Alle beetjes helpen

Het klinkt eigenlijk wat onvoorstelbaar, dat micro-algen, minuscule beestjes, bacteriën en archaea (micro-organismen die lijken op bacteriën) door de mens veroorzaakte klimaatproblemen kunnen terugdringen. Toch doen onderzoekers hier over de hele wereld onderzoek naar. Zo vonden wetenschappers van de Amerikaanse Sanford Underground Research Facility dat micro-organismen CO₂ razendsnel kunnen omzetten in steen. En verschillende bedrijven onderzoeken in hoeverre micro-organismen die leven van CO₂, ook eiwitten kunnen produceren, wat milieuvriendelijker is dan het gebruik van plantaardige of dierlijke eiwitten voor consumptie.

Ook in Wageningen buigt een onderzoeksteam zich over de mogelijkheden die micro-organismen bieden. Wetenschapper Sanne de Smit is één van de leden van deze groep van Wageningen University & Research. “Ik onderzoek hoe we bacteriën en archaea zo kunnen sturen dat ze CO₂ omzetten in grondstoffen waar we wat aan hebben. Ze kunnen van CO₂ bijvoorbeeld methaan, azijnzuur en boterzuur maken.” De Smit legt uit dat de manier waarop deze micro-organismen dit doen vergelijkbaar is met hoe planten CO₂ uit de lucht door middel van fotosynthese omzetten in organische stoffen. Voor deze omzetting is elektriciteit nodig, die planten halen uit licht. Bacteriën en archaea kunnen CO₂ ook omzetten in grondstoffen, maar ze gebruiken daarvoor geen licht. De benodigde externe energie bieden de wetenschappers aan via elektriciteit (een elektronenstroom uit de elektroden van een batterij). “De elektronenstroom gebruiken we dus in plaats van licht, de micro-organismen in plaats van planten”, zo trekt De Smit nogmaals de vergelijking met het proces van fotosynthese. “Een groot voordeel van dit mechanisme is dat het ervoor kan zorgen dat we grondstoffen die we nu nog fossiel winnen, uit CO₂ kunnen halen.”

Fokprogramma

De Wageningse onderzoekers werken vooral met micro-organismen uit afvalwater. Hierin zitten veel verschillende bacteriën en archaea. Het is een uitdaging om de micro-organismen te selecteren die doen wat jij wilt: zorgen voor de meest zuivere grondstoffen. In wezen zou je het werk dat de wetenschappers doen dus kunnen omschrijven als een soort fokprogramma voor de beste bacteriën en archaea.

Welke van deze micro-organismen je wil, is afhankelijk van de vraag welke grondstof je wil. De methaan producerende archaea en de azijnzuur en boterzuur producerende bacteriën concurreren met elkaar, legt De Smit uit. “Zowel de archaea als de bacteriën vinden CO₂ lekker en kunnen allemaal de elektriciteit gebruiken die wij ze geven. Maar dat levert ons een mix op aan grondstoffen en dat is minder handig als je bijvoorbeeld een industrie hebt waarin alleen vraag is naar methaan. Je wil methaan dat voor 100, 95 of 90 procent zuiver is, niet een onzuivere grondstof die voor 50 procent bestaat uit methaan en voor 50 procent uit azijnzuur. Ik onderzoek hoe we de condities voor de gewenste micro-organismen kunnen optimaliseren, zodat zij zo veel en zo snel mogelijk de meest zuivere grondstoffen maken.” Op deze manier hebben de gewenste micro-organismen dus een concurrentievoordeel ten opzichte van de niet-gewenste micro-organismen. “Dat kan bijvoorbeeld door de temperatuur of zuurgraad in de omgeving van de bacteriën en archaea aan te passen.”

Energieopslag

Azijnzuur en boterzuur kunnen dienen als grondstof voor chemicaliën waarmee plastics en voedingssupplementen zijn te maken. Azijnzuur wordt bijvoorbeeld gebruikt als kookazijn of om de gootsteen te ontstoppen. Het zijn beide vetzuren, die ook worden verkocht als diervoedersupplement. “En als je het hoogwaardig opschoont, kan je het als mensenvoeding gebruiken”, aldus De Smit.

Micro-organismen kunnen ook worden gebruikt om elektrische energie beter op te slaan, dus als vervanger van een batterij. Dat is vooral handig op het moment dat zonnepanelen en windmolens te veel stroom opwekken. “De groene stroom van zonne- en windenergie geef je aan micro-organismen en die zetten met die energie CO₂ om in methaan. Het CO₂ vang je af, waarmee je deze dus uit de omgevingslucht haalt, die daarmee iets schoner wordt. Methaan kan je injecteren in het gasnet, zodat het een energiebron vormt in de nacht of in donkere en relatief windstille maanden, zoals november. Het is makkelijker om op de piekmomenten energie op te slaan als methaan in plaats van in batterijen, omdat methaan meer opslagcapaciteit heeft. Je moet anders ondoenlijk grote batterijen bouwen om grote hoeveelheden energie op te slaan.”

Circulariteit

Aardgas bestaat bijna helemaal uit methaan. Als je thuis of op de camping kookt op gas, dan gebruik je methaangas. Er zijn ook auto’s die op methaan (groen gas) rijden. De Smit: “En methaan kan gebruikt worden in de scheepvaart. Schepen kunnen namelijk niet zo makkelijk op elektriciteit varen, omdat de batterijen die je daarvoor nodig zou hebben, te groot zijn voor een schip. Het voordeel van door micro-organismen gemaakt methaan in de scheepvaart is dat je niet meer afhankelijk bent van fossiele brandstoffen.”

Aan methaan zitten echter ook nadelen: het is een sterker broeikasgas dan CO₂. De Smit zegt dat je methaan daarom vooral moeten zien als tijdelijk opslagpunt. “Dat kan dus in plaats van batterijen, maar je kan ook CO₂ opslaan in materialen. Je kan het als vervanger van aardgas gebruiken voor het maken van plastics. Dan duurt het, bij duurzaam gebruik van het plastic, langer voordat het verbrandt en als broeikas terugkomt.”

Daarnaast is de methaan minder schadelijk als de industrie toegaat naar gesloten systemen, legt ze uit. Het door archaea gemaakte methaan wordt dan in de industrie verbrand, waardoor CO₂ ontstaat. In het industriële proces kan je het CO₂ afvangen, bijvoorbeeld in een gesloten fabrieksruimte of uit de schoorsteen van een fabriek, waarna het CO₂ weer wordt teruggeleid naar de archaea. Die zetten het dan weer om in methaan. “Om echt duurzaam te zijn is circulariteit een voorwaarde”, duidt De Smit. “Dat is ook het nadeel van azijnzuur dat je voor koken gebruikt: wanneer het als eten in je lichaam komt, zet je lichaam het weer om in CO₂.”

Toekomst

Qua techniek zijn er vooral nog kennisgaten, die moeten worden gevuld om de methode efficiënter en winstgevender te maken. Welk ontwerp van de reactoren (hierin groeien de bacteriën en archaea) kan je het best gebruiken, hoe worden de grondstoffen zuiverder, voor welke toepassingen of producten zijn de grondstoffen het meest geschikt, hoe voorkom je dat andere stoffen als ammoniak in de CO₂-invoerstroom komen en hoe erg is dat? “De schaal waarop onze techniek wordt toegepast, is nu nog heel klein. Het kan nog wel vijftien jaar duren voor het een veelgebruikte techniek wordt”, denkt De Smit.

Hoe dan ook is de jonge wetenschapper optimistisch. “Vanuit de industrie is er een groeiende vraag naar manieren om CO₂ om te zetten. Dat komt doordat er vanuit nationale overheden en Europa steeds meer druk wordt gezet om iets te doen met het CO₂ dat wordt uitgestoten. De industrie moet bijvoorbeeld steeds meer voor uitstoot betalen. Er is dus grote interesse. Wij doen ons best om hier één van de technologieën van de toekomst van te maken.”