Gecontroleerde CO2-toevoer voor algenteelt

Deze keer gastblogger dr. Jornt Spit, onderzoeker bij de onderzoeksgroep Radius binnen de Belgische Thomas More Universiteit. Hij heeft een achtergrond in biochemie en biotechnologie. De onderzoekers binnen Radius werken aan hernieuwbare biomassa, waar algen en insecten worden gekweekt om deze verder te verwerken tot waardevolle grondstoffen in een biogebaseerde economie. In dit onderzoek maken zij gebruik van Bronkhorst massflowregelaars voor het nauwkeurig toevoegen van koolstofdioxide.

CO2 als waardevolle alternatieve koolstofbron

Koolstofdioxide (CO2) als waardevolle koolstofbron komt de laatste jaren steeds meer onder de aandacht. Uiteraard is er een trend waarbij de stijgende concentratie van CO2 in de atmosfeer sterk in de belangstelling staat. In die zin is er een toenemende focus op duurzaamheid in de maatschappij, en binnen Thomas More werken we aan een meer circulaire economie en een meer biogebaseerde economie. Dat wil zeggen: waarbij materialen, chemische stoffen en energie uit hernieuwbare (energie)bronnen komen, en niet van fossiele brandstoffen. Alternatieve biomassa kan hiervoor een belangrijke bron worden.

Onze onderzoeksgroep is bezig met het kweken van hernieuwbare biomassa, onder meer in de vorm van algen. Dit doen we onder gecontroleerde omstandigheden in grote horizontale buizen van een fotobioreactor. We kiezen ervoor om als koolstofbron zuivere CO2 te gebruiken, en we kweken de algen met het oog op verschillende toepassingen. Algen kunnen bijvoorbeeld nuttig zijn in de veevoersector ('feed'), in de voedingsindustrie ('food'), in de gezondheidsindustrie (‘neutraceuticals’), of in de cosmetica industrie . Als onderzoeksgroep zijn we minder betrokken bij het uitwerken van deze toepassingen; het gaat ons meer om de kweek-optimalisatie van de algen, dus de procestechnologische kant ervan.

Algen voor omzetting naar waardevolle grondstoffen

Micro-algen vormen een zeer grote en diverse groep. Er zijn meer dan 50.000 verschillende soorten algen beschreven, en waarschijnlijk bestaan er wel honderdduizenden soorten. Het zijn eencellige organismen, maar ze kunnen soms ook kolonies vormen. Algen zijn foto-autotrofe organismen. Dat wil zeggen dat ze CO2 gebruiken als koolstofbron, en die omzetten naar suikers door middel van fotosynthese. Microalgen die we kweken bevatten bijzonder veel interessante stoffen. Eiwitten, suikers en vetten, dat zijn de grotere groepen. Daarnaast zijn er hoogwaardige chemicaliën die door micro-algen gemaakt worden, zoals pigmenten en antioxidanten. Zo kweken we met Radius een speciale alg die de kostbare rode kleurstof fycoerythrine aanmaakt. Algen zijn in feite kleine fabriekjes die allerlei stoffen aanmaken die we graag willen; Om dus die stoffen te synthetiseren hoeven we het wiel niet helemaal opnieuw uit te vinden. Alles is in de algencellen evolutionair ontwikkeld om die interessante stoffen te maken, enkel op basis van wat zonlicht, CO2, en wat nutriënten. Er is dus een enorm potentieel om die stoffen te gaan gebruiken.

Een algencultuur groeit in densiteit door celdeling. Als de omstandigheden het toelaten blijven de algen delen tot een cultuur zijn maximale densiteit bereikt. Op dat punt worden de algen geoogst: de algenbiomassa is dus zelf het product. In onze gesloten fotobioreactoren bereiken we een dichtheid van 1 tot 2 gram droge stof per liter, en die kunnen we er dan uithalen. Deze biomassa is direct te gebruiken in bijvoorbeeld voeding of als veevoer, maar we kunnen de biomassa ook verder verwerken, 'open breken', en de interessantste stoffen eruit halen. Dat laatste doen we in de vorm van bio-raffinage of extractie. Het volledige proces van algen kweken, oogsten en verder verwerken is een hele uitdaging, waarbij elke stap belangrijk is, en zo efficiënt mogelijk moet worden uitgevoerd om het geheel rendabel te maken.

Massflowregelaars voor nauwkeurige toevoer

Voor groei-optimalisatie is het van belang om een alg te kiezen die goed groeit onder de omstandigheden die we hier ter beschikking hebben. Niet alle algen neem even efficiënt CO2 op, en niet alle algen groeien even snel. We onderzoeken onder welke temperaturen de verschillende algensoorten het beste groeien, en hoeveel licht zo'n alg nodig heeft. Hier op de campus maken we gebruik van natuurlijk zonlicht: de fotobioreactoren bevinden zich in een klimaat-gecontroleerde serre. Overdag als de zon schijnt groeien de algen, 's nachts niet. In het kader van het Interreg project ‘EnOp’ stellen we o.a. de volgende onderzoeksvraag: als we extra CO2 aan de reactor toevoegen, hoeveel sneller groeien de algen dan, en welke algensoorten nemen het meest efficiënt de CO2 op? Daarvoor hebben we massflowregelaars nodig, want we willen exact weten hoeveel CO2 we hebben toegediend.

De CO2 wordt gemengd met ingaande lucht die naar de reactor gestuurd wordt, waarna de CO2 oplost in het vloeibare cultuurmedium, met hierin ook andere voedingsstoffen. Omdat CO2 (koolzuurgas) een zwak zuur is, wordt de zuurgraad (pH) van het medium steeds lager. Dit heeft een negatief effect, want de meeste algen groeien het best bij een pH ruwweg tussen 7 en 8. Echter: als algen groeien, dan nemen ze CO2 uit het medium op, waardoor de pH weer stijgt. De zuurgraad luistert heel kritisch. Als de pH buiten het gewenste bereik komt, dan hebben algen de neiging om te gaan uitvlokken. De massflowregelaars kunnen dan ook worden ingeschakeld om CO2 zodanig te doseren dat de pH stabiel blijft op de optimale pH-waarde voor de alg. Daarom werd het doseersysteem gekoppeld aan de pH, om zo optimaal mogelijk CO2 toe te dienen. Op deze manier kunnen we kijken wat de maximale groeisnelheid is van de alg, en hoeveel CO2 daarvoor moet worden toegevoerd.

Als er te veel CO2 wordt toegevoegd zal de pH van het medium te veel dalen, dan gaat de alg minder sterk groeien. Als er minder CO2 wordt toegevoegd is dat op zich geen probleem, maar dan zullen we zien dat de alg trager groeit omdat de groei gelimiteerd wordt door koolstofgebrek. Er is dus een optimale hoeveelheid toe te dienen CO2. Bovendien speelt er nog iets: de CO2 moet de tijd krijgen om op te lossen. Als de CO2 niet oplost, dan ontsnapt deze uiteindelijk ook weer uit de reactor. Dan ben je in feite gewoon CO2 aan het verspillen. Dat is dus ook een factor waarmee we rekening moeten houden: dat de CO2 effectief wordt opgelost en opgenomen. Daar speelt o.a. het reactordesign een belangrijke rol in.

Nauwkeurigheid speelt dus een belangrijke rol in dit proces. De massflowregelaar zorgt ervoor dat we rond een bepaald pH-punt stabiel kunnen blijven werken en we weten exact hoeveel CO2 is toegevoegd.

…en de toekomst?

Als dit proces wordt opgeschaald naar daadwerkelijke productieschaal, dan bepaalt de logistiek voor een groot deel waar de CO2 vandaan gehaald wordt. In principe is het mogelijk om rechtstreeks rookgassen van fabrieken te gebruiken, maar dan moet je iets doen aan stoffen als zwaveloxide en stikstofoxide die in deze rookgassen aanwezig zijn, en die in bepaalde hoeveelheden de algengroei remmen. Maar daar zijn technische oplossingen voor. Rest er de vraag: hoe ver kan de algenfabriek van de CO2-bron verwijderd zijn? Als deze afstand te groot is, moet de CO2 in een andere of een gecontroleerde vorm getransporteerd worden, bijvoorbeeld als bicarbonaat. Ook kunnen er air-capture CO2-units ontwikkeld worden waarbij er lokaal extra CO2 uit de lucht gevangen wordt. De universiteit van Twente werkt daar bijvoorbeeld aan in een ander Interreg project over algengroei in Noordwest Europa waar Radius Thomas More ook bij betrokken is, project IDEA.
Technologisch kan dit, maar het komt altijd neer op hoe duur de technologie zal zijn.

Bron: Jornt Spit werd geïnterviewd door Eddy Brinkman om deze blog te realiseren (Betase/Bronkhorst).

Gecontroleerde CO2-toevoer voor algenteelt

CO2 als waardevolle alternatieve koolstofbron

Algen voor omzetting naar waardevolle grondstoffen

Massflowregelaars voor nauwkeurige toevoer

…en de toekomst?

Biotechnologie en bioreactoren en hun vele toepassingen

Wil je meer informatie over gecontroleerde CO2-toevoer met flowregelaars?