Bacteriën bouwen chemicaliën op elektrisch dieet
Grote hoeveelheden nuttige chemicaliën en brandstoffen, geproduceerd door bacteriën die leven van koolstofdioxide en duurzaam opgewekte elektriciteit. Dit is geen droom, maar een scenario dat Universitair Docent Ludovic Jourdin binnen enkele jaren werkelijkheid wil maken.
Onze huidige chemische industrie is voornamelijk gebaseerd op het afbreken van fossiele grondstoffen om er nuttige chemische bouwblokken van te maken. Niet alleen worden deze fossiele bronnen steeds schaarser, maar ook leiden de huidige productieprocessen tot en forse uitstoot van koolstofdioxide. Aan de Technische Universiteit Delft werkt een multidisciplinair team van meer dan veertig wetenschappers aan een zogeheten elektrochemisch alternatief: ze willen duurzaam opgewekte elektriciteit, bijvoorbeeld afkomstig van zonnecellen en windmolens, gebruiken om een elektrochemische cel aan te drijven. Zo’n cel bevat elektroden die zijn ondergedompeld in een geleidende vloeistof, en breekt moleculen zoals koolstofdioxide of stikstof af, om vervolgens de losse onderdeeltjes aan elkaar te plakken tot basisstoffen voor de industrie, zoals methaan, ethanol, koolstofmonoxide, carbonzuren of ammoniak.
Ambitieus doel
‘We hebben onszelf een ambitieus doel gesteld,’ legt Ludovic Jourdin uit. ‘Over vijf jaar willen we een demonstratieraffinaderij hebben gerealiseerd die in staat is om dagelijks honderd kilogram aan product te leveren.’ Om dit doel te bereiken, richt het zogeheten e-Refinery consortium zich op drie verschillende routes, waarvan er één is gebaseerd op het gebruik van levende bacteriën om emissiegassen zoals koolstofdioxide om te zetten naar chemische componenten. Hier houdt Jourdins groep Microbial Electrochemistry and Technology binnen de afdeling Biotechnologie zich mee bezig. ‘Ik onderzoek of we elektrodes kunnen gebruiken bedekt met een dun laagje bacteriën om de chemische bindingen tussen de zuurstof- en koolstofatomen in het koolstofdioxidemolecuul te verbreken, en om de losse stukjes weer aan elkaar te plakken tot nuttige producten.’
Het eerste doel is om moleculen te maken die twee, vier of zes koolstofatomen bevatten, zoals azijnzuren, boterzuren en hexaanzuren of hun respectievelijke alcoholen, die een breed scala aan mogelijke toepassingen hebben. ‘Uiteindelijk mikken we op de productie van moleculen met zes koolstofatomen, aangezien je die kunt gebruiken als additieven voor de farmaceutische industrie, de cosmetica industrie, de productie van levensmiddelen en diervoeder, of als voorlopermoleculen voor de productie van plastics en brandstoffen.’
Houder van wereldrecord
Jourdin heeft een indrukwekkende reputatie in het nog jonge onderzoeksveld van de door elektriciteit gedreven bio-omzettingen. ‘Op dit moment ben ik de houder van het wereldrecord in de reactiviteit van de bacteriën,’ zegt hij trots. Hij verkreeg zijn record brekende bacteriën wel op een curieuze wijze, geeft hij lachend toe. ‘Ik werkte als promovendus aan de Universiteit van Queensland, en schepte wat modder met bacteriën op van de bodem van het meertje daar. Vervolgens mengde ik deze anaerobe bacteriën, die kunnen leven zonder zuurstof, op een min of meer willekeurige manier met elkaar, in de hoop dat ik een passende bacteriecultuur zou vinden. Door die bacteriën alleen elektriciteit toe te dienen, kreeg ik het uiteindelijk voor elkaar om een verrijkte bacteriecultuur te kweken die koolstofdioxide kon omzetten in acetaat in een elektrochemische cel.’ Sindsdien neemt Jourdin zijn bacteriecultuur overal mee naartoe, eerst naar de Wageningen Universiteit voor een postdoconderzoek, en in 2018 naar zijn huidige werkgever, de Technische Universiteit Delft.
Zijn groep houdt zich met fundamenteel en met toegepast onderzoek bezig, en richt zich zowel op het begrijpen van de stofwisseling van de bacteriën als op het ontwerp van de reactor en de procestechnologie, zegt hij. ‘Uiteindelijk willen we komen tot een reactorontwerp dat de beperkingen van de techniek op alle schalen kan overwinnen. Dat gaat dus van de micrometerschaal van het organisme zelf tot de metersgrote complete reactor.’
Meer dan voldoende voordelen
Hoewel het werken met bacteriën hem wel voor wat uitdagingen stelt, heeft de techniek naar Jourdins overtuiging teveel voordelen om hem links te laten liggen. ‘Onze huidige op bacteriën gebaseerde systemen hebben nog iets lagere productiesnelheden, maar ze kunnen wel veel langer in bedrijf blijven dan hun dode evenknie. Daarnaast kunnen bacteriën zichzelf repareren en vernieuwen. Bovendien zijn de bacteriën die wij hiervoor gebruiken op grote schaal beschikbaar, en daarmee een goedkope katalysator. Daarnaast kunnen chemische katalysatoren meestal alleen kleine moleculen produceren, terwijl complexe organismen als bacteriën een breed spectrum aan producten kunnen maken met een hogere eindwaarde. Mijn huidige bacteriemengsel kan bijvoorbeeld drie verschillende producten maken in verschillende concentraties. En tot slot: aangezien bacteriën levende wezens zijn, kunnen ze evolueren. Dus wellicht zijn ze in staat om zich aan te passen aan veranderende omstandigheden, zoals veranderende samenstellingen van de grondstofstromen. Dat zou een enorm voordeel zijn als we bijvoorbeeld biomassa willen gaan gebruiken, of koolstofdioxide rechtstreeks uit industriële rookgassen willen betrekken.’
Het idee om bacteriën te gebruiken voor processen op een industriële schaal is overigens niet nieuw, benadrukt de onderzoeker: ‘Er zijn al meerdere voorbeelden van grootschalige op bacteriën gebaseerde fabrieken die consistente resultaten laten zien, bijvoorbeeld in de afvalwaterzuivering. Ik ben ervan overtuigd dat we in een elektrochemische installatie hetzelfde kunnen bereiken.’
Om de productiviteit van het systeem te verbeteren, willen Jourdin en zijn collega’s eerst op een fundamenteel niveau begrijpen hoe de bacteriecultuur in elkaar zit: Welke bacteriën zitten erin, en wie doet wat? Hoe kun je het resultaat van het proces beïnvloeden? Wat gebeurt er bijvoorbeeld als je de temperatuur, de elektrische stroom, de druk, of de samenstelling van de koolstofdioxide verandert? ‘We willen al deze knowhow gebruiken om dit idee naar grootschalige toepassing te brengen. Als je het system opschaalt, verandert de dynamica. We moeten weten hoe dat het functioneren van de bacteriën beïnvloedt. De ultieme droom is dat met de kennis over ons huidige systeem uiteindelijk geoptimaliseerde micro-organismen kunnen ontwikkelen, zoals we dat eerder ook al hebben gedaan voor fermentatietoepassingen.’
Betere toekomst
Jourdin is een sterk voorstander van elektrochemie als te kiezen route voor onze huidige maatschappij. ‘We hebben revolutionaire oplossingen nodig voor onze chemische industrie, en we moeten daarbij gebruik gaan maken van afval en duurzame elektriciteit. We kunnen ons niet veroorloven om hier dertig jaar over te doen. Dat is dan ook wat mij zo aantrok aan deze onderzoekspositie in Delft: de afdeling Biotechnologie hier en de ambitieuze, gedeelde visie van het e-Refinery consortium op de toekomst van elektrochemie. Het consortium brengt alle noodzakelijke expertise samen om dit voor elkaar te krijgen: van chemie en materiaalkunde tot microbiologie, elektrotechniek en bestuurskunde. Het is fantastisch om deel uit te maken van zo’n innovation hub, waar we iets totaal nieuws ontwikkelen en samen werken aan een beter toekomst voor de mensheid.’