Wieren en microalgen groeien snel en ze bevatten interessante koolhydraten, vetzuren en eiwitten. Onderzoekers krijgen kweek en bioraffinage steeds beter in de vingers. Experts verwachten de eerste rendabele toepassingen in fijnchemie en aquacultuur.

Zeewieren groeien in een zoute omgeving, maar zelf zijn deze ­macroalgen vaak opvallend zoet. Neem suikerwier, dat tot 20 % van de zoetstof mannitol kan bevatten, die dient om de osmotische druk in het wier in balans te houden met de zouten in het zeewater. Suikerwier slaat ook aardig wat glucose op in het polysacharide laminarine. Tot slot is er nog koolhydraatpolymeer (alginaat) dat ook hoge gehaltes kan bereiken.

Voor biotechnologen zijn dat interessante fermenteerbare suikers en koolhydraten voor synthese van fijnchemicaliën. Alleen moet je het wier eerst op zee kweken, oogsten, vervoeren, opslaan en raffineren. Maar het principe werkt, laat het Europese project MacroFuels zien. In een experimentele opwerking werd vorig jaar 10 l bio-ethanol en 8 l bio-butanol geproduceerd, waarop een auto 80 km reed, bijgemengd in respectievelijk benzine en diesel.

Bioraffinage van zeewier heeft allerlei raakvlakken met verwerking van koolhydraten uit houtachtige gewassen, vertelt Jaap van Hal, Innovation manager biorefinery TNO, dat met het zeewierlab deelnam aan Macro-Fuels. Het zeewierlab van TNO is onderdeel van een breder biomassaprogramma, onder meer gericht op de productie van biobrandstoffen en naast zeewier ook op bioraffinage van lignocellulose biomassa zoals hout en stro.

Toch is het met wier allemaal net even anders dan met lignocellulose, zegt Van Hal. ‘Het is maatwerk, afhankelijk van de soort die je gebruikt en het product dat je wilt maken. Als je brandstoffen wilt ontwikkelen, dan zoek je soorten die veel suikerachtige moleculen maken. Op de Noordzee kom je dan uit bij snelgroeiende kelpen zoals suikerwier. Maar andere soorten, als zeesla, bevatten interessante plant-actieve stoffen die wortelgroei stimuleren, die je met heel andere processen moet isoleren.’

Inkuilen

Zeewieren zitten propvol koolhydraten en andere organische moleculen. Maar anders dan hout of stro gaat het snel rotten na de oogst. Van Hal: ‘Je wilt een constante kwaliteit behouden, door het te stabiliseren. Inkuilen is een optie, daarbij worden suikers zonder zuurstof vergist tot melkzuur. Het lijkt op het maken van zuurkool of kuilgras. Een bacterie als Clostridium kan het melkzuur in een fermentatie vervolgens omzetten in butanol.’

De bioraffinage van zeewier voor bio-ethanol begint met een enzymcocktail om zoveel mogelijk koolhydraten vrij te maken uit verhakseld wier. Daarna worden de vaste bestanddelen in een centrifuge verwijderd en de suikerrijke vloeistof via membranen geconcentreerd en ontzout. Zeewier bevat vooral veel kalium, waarop gisten en bacteriën niet goed gedijen. ‘Met filtratie worden de suikers geconcentreerd, terwijl je tegelijkertijd kaliumionen kwijtraakt. De suikerstroop wordt daarna in een fermentor met gist gevoed, tot het gewenste ethanolgehalte is bereikt van ongeveer 4 % ethanol, gevolgd door destillatie.’

MacroFuels heeft tegelijkertijd gemodelleerd en gerekend aan de economisch parameters van zeewierkweek en raffinage, zegt Van Hal. ‘Dat laat zien dat de productiviteit verder omhoog moet, door wieren te selecteren en te verbeteren. Verder is het ruimtebeslag van de kweekinstallaties nog vrij groot; je wilt meer biomassa groeien op een kleiner oppervlak. Tot slot bestaat zeewier voor 85 % uit water, en daarmee wil je zo min mogelijk slepen. Dus op welk punt in het proces ga je dat eruit halen? Het watergehalte bepaalt het volume van de opslag en de omvang van je verwerkingsinstallaties.’

De kennis die is opgedaan met productie van biobrandstof wordt de komende tijd verder ontwikkeld om C5-suikers uit wier te isoleren – zoals xylose – als uitgangspunt voor synthese van furaanachtige bouwstenen voor verf, in het EFRO-project ZCORE. ‘Op die manier kun je met wieren bio-aromaten produceren voor een biobased verf, een markt met grotere marges dan biobrandstof. Verf zien we dan ook als een eerdere stap dan de productie van biobrandstof, die nog een ontwikkeltraject van vele jaren voor de boeg heeft.’

Toekomstige standaard

Rekenen aan kosten en baten speelt ook een belangrijke rol bij het onderzoek aan industriële productie met micro-algen, waarvan sommige soorten zeer hoge percentages vetzuren en eiwitten bevatten.

De meeste kosten zitten op dit moment in de kweek van microalgen, en snellere groei, meer biomassa, en hogere gehaltes kunnen die omlaag brengen, zegt Maria Barbosa, hoogleraar microalgal biotechnology bij Wageningen UR, en directeur van onderzoekscentrum AlgaePARC. ‘Producenten zoeken naar efficiëntere stammen, die meer produceren dan 25 g biomassa per vierkante meter. Er zijn al wel forse stappen gemaakt. Je kunt tegenwoordig makkelijk voldoende algenbiomassa produceren om allerlei testen te doen en prototype producten te ontwikkelen.’

Het onderzoeksveld van micro-algen kan niet terugvallen op een favoriet werkpaard waarvan alles bekend is, zegt Barbosa. ‘We hebben nog geen industriële stam, zoals E. coli, die je kunt laten doen wat je wilt. Bovendien is algenkweek in een aantal opzichten echt anders: het zit tussen landbouw en witte (industriële, red.) biotechnologie in. We werken in fermentoren, maar niet strikt steriel, en we hebben ruimte nodig om zonlicht in te vangen.’

Het ontwikkelen van een goed gekarakteriseerde, robuuste algenstam is heel belangrijk, zegt Barbosa. Er zijn een paar veelgebruikte soorten voor menselijke voedingssupplementen zoals chlorella en spirulina. Een andere soort waar internationaal veel onderzoek aan wordt gedaan, is de mariene alg nannochloropsis. Die kogelronde micro-alg deelt elke twee dagen, en maakt veel omega-3 vetzuren. De alg bevat ook triglyceriden, plus een hoog percentage eiwit. Het is één van de soorten die wordt onderzocht als bron van visolie en biodiesel.

Barbosa: ‘Het is een flexibel organisme dat afhankelijk van de omstandigheden meer of minder van een bepaald vetzuur produceert. Veel fundamenteel werk wordt met nannochloropisis gedaan, want velen zien deze stam als een toekomstige industriële standaard, waarmee je verschillende producten kunt maken. Zo ver is het nog niet, maar we hebben inmiddels wel een protocol ontwikkeld om met CRISPR gene editing te doen in deze soort. Er wordt internationaal heel veel onderzoek gedaan om deze alg beter te begrijpen, bijvoorbeeld wat er gebeurt met genexpressie en metabolieten onder dynamische kweekomstandigheden.’

Eén van de dingen die volgens Barbosa aandacht krijgt is de reactie van microalgen op veranderende omstandigheden, want de kweek moet fluctuaties in temperatuur en zonintensiteit kunnen hanteren. Op warme zomerdagen kan een kweeksysteem sterk opwarmen, vooral in tropische gebieden. Het ontwikkelen van gekoelde kweeksystemen of stammen die floreren bij 40 °C is dan een oplossing. ‘Koeling kost geld en energie, dus het is handiger als je door evolutie en selectie stammen kunt ontwikkelen die hogere temperaturen tolereren.’

Aquacultuur

De productie van microalgen zit wereldwijd in de lift, zegt Barbosa. Het is van 10.000 ton vijftien jaar geleden opgelopen naar 25.000 ton. In Scandinavië is bijvoorbeeld veel belangstelling voor microalgen als alternatief voor visolie en vismeel in de zalmkweek. Dat is een hoogwaardigere toepassing dan bijvoorbeeld biodiesel uit vetten of vetzuren, zegt Barbosa. ‘Algenkweek voor de aquacultuur is enorm aan het groeien. Er is druk vanuit het milieu, en de aquacultuursector is bereid om voor andere grondstoffen te betalen. De komende vijf jaar verwacht ik dat dat één van de belangrijkste nieuwe toepassingen wordt van microalgen.’