Ondanks de enorme belofte van microalgen als duurzame bron van producten en diensten is op dit moment slechts een klein deel van die toepassingen daadwerkelijk in bedrijf. Dit komt voornamelijk door de nog hoge kosten van het productieproces, maar waar zit hem dat nu precies in? Om te weten waar verbeteringen nodig zijn heb je een goed inzicht nodig in de belangrijkste kostenfactoren van de productieketen. Dan blijkt dat er nog heel wat werk te verrichten is en dat er zelfs doorbraken nodig zijn voor we bulkproducten uit microalgen op de schappen in de supermarkt en aan de pomp zullen tegenkomen.
Al een halve eeuw oud
Biobrandstofproductie met microalgen is bepaald geen nieuw concept. Al meer dan een halve eeuw terug verschenen de eerste rapporten waarin dit concept beschreven werd. Pas tijdens de oliecrisis van de jaren zeventig werd er echt werk gemaakt van deze ideeën. Grote onderzoeksprogramma’s in de Verenigde Staten en Japan legden zich toe op de ontwikkeling van energieproductie met behulp van microalgen. Het Amerikaanse Aquatic Species Program richtte zich daarbij voornamelijk op de productie van biodiesel met olierijke microalgen, gekweekt in open vijversystemen. De benodigde CO2 kwam uit de schoorstenen van energiecentrales.
De Japanners gebruikten ook rookgassen, maar hun onderzoek spitste zich toe op gesloten fotobioreactoren. Beide projecten leverden het nodige op, zoals veelbelovende productiestammen en ontwerpprincipes voor open en gesloten kweeksystemen. Toch werden de programma’s halverwege de jaren negentig gestopt. De reden: de stap naar grootschalige productie van energiedragers leek economisch gezien niet rendabel.
Ongeveer een decennium later, toen biotechnologisch onderzoek tot volle wasdom kwam, leefde het onderwerp weer op. Niet alleen de doorbraken die de biotech mogelijk maakte, maar ook andere factoren droegen bij aan de hernieuwde interesse in biobrandstofproductie. Zo steeg de prijs van fossiele brandstoffen tot recordhoogtes, nam de energiebehoefte van de groeiende wereldbevolking alsmaar toe, wilden westerse landen niet meer afhankelijk zijn van olie uit het Midden Oosten en bleek het gebruik van fossiele brandstoffen een grote negatieve impact op het milieu te hebben.
In vergelijking met ander onderzoek naar biobrandstofproductie kreeg en krijgt het onderzoek naar microalgen veel aandacht. Dit komt doordat productie van biobrandstof op basis van landbouwgewassen als koolzaad of suikerriet een potentiële bedreiging vormt voor de wereldvoedselproductie. Voor dergelijke producten is immers vruchtbare grond nodig. Microalgen kunnen ook op onvruchtbaar land geproduceerd worden en zijn bovendien veel productiever dan de traditionele landbouwgewassen.
Alleen hoogwaardige producten
Ondanks de potentie van microalgen is de productie van algenbiomassa momenteel beperkt ten opzichte van die van energiegewassen in de landbouw. De wereldwijde productie van microalgen bedraagt ongeveer 10.000 tot 20.000 ton drogestof per jaar. Dat gaat in hoofdzaak om de productie van hoogwaardige producten als pigmenten en omega-3 vetzuren. Deze productie vertegenwoordigt een waarde van ongeveer 2,5 miljard Euro, ofwel een gemiddelde prijs van 125 tot 250 euro per kilo droge algenbiomassa. Ter vergelijking: van palmolie wordt bijna 40 miljoen ton per jaar geproduceerd tegen een prijs van ongeveer 50 cent per kilo.
De productie van bulkstoffen, zoals brandstof, met behulp van microalgen moet daarom op een veel grotere schaal en tegen een veel lagere kostprijs gebeuren. Stel, we zouden alle transportbrandstoffen in Europa willen vervangen door biobrandstoffen uit microalgen, dan is een jaarlijkse productie van ruim 400 miljoen ton olie nodig. Omgerekend zou hier een oppervlakte ter grootte van Portugal – ruim 9 miljoen hectare – voor nodig zijn. Daarbij ga je ervan uit dat een hectare algenkwekerij 40.000 liter olie per jaar kan produceren, op basis van 3% omzettingsefficiëntie van de hoeveelheid zonlicht zoals die in Zuid-Europa gebruikelijk is en op basis van algen die voor de helft uit olie bestaan. De ruimte is er wel rond de Middellandse Zee, maar het is nog een grote stap voor de microalgentechnologie op deze schaal mogelijk is. Niet alleen zal de productieschaal dramatisch moeten toenemen, ook zal de kostprijs met ongeveer een factor 10 omlaag moeten.
Voor zulke drastische doorbraken is veel inspanning nodig. De hele keten van algenproductie moet onder de loep worden genomen. Fundamentele biologie, systeembiologie, modellering van de stofwisseling, stamveredeling, bioprocestechnologie, opschaling, bioraffinage, productieketen- en systeemontwerp … alles moet op een geïntegreerde manier worden bekeken. Het voornaamste doel is om de kostprijs en energiebehoefte van de algenproductie te verlagen. Tegelijk moet de olieproductie door de algen worden verbeterd en zal niet alleen uit de oliefractie maar ook uit de rest van de biomassa inkomen moeten worden gehaald. Voor dit laatste is een bioraffinage methodologie nodig, waarin de verschillende componenten van de alg van elkaar worden gescheiden en vervolgens worden opgewerkt tot afzonderlijke producten. Voor de andere doelen zullen celeigenschappen, bioreactorontwerp en de efficiëntie van toevoer en gebruik van nutriënten en grondstoffen verbeterd moeten worden.
Dat er nog veel ruimte is voor verbetering blijkt onder andere uit het voorbeeld van penicillineproductie door schimmels. Door technologische vooruitgang op het gebied van bioreactorontwerp, procescontrole, oogst- en extractietechnieken, en op het gebied van stamverbetering produceren schimmels tegenwoordig 5.000 keer meer penicilline dan ongeveer 50 jaar geleden. Commerciële algenproducenten maken nu echter nog altijd gebruik van traditionele kweekmethoden en slechts een handvol verschillende algenstammen. Er zijn nog duizenden soorten microalgen te ontdekken. Daarnaast biedt genetische modificatie de mogelijkheid om microalgen met verbeterde eigenschappen uit te rusten.
Meer olie uit dezelfde alg
Voor er betaalbare biodiesel op basis van algen uit de pomp komt moet de olieproductie door microalgen drastisch worden verhoogd. In optimaal groeiende microalgen zijn lipiden voornamelijk aanwezig in de vorm van membranen. Wanneer bepaalde microalgen worden blootgesteld aan suboptimale groeiomstandigheden, zoals teveel licht, te weinig stikstof of extreme temperaturen, dan hopen zij lipiden op in de vorm van triglyceriden, een soort oliedruppels. De membraanlipiden bevatten fosfaat- of suikergroepen en zijn daarom minder geschikt als biobrandstof dan de druppeltjes triglyceriden. Bovendien vormen membraanlipiden dankzij hun polariteit een stevige verbinding tussen wateroplosbare en olieoplosbare moleculen. Daardoor zijn ze moeilijk te scheiden zijn van de rest van de biomassa. Efficiënte ‘algendiesel’ begint daarom met efficiënte productie van triglyceriden. Het kweken onder suboptimale groeiomstandigheden kost een cel echter relatief veel energie en wordt de cel uiteindelijk zelfs fataal. Dat dempt uiteindelijk de algehele olieproductiviteit van een algenkweek.
Oeps: Afbeelding met id 188771 niet gevonden.
Kennis van de fundamentele biologie achter productie van triglyceriden is beperkt. De meeste kennis is gebaseerd op onderzoek aan hogere planten. Als de biologische mechanismes en hun regulatie bekend waren, zou het mogelijk moeten zijn om olieproductie in microalgen te stimuleren zonder ze bloot te stellen aan suboptimale groeicondities, bijvoorbeeld door aanpassingen van de procesomstandigheden, door het gebruik van specifieke nutriëntenregimes, of door genetische modificatie van de microalgen. Hierdoor zou de efficiëntie van de triglyceridenproductie verhoogd kunnen worden.
Zon en water
Microalgen groeien op licht, water, CO2, stikstof, fosfor en een aantal sporenelementen. Grootschalige, duurzame kweek van microalgen voor biobrandstoffen moet gebaseerd zijn op zonlicht als enige bron van lichtenergie. Vooral in de zomer en dicht bij de evenaar is de intensiteit van het zonlicht hoog; zo hoog dat de fotomachinerie in een algencel verzadigd wordt met licht en de rest van het geabsorbeerde licht verloren gaat als warmte. De omzettingsefficiëntie van het zonlicht wordt hierdoor laag. De laatste jaren is daarom veel onderzoek gedaan naar het verbeteren van deze efficiëntie, onder andere door het gebruik van stammen met minder pigment die minder licht opnemen en door het gebruik van reactoren die het invallende zonlicht over een groter oppervlak verdelen. Waterverbruik is een volgend belangrijk aspect van rendabele en duurzame biobrandstofproductie. Voor de productie van 1 liter brandstof met energiegewassen is niet minder dan 3.300 liter water nodig! Microalgen hebben veel minder water nodig. Voor de fotosynthese en de stofwisseling heeft een kilo algen ongeveer 0,75 liter water nodig. Bij een oliepercentage van 50% kost een liter olie dus ongeveer 1.5 liter water.
In de praktijk is natuurlijk veel meer water nodig, bijvoorbeeld voor het koelen van de gesloten fotobioreactoren of voor het compenseren van waterverlies door verdamping uit open vijversystemen.
Wanneer gesloten systemen worden uitgerust met warmtewisselaars, die aangesloten zijn op grote zoutwaterbuffers, kan het gebruik van kostbaar zoetwater aanzienlijk worden gereduceerd. Bovendien kunnen veel soorten microalgen in zoutwater worden gekweekt.
Daarmee is zelfs kweken in de woestijn met behulp van zoutwater uit de diepe bodem een optie. Ook productie in gesloten systemen op meren of zeeën behoort tot de mogelijkheden, al is het ontwikkelen van een reactor die bestand is tegen wind en golven beslist geen sinecure.
CO2 van de schoorsteen naar de alg
Het produceren van grote hoeveelheden microalgen vereist ook grote hoeveelheden CO2. Voor één kilo alg is netto ongeveer 1,8 kilo CO2 nodig. Dit betekent dat voor de 400 miljoen ton transportbrandstoffen in Europa 1.4 miljard ton CO2 nodig is. De Europese unie produceert nu ongeveer 4 miljard ton CO2 door de verbranding van fossiele brandstoffen. Hiervan zou dus een aardig deel gerecycled kunnen worden in de vorm van algenbiobrandstof. Natuurlijk zal het CO2 na verbranding van die biobrandstof alsnog in de atmosfeer eindigen, maar de snelheid waarmee het CO2 uit fossiele brandstoffen uiteindelijk ophoopt in de atmosfeer en onze oceanen zal hierdoor toch aanzienlijk verlaagd worden. Er is wel een belangrijk probleem: microalgen kunnen lang niet altijd pal naast CO2-uitstotende industrie worden gekweekt. Eén van de grootste uitdagingen voor het hergebruiken van de huidige CO2-uitstoot is dan ook de afstand waarover dit gas getransporteerd zal moeten worden.
Voeding
De belangrijkste nutriënten voor de productie van microalgen zijn stikstof en fosfor. Droge algenbiomassa bestaat voor ongeveer 7% uit stikstof en 1% uit fosfor. Voor het produceren van alle transportbrandstoffen in Europa is ongeveer 25 miljoen stikstof en 4 miljoen ton fosfor nodig. Dit is ongeveer twee keer zoveel als de huidige meststofproductie in de EU. Voor duurzame productie van biobrandstoffen uit microalgen zullen die voedingsstoffen daarom zoveel mogelijk gerecycled moeten worden. Je zou bijvoorbeeld gebruik kunnen maken van afvalstromen die rijk zijn aan nutriënten. In Europa is bijvoorbeeld 8 miljoen ton stikstof beschikbaar uit afvalstromen.
Dure oogst
Na de productie moet de biomassa geoogst worden. De olie moet uit de alg worden geëxtraheerd en het overgebleven celmateriaal moet worden opgewerkt tot een waardevolle bron van reststoffen. Het oogsten van microalgen is nu nog een kostbaar proces omdat dit veel energie kost en hoge investeringskosten met zich meebrengt. De meeste microalgen zijn ééncellig en microscopisch klein. Daarom wordt nu meestal een centrifuge gebruikt om de microalgen van het water te scheiden. Omdat er meestal maar een paar gram drogestof in een liter kweek zit, zijn grote centrifuges nodig om deze waterige stromen te verwerken. Een eerste concentratiestap door middel van zogenoemde flocculatie van de biomassa zou deze kosten en energiebehoefte aanzienlijk kunnen reduceren.
Om olie uit de microalgen te extraheren worden de cellen eerst ‘opengebroken’, waarna de olie van de rest van de biomassa wordt gescheiden. Dat kan met behulp van organische oplosmiddelen of met meer milieuvriendelijke, maar duurdere, oplosmiddelen, zoals bijvoorbeeld het recyclebare CO2.
De meeste microalgen zijn niet alleen klein maar hebben ook nog eens een relatief dikke celwand. Daarom zijn grove methoden nodig om de cel kapot te maken en die daardoor ook de functionaliteit van celcomponenten zoals eiwitten nadelig kunnen beïnvloeden.
Het zou dan ook veel handiger zijn wanneer de alg zélf de olie al uit de cel werkt, zoals de soort Botryococcus braunii bijvoorbeeld doet. Dat vraagt een veel eenvoudiger opwerkingsmethode, waardoor de kosten van oliewinning uit de cultuur veel lager kunnen uitvallen.
Wanneer ook de overige celcomponenten te gelde moeten worden gemaakt, kunnen cellen met een dunnere celwand uitkomst bieden. Zo’n celwand moet nog net stevig genoeg zijn om de krachten in de fotobioreactor te weerstaan, maar tegelijkertijd eenvoudig open te breken zijn tijdens het extractieproces.
De ideale alg
In de figuur hieronder is een aantal gewenste eigenschappen van de ideale productiestam weergegeven. Helaas is er op dit moment nog niet één microalg bekend die al deze eigenschappen in zich verenigt. Op het gebied van stamverbetering en stamselectie is dus nog veel ruimte voor verbetering. Eventuele doorbraken op dit gebied kunnen ook gevolgen hebben voor andere onderdelen van de productieketen. Bijvoorbeeld, een microalg die heel efficiënt om kan gaan met hoge lichtintensiteit maakt het overbodig om kweeksystemen te ontwerpen met een groot invangend lichtoppervlakte per grondoppervlak. En stammen die hoge zuurstofconcentraties kunnen tolereren vragen minder investering in zuurstofverwijdering.
De ideale productiestam zal er niet morgen of overmorgen al zijn. Er liggen nog veel uitdagingen en er zijn doorbraken nodig in verschillende onderdelen van de productieketen om biobrandstoffen en andere bulkproducten uit microalgen rendabel en duurzaam te maken. Het lijkt redelijk om te stellen dat het nog wel een jaar of tien zal duren voordat dit doel bereikt is. De volgende hoofdstukken geven een gedetailleerd inzicht in de vorderingen die op een aantal onderzoeksgebieden worden gemaakt.