Moleculen maken met bacteriën en elektrochemie, dat is kortgezegd de passie van Ludovic Jourdin. Dit relatief nieuwe veld is volop in ontwikkeling en heeft veel te bieden. ‘We werken multidisciplinair van nanoschaal tot industriële schaal.’
Ludovic Jourdin, universitair hoofddocent Biotechnologie aan de Technische Universiteit Delft, is meestal enthousiast, vertelt hij terwijl we de trap oplopen naar een rustig plekje op de tweede verdieping van de afdeling Biotechnological Engineering. ‘Maar het was een drukke week en een onweersbui hield me vannacht uit m’n slaap. Ik zal proberen net zo opgewekt te zijn als normaal.’ Zo gezegd, zo gedaan; met veel animatie en zijn glimlach nooit ver weg deelt Jourdin over zijn werk op het gebied van microbiële elektrosynthese (MES), een relatief nieuw gebied waarvan hij een van de pioniers is.
Je hebt al heel wat plaatsen in de wereld gezien dankzij beroepsstages in Canada, Frankrijk en Nieuw-Zeeland, naast een PhD in Australië. Wat is de meest waardevolle les die je in die jaren hebt geleerd?
‘Het is zeker een verrijkende reis geweest. Ik heb zowel veel verschillende culturen als laboratoria en hun werkwijzen mogen ervaren. Het heeft me de tools gegeven om mijn eigen groep hier in Delft op te bouwen. Ik adviseer mijn studenten daarom altijd om ervaring op te doen op veel verschillende werkplekken, het liefst in meerdere landen. Het opent je ogen enorm.
Ik kom zelf uit een klein dorpje in Frankrijk en sprak geen woord Engels. Maar om mijn carrière te bevorderen, moest ik een Engels diploma hebben. Dus nam ik het risico en ging ik een jaar stage lopen in Canada – het Engelstalige deel. Daar is het voor mij allemaal begonnen.’ [lachend]: ‘Ik weet nog dat ik in het vliegtuig zat en bij mezelf dacht: “waar ben ik mee bezig?”. Het was een moeilijke start, maar het heeft mijn blik oprecht verbreed.’
Vijf jaar geleden streek je neer in Nederland. Wat bracht je hier?
Jourdin grijnst: ‘Nederland kwam nogal onverwacht op mijn pad. Tijdens mijn PhD maakte ik deel uit van een van de eerste groepen die zich bezig hielden met microbiële elektrosynthese. Toen ik begon, waren er zelfs nog geen publicaties over dit onderwerp. Ik was behoorlijk succesvol en had een geweldig leven in Australië, maar het is daar erg moeilijk om financiering te krijgen voor onderzoek dat niet mainstream is. Dat is een van de redenen dat ik veel grote groepsleiders heb zien opkomen en verdwijnen. Dus ik dacht, ik ben Europeaan, laat ik teruggaan naar Europa.
‘Met bacteriën kunnen we complexere moleculen of zelfs voedsel maken’
In 2014 bezocht ik een paar conferenties in Zwitserland en Spanje, en mensen van de Universiteit Wageningen merkten me op, nodigden me uit om naar Nederland te komen en legden een contract voor m’n neus. Ik zat in mijn laatste jaar en was nog niet begonnen met solliciteren, dus toen ik die postdocpositie aangeboden kreeg, dacht ik: waarom niet! Na een paar jaar Wageningen zag een vriendin en oud-klasgenoot van mij, die in Delft promoveerde, een vacature waarvan ze dacht dat die goed bij mij zou passen. Maar de sollicitatietermijn was al verstreken. Ik heb toch gesolliciteerd, werd uitgenodigd en kreeg de baan.’
En dat bevalt wel?
’Ja, de TU Delft is een geweldige universiteit en innovatiehub. Maar voor m’n solliciatie heb ik ook mijn huiswerk gedaan; ik werd aangetrokken door de afdeling biotechnologie. Ik dacht namelijk: als ik nog een groep wil opzetten voor microbiële elektrosynthese, dan moet ik hier zijn. Ik wist dat de groepsleiders me hier konden helpen om deze technologie verder te ontwikkelen. Ik ben geen individualist, ik heb een hekel aan alleen werken en het is onmogelijk om zelf alles over dit onderwerp te weten. De technologie waar ik aan werk is erg multidisciplinair, dus je hebt echt zoveel mogelijk expertise nodig.
Een andere reden dat ik voor deze baan koos, is dat het e-refinery-instituut op dat moment werd opgericht. Aanvankelijk was het een TU Delft-breed initiatief met zo’n vijftig PI’s. De leidende gedachte was dat elektrochemie dé manier was voor de industrie. Met dit in het achterhoofd, klonk het als de perfecte mix: een geweldige afdeling voor biotechnologie met mensen om me heen waarmee ik mijn voordeel kon doen op het gebied van de elektrochemie, dat was echt een no-brainer.
Lees verder onder de afbeelding
Een ander onderdeel waar ik echt enthousiast over ben, is het begeleiden van studenten van alle niveaus. Hen zien groeien en een actieve bijdrage zien leveren aan het vakgebied, dat is het leukste deel van mijn werk. Het geeft me veel voldoening om ze les te geven, met ze te brainstormen en nieuwe gekke ideeën te krijgen om uit te proberen. In eerste instantie nam ik deze baan voor het onderzoek, maar gedurende mijn tijd hier ben ik echt gaan genieten van het lesgeven en ik geloof dat we op deze manier een grote impact kunnen hebben.’
Wat maakt je zo enthousiast over microbiële elektrosynthese?
‘Onze samenleving is gebaseerd op koolstof uit fossiele bronnen. We kennen dan ook allemaal het grotere plaatje: we moeten af van fossiele bronnen en duurzamere producten maken, en hoe kunnen we dat beter doen dan met CO2 en hernieuwbare energie? Maar voor mij zit er meer achter. Ik ben toepassingsgericht, ik wil graag een impact hebben op de maatschappij; tegelijkertijd wil ik echt begrijpen wat ik doe. Als je een technologie wilt toepassen, moet je die in mijn ogen volledig begrijpen. We doen dus zowel fundamentele als toegepaste wetenschap, wat een van onze sterke punten is. Het werken met bacteriën voegt een laag complexiteit toe, dat tegelijkertijd ook een duidelijk onderscheid creëert met andere technologieën die worden ontwikkeld met vergelijkbare grondstoffen.’
‘We werken van nanometerschaal tot industriële schaal’
Wat is het voordeel van microbiële elektrosynthese in vergelijking met ‘normale’ elektrosynthese?
‘Als je het hebt over het omzetten van CO2 bij normale elektrosynthese, zie je zeer hoge conversiesnelheden voor kleine C1- en C2-moleculen, zoals methanol, ethyleen of CO, om er maar een paar te noemen. Maar een uitdaging voor die systemen is stabiliteit. Na een paar uur of dagen presteren ze minder goed. Het voordeel van microbiële elektrosynthese is dat we reactoren drie jaar lang continu kunnen laten werken zonder grote problemen. En bacteriën zijn robuust. Als er een klein probleem optreedt, zoals een pomplek, en je lost dat relatief snel op, dan komen de bacteriën weer tot leven en zijn ze weer tevreden.
Neem bijvoorbeeld CO2-elektrolysers. Ze gebruiken precies dezelfde grondstoffen, maar in plaats van bacteriën gebruiken ze heterogene katalysatoren. Ik zeg niet dat je het een of het ander moet doen, beide moet je tegelijkertijd ontwikkelen. Elektrolysers zijn beter in het maken van producten met één of twee koolstofatomen, maar met bacteriën kunnen we complexere moleculen maken met meer koolstofatomen of zelfs voedsel uit CO2 en elektriciteit.
Beide technologieën sluiten elkaar niet uit, ze concurreren niet met elkaar. We richten ons op verschillende markten en toepassingen. Met MES kun je complexere en waardevollere producten maken, wat betekent dat we niet dezelfde hoge snelheden hoeven te halen. Een laatste voordeel is dat we goedkope koolstof-gebaseerde materialen gebruiken voor de elektrodes en de praktisch gratis bacteriën, terwijl klassieke elektrokatalyse gebaseerd is op metalen, waarvoor op de lange termijn uitdagingen kunnen ontstaan.’
Maar er zijn vast ook genoeg uitdagingen voor MES, denk ik.
[Lachend] ‘Natuurlijk, als dat niet zo was had ik geen onderzoeksgroep. We vragen ons altijd af: wat beperkt MES en wat kunnen we doen om die beperkingen te overwinnen? We gebruiken een multidisciplinaire aanpak op meerdere schalen, van de chemie van elektrodeoppervlakken, microben en biofilms, tot reactorschalen, gestapelde elektrochemische systemen en systeemintegratie op industriële schaal aan toe.
‘Het optimaliseren is nog maar net begonnen, dus ik heb er alle vertrouwen in dat het economisch haalbaar zal zijn’
Een van de grootste uitdagingen is de tijd die je nodig hebt om het systeem op gang te krijgen. Bij niet-microbiële systemen coat je de elektroden, stop je ze in de reactor en kun je het systeem direct laten draaien. Maar bacteriën leven, je moet ze eerst blij maken en de juiste omstandigheden voor hun groei creëren. Uiteindelijk bepalen zíj hoe snel ze groeien, elektroden coaten en CO2 omzetten. En hun groeisnelheid is een serieuze beperking. Een ander punt is de omzettingssnelheid. We zitten op ongeveer 300 ampère per vierkante meter, dat komt overeen met het aantal elektronen dat een bacterie kan opnemen om CO2 om te zetten in product. Het doel voor economische haalbaarheid ligt tussen 500 en 1000, maar de optimalisaties zijn nog maar net begonnen en ik ben er zeker van dat we dat gaan halen.
Andere uitdagingen zijn het opschalen van de reactoren; het maken van betere 3D-elektrodes door 3D-printen voor een betere vloeistofdynamica en een plek voor de bacteriën om in te groeien; en continue extractie van het product om hoge concentraties te voorkomen die giftig kunnen zijn voor de bacteriën. Je hebt dus echt veel verschillende expertises nodig.’
Lees verder onder de afbeelding
In een opiniestuk in Cell (zie ook kader onderaan) zeiden jij en je collega Thomas Burdyny dat het laaghangende fruit voor het verbeteren van MES niet-biologisch is.
‘Wat we bedoelden was: er hebben nog niet veel mensen gewerkt aan het reactorontwerp, dat meer abiotisch is. Werken aan bacteriën is belangrijk, maar als je ze niet bekijkt in systemen die ertoe doen, ben je naar mijn mening niet de juiste dingen aan het onderzoeken. Dat betekent natuurlijk niet dat er geen biologische uitdagingen meer zijn. We moeten zowel naar biologische als niet-biologische problemen kijken; je kunt het ene niet bestuderen zonder het andere.’
Hoe ziet de toekomst van MES eruit?
‘Dat hangt af van wie je het vraagt. Mijn strategie is om bij het ontwikkelen van de technologie te focussen op één bepaald hoogwaardig product, in ons geval hexaanzuur. Dit wordt momenteel gewonnen uit palm- en kokosolie, waar het minder dan één procent van alle oliën uitmaakt, dus het is niet echt een duurzaam proces. Als je hexaanzuur kunt maken met behulp van CO2 en hernieuwbare energie, dan zou het een chemische stof kunnen worden met toepassingen in de ontwikkeling van weekmakers, smeermiddelen, smaakstoffen, geneesmiddelen en zelfs brandstoffen als je wilt. Mijn visie is om met één product te beginnen en het echt tot het uiterste te ontwikkelen.
Anderen zijn bezig met de ontwikkeling van eencellige eiwitten, cellen die voor zestig of zeventig procent uit eiwitten bestaan, wat een zeer interessante voedingsbron zou zijn. Op dit moment zijn er een paar bedrijven die deze cellen maken, zoals Deep Branch hier in Delft of Solar Foods uit Finland die voedsel voor menselijke consumptie maken.’
Je bent keynote-spreker op het European Congress on Biotechnology. Wat wordt je boodschap?
‘Ik zal de ontwikkelingen binnen onze groep delen sinds we gestart zijn en de projecten die we hebben opgepakt. We hebben net een nieuw reactorontwerp gepatenteerd waarmee we de hoogste productiviteit bereiken die ooit is gerapporteerd, in lijn met de volumetrische productiviteit van syngasfermentatie. Dat geeft ons een mooie weg voorwaarts en laat zien dat je MES kunt toepassen en opschalen. Een promovendus van mij was de eerste die een methode ontwikkelde om het aantal micro-organismen in een microbieel elektrosynthetisch systeem op elk willekeurig moment te kunnen kwantificeren, wat voorheen niet mogelijk was. In fermentatiesystemen werk je in suspensie waar kwantificering een stuk eenvoudiger is, maar wij werken met biofilms in gesloten systemen waar je niet echt monsters van kunt nemen. Die nieuwe methode is echt nuttig, omdat we nu voor het eerst de kinetiek van het microbioom in MES-systemen kunnen bepalen. Dat geeft ons extra inzicht in hoe bacteriën zich gedragen en of en hoe ze beperkend zijn.
Over het algemeen wordt de boodschap dus dat we op de goede weg zijn, maar dat er nog wel wat uitdagingen zijn. Ik hoop mensen te inspireren om deze methoden ook te gebruiken om hun systemen te beschrijven en te karakteriseren, want ik denk dat het heel inzichtelijk kan zijn om dit soort inzichten van andere onderzoeksgroepen te hebben.’
MES en openstaande vragen
In een opinieartikel in Cell stelden Ludovic Jourdin en zijn collega Thomas Burdyny een aantal openstaande vragen aan het veld van microbiële elektrosynthese. Het is nu ongeveer 3,5 jaar geleden sinds de publicatie. Denkt hij dat we dichter bij de antwoorden op deze vragen zijn gekomen?
- What is really limiting MES? Can a biofilm effectively sustain current densities in the order of 100 mA cm−2 and higher?
‘We hebben hier wat werk aan gedaan en zitten nu op 35 mA cm-2, wat al een grote verbetering is ten opzichte van wat het was [10 mA cm-2, red.].’
- Can a general multi- and cross-scale model be built and used as a prediction tool for MES and as a tool for rational scale-up?
‘Wij en andere groepen hebben werk gedaan aan de multi-schaalmodellen, dus ja, we denken dat het mogelijk is.’
- Can extremophiles be evolved in the laboratory or enriched from natural and/or anthropogenic environments to achieve high MES rates?
‘Sommige collega’s in India en China onderzoeken dit, zelf heb ik dit soort werk nog niet gedaan.’
- For reactor design, what inspiration can come from both large-scale fermentation reactors and large-scale electrochemical reactors? Should MES be scaled by volume or by number?
Jourdin grijnst: ‘Om met het laatste te beginnen, het is expres een beetje controversieel. Er zijn veel collega’s van mij die opschalen op basis van volume, vergelijkbaar met een fermentor. Ik behoor tot de andere denkschool, opschalen op basis van aantallen, dus opschalen als een elektrochemisch systeem. In deze systemen bestaat een groot deel van de kosten uit elektriciteitskosten, die worden beïnvloed door de afstand tussen de kathode en de anode. In een elektrochemisch systeem stapel je de reactoren op, zodat de elektrodes dichter bij elkaar zijn. Dus naar mijn mening is dit de betere manier.
Voor het reactorontwerp hebben we zelf enige vooruitgang geboekt met het gepatenteerde ontwerp waarover ik zal spreken op het ECB, maar ook de collega’s op het gebied van “opschalen naar volume” hebben goede vooruitgang geboekt.
Dus uiteindelijk, na 3,5 jaar, is er zeker enige vooruitgang geboekt. Je wilt altijd meer, maar we gaan de goede kant op. Misschien zijn we iets te ambitieus geweest, maar ik geloof dat je zonder ambitie geen vooruitgang kunt boeken.’
Nog geen opmerkingen