug te winnen. Digestaat bevat significante hoeveelheden ammonium. De natte fractie van de slibvergisting in Hengelo bevat bijvoorbeeld 1.700 mg ammonium per liter; ter vergelijking huishoudelijk afvalwater bevat ongeveer 50 mg ammonium per liter. Berekeningen laten zien dat het digestaat van de slibvergisting van bijvoorbeeld een stad als Amsterdam via het power-to-proteinconcept de bewoners van Amsterdam voor 36% in de netto eiwitbehoefte kan voorzien.

Power2protein
Principe Power-to-Protein concept.
Sittrop Grafisch Realisatie Bureau, Nijmegen

Pilotonderzoek

Aan de universiteit van Gent zijn in 2015 de eerste testen uitgevoerd op laboratoriumschaal in een reactor met een volume van 5 liter. De geoogste biomassa had een ruw eiwitgehalte van 71 procent wat hoog is ten opzichte van bijvoorbeeld vismeel (66 procent) en sojameel (45 procent).De kwaliteit van het eiwit, die voornamelijk wordt bepaald door de aminozuursamenstelling, blijkt vergelijkbaar met die van viseiwit. Op laboratoriumschaal werd de waterstof benut met een efficiëntie van 81 procent.

Onderzoek aan het power-to-proteinconcept is in januari 2018 in het pilotstadium (TRL 4) aangekomen, een installatie met 400 liter inhoud is getest in Amsterdam en in Enschede. TRL staat voor technology readiness level, dat loopt van 0 (idee) tot 9 (volledig commerciële fabriek). Het pilotontwerp vormde een uitdaging omdat het systeem veilig moet zijn gezien het gelijktijdig gebruik van waterstof en zuurstof (explosiegevaar, knalgas).

Waterstof mag niet ophopen in het systeem, waardoor de reactor aan de bovenkant open moet zijn. Aan de andere kant moet het waterstof als waardevolle energiedrager zo efficiënt mogelijk worden benut. Een goede overdracht van waterstof uit de gasfase naar de micro-organismen in de reactor is essentieel.

Er is nog veel onderzoek nodig gericht op optimalisatie en opschaling van het reactorontwerp en bijvoorbeeld de kwaliteit van het gevormde eiwit. Maar op basis van een eerste economische beschouwing lijkt het eiwit geproduceerd door micro-organismen een goed en duurzaam alternatief voor de biefstuk.

Lees het volgende artikel van het thema ‘Afvalwater’

Dit artikel is een publicatie van Stichting Biowetenschappen en Maatschappij, en hoort bij de thema's Voedsel produceren en Duurzaamheid vergroten op Biotechnologie.nl
© Stichting Biowetenschappen en Maatschappij, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 juni 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.