Photanol zoekt op het Amsterdam Science Park naar de perfecte condities waaronder cyanobacteriën duurzame grondstoffen van de juiste samenstelling kunnen produceren voor onder meer de chemische industrie. Voor de opschaling van lab- naar pilot en demoschaal is beheersing van het bioreactoronderzoek, en dus de procesomstandigheden, cruciaal.

Vincent Hentzepeter | Fotografie: Foodnote

Tientallen bioreactoren staan te borrelen in de laboratoria van Photanol. De cyanobacteriën – in de volksmond blauwalgen of blauwwieren – moeten bij de optimale temperatuur en lichtintensiteit continu gevoed worden met een juiste dosis CO2. Via fotosynthese zetten ze de koolstof in koolstofdioxide om in organische verbindingen die als bouwstenen kunnen dienen voor bijvoorbeeld polymeren in de chemische industrie. Een toepassing is organische grondstoffen, waarvoor een partnerschap is aangegaan met Nobian, een onderdeel van Nouryon. Het concern is een belangrijke bondgenoot in het onderzoek naar duurzame winning van grondstoffen met blauwalgen ter vervanging van fossiele. In een pilotinstallatie in het Amsterdamse Prodock-gebouw en in een demofabriek op Chemie Park Delfzijl test Photanol of resultaten onder R&D- en pilotcondities ook voor productieschaal gelden. “Het doel is om in de demofabriek 50.000 liter microalgen te cultiveren”, zegt Sabrina Botton, Senior Scientist, Upscaling Team Lead. “Het gaat daar nu om serieuze hoeveelheden, er is een extra team opgezet.”

Geoptimaliseerde kweekmethode

Photanol groeit als kool, ervaart Botton zelf. Het partnerschap met onder andere Corbion en Nobian helpen erg in deze ontwikkelingen. Ook de samenwerking met partner Renolit, de Duitse ontwikkelaar van plasticfolies en slangen, zorgt voor nieuwe ontwikkelingen binnen de jonge onderneming. Zo’n tien jaar geleden werd de startup opgericht door prof. Joost Teixeira de Mattos en prof. Klaas Hellingswerf. Ze combineerden hun kennis van microbiologische processen, fermentatie en fotosynthese. Dat resulteerde in een geoptimaliseerde kweekmethode voor het cultiveren van cyanobacteriën. Nu, in 2021, is Hellingswerf CSO bij Photanol. Teixeira de Mattos verliet Photanol in 2016 en ging als hoofd R&D verder bij Sustenso dat zich richt op circulaire energieoplossingen.

Wij bieden een heel goed alternatief voor fossiele brandstoffen
Sabrina Botton, Senior Scientist, Upscaling Team Lead

“Klaas is bij ons de drijvende kracht achter de fotosynthesetechnologie en hij ontwikkelde het daarbij behorende fermentatieproces,” verwoordt Botton. “We produceerden aanvankelijk lactaat, melkzuur, met cyanobacteriën die we daarvoor speciaal aanpasten met genen van andere bacteriën. Lactaat is de bouwsteen voor melkzuurpolymeren, een van de belangrijkste grondstoffen voor bioplastics. Gaandeweg ontdekten we en vonden we bewijs dat het ook mogelijk was andere moleculen te produceren. Samen met onze partner Corbion besloten we ons te gaan concentreren op de productie van bepaalde organische zuren. Ons onderzoek wordt steeds interessanter, nu ook overheden de circulaire economie stimuleren en strengere regels gaan toepassen op de uitstoot van CO2. Wij bieden een heel goed alternatief voor fossiele brandstoffen. Om te bewijzen dat we ook economisch competitief zijn op industriële schaal, zijn we op dit moment nog wel afhankelijk van investeerders, partners en overheidssubsidies.”

Koolstoffixatie

Waar Botton en haar team in het bioreactoronderzoek aan werken is katalyse van specifieke, organische bestanddelen met cellen als grondstoffabriekjes. “Gebruik makend van genen van andere bacteriën en hun enzymatische eigenschappen zijn cyanobacteriën de ideale cellen om met licht en CO2 biomassa te maken: koolstoffixatie. In de natuur zijn er duizenden genen om te doen wat je wilt dat ze doen, maar welke promotor is vereist om de werking van je gen te reguleren en tot de gewenste productie te komen en constante kwaliteit te leveren? In de praktijk moet je een effectieve combinatie vinden van allerlei genetische bouwblokken en die in je stam krijgen. Van E. Colibacteriën en gisten is hierover veel in de literatuur te vinden, voor cyanobacteriën is er veel minder beschikbaar. Bij ons onderzoek komt daarom veel trial and error kijken.”

Condities optimaliseren voor het cultiveren van de bacteriën, zoals temperatuur, CO2-gehalte, pH en nutriënten
Sabrina Botton

CO2-concentraties

Voor het onderzoek zelf volstaat een lab op ML1-niveau, speciale reactoren voor de bacteriekweek, het creëren van de juiste condities en goede meetapparatuur. “Zonder licht geen fotosynthese en geen koolstoffixatie, dus dat is een belangrijke factor. We proberen de condities te optimaliseren voor het cultiveren van de bacteriën, zoals temperatuur, CO2-gehalte, pH en nutriënten.” Dat is experimenteren, balanceren, aanpassen en finetunen. Met diverse parameters die elkaar beïnvloeden is het zaak exact te weten wat er in en uit het systeem gaat. “Hoeveel CO2 moet je toevoeren? Meer of minder heeft ook effect op de pH en je kweekcondities. Je moet exact weten hoeveel je hiervan geeft. Door parameters hoger of lager te kiezen, werken we toe naar een optimum. Dat proberen we dan op pilotschaal te implementeren, dat zit je zo op 1.000 liter, en gaat dat goed, dan gaan we naar demoschaal. We spelen veel met de gascompositie, de belangrijkste parameter die heel het proces meetbaar moet zijn. We meten CO2-concentraties in de orde van grootte van 400 ppm, dat is 0,04% atmosferisch, tot 5%. Een hoge CO2-dosis kan de productie opvoeren, maar het verlaagt ook de pH. En een pH lager dan 7 vinden cyanobacteriën niet fijn, dat geeft nieuwe problemen om op te lossen.”

Meet- en regeltechniek

Diverse massaflowcontrollers van Vögtlin regelen in de twee laboratoriumzalen van Photanol de toevoer van CO2. Sinds de aanschaf van de nieuwe meet- en regeltechniek kunnen de onderzoekers de processen veel beter beheersen. Minstens zo belangrijk: ze weten exact wat er in- en uitgaat op basis van zeer betrouwbare data. “We moeten precisie-instrumenten hebben om de culturen onder gecontroleerde omstandigheden te laten groeien. Daarom hebben we ons laten adviseren door Ton Bol [ex-directeur ABT, red.]. We werkten eerst met rotameters, die zijn erg onnauwkeurig. Je meet eigenlijk semi-kwantitatief. De foutenmarge zit in de orde van 10%. Dat is voor ons onderzoek veel te hoog. Met de massaflowcontrollers is dit teruggebracht naar 1%. Wat we meten is veel reproduceerbaarder. Dat is superbelangrijk, want we moeten alles wat we onderzoeken kunnen reproduceren. Dat is cruciaal voor de opschaling. Weten wat je doet en wat er in de bioreactoren gebeurt, daar draait het om, en dat hebben we nu in de vingers.”

cyanobacteriën hebben genoeg aan CO2 en licht: goed voor een groen productieproces
Sabrina Botton

Groen productieproces

Duurzame productie van grondstoffen staat voorop bij Photanol. Het voordeel van cyanobacteriën is dat ze voor de productie van bouwstenen genoeg hebben aan CO2 en licht, dat levert een heel groen productieproces op. Botton: “Bij de kweek van melkzuurbacteriën moet je die voeden met suiker. Ons proces is duurzamer, omdat dat niet hoeft, maar het gaat wel langzamer. Alles wat je nodig hebt is een locatie waar het warm is en waar genoeg licht is.”

Duurzaamheidblauwalgcyanobacteriën