Anaerobe fermentatie: hoe bacteriën zonder zuurstof afval omzetten in energie
Stop een bak etensresten dicht afgesloten in een warme kast en kom over een paar weken terug: de inhoud is dan niet gewoon beschimmeld, maar heeft een scherpe, wat zoetige geur gekregen en er zitten belletjes in. Dat is anaerobe fermentatie in het klein: een proces waarbij micro-organismen organisch materiaal afbreken zonder dat er zuurstof bij komt kijken. Precies hetzelfde gebeurt, veel beheerster en op grote schaal, in de pens van een koe. Die eerste maag is in feite een afgesloten gistingstank waarin bacteriën gras en hooi verteren zonder lucht, en waarbij als bijproduct het gas methaan ontstaat — reden waarom koeien boeren.
Ingenieurs hebben dit natuurlijke proces overgenomen en in stalen tanks gestopt, de zogeheten vergisters of digesters. Daarin laat men bacteriën en andere micro-organismen mest, rioolslib, voedselresten of ander organisch materiaal afbreken. Wat eruit komt is biogas — vooral methaan en kooldioxide — dat je kunt verbranden voor warmte, elektriciteit of, na zuivering, als vervanger van aardgas. Wat overblijft heet digestaat, een brij die als meststof kan dienen. Anaerobe fermentatie is dus tegelijk een manier om afval te verwerken en om energie en grondstoffen terug te winnen.
Wat is het precies?
Anaerobe fermentatie verloopt niet in één stap, maar in vier opeenvolgende fasen, elk uitgevoerd door een ander gezelschap micro-organismen. In de eerste fase, de hydrolyse, breken bacteriën grote moleculen zoals eiwitten, vetten en koolhydraten af tot kleinere bouwstenen zoals suikers, aminozuren en vetzuren. Dat is nodig omdat de volgende stap alleen met kleine moleculen overweg kan.
In de tweede fase, de verzuring of acidogenese, zetten andere bacteriën die bouwstenen om in eenvoudige organische zuren, alcohol en gassen zoals waterstof en kooldioxide. Vervolgens zet een derde groep, in de fase van acetogenese, die tussenproducten om in azijnzuur, waterstof en meer kooldioxide.
De laatste en meest kwetsbare stap is de methaanvorming of methanogenese. Dit is het exclusieve domein van archaea, een aparte tak van eencelligen die noch bacterie noch plant of dier zijn en die alleen kunnen leven in zuurstofloze omgevingen. Zij zetten azijnzuur en waterstof/kooldioxide om in methaan. Deze archaea zijn traag en gevoelig voor verstoringen zoals zuurschommelingen of temperatuurschokken, wat betekent dat een vergister zorgvuldig in balans moet worden gehouden.
Het resulterende biogas bestaat doorgaans voor ongeveer 55 tot 65 procent uit methaan en voor de rest vooral uit kooldioxide, met sporen van waterstofsulfide (dat naar rotte eieren ruikt en verwijderd moet worden). Om biogas geschikt te maken voor het aardgasnet, wordt het opgewerkt tot “groen gas”: de kooldioxide wordt eruit gehaald zodat een gas overblijft dat qua samenstelling en verbrandingswaarde nauwelijks van aardgas te onderscheiden is.
De installaties waarin dit gebeurt variëren van eenvoudige afgedekte mestputten op een boerderij tot grote roestvrijstalen tanks. Een veelgebruikt type voor afvalwater is de UASB-reactor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), waarbij water van onderaf door een deken van bacterie-korrels stroomt. Voor mest en vast organisch materiaal gebruikt men vaker een CSTR (continu geroerde tank), waarin het materiaal wordt rondgemengd om de bacteriën steeds nieuw voedsel aan te bieden.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het opwekken van hernieuwbare energie die je kunt regelen. Anders dan zon en wind, die afhankelijk zijn van het weer, kan een vergister biogas produceren wanneer dat nodig is, en het gas is bovendien op te slaan — iets wat met stroom veel lastiger is. Daarmee kan groen gas een rol spelen in de periodes dat er weinig zon of wind is.
Daarnaast is het een manier om afval te verwerken dat anders zou blijven liggen of ongecontroleerd zou wegrotten. Op stortplaatsen en in mestopslag ontstaat namelijk ook methaan, maar dan ongecontroleerd en vaak deels rechtstreeks de atmosfeer in. Methaan is als broeikasgas vele malen krachtiger dan CO2 over een periode van twintig jaar. Door dat proces bewust in een afgesloten tank te laten plaatsvinden, vang je het gas op en gebruik je het nuttig in plaats van dat het ongecontroleerd ontsnapt.
Een derde doel is het sluiten van kringlopen. Het digestaat dat overblijft bevat stikstof, fosfaat en kalium en kan, mits aan regelgeving voldaan, kunstmest vervangen. Zo wordt organisch afval niet alleen energie, maar ook weer voedingsstof voor nieuwe gewassen. Dit past in het bredere streven naar een circulaire economie, waarin reststromen zo veel mogelijk opnieuw worden ingezet in plaats van weggegooid.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de meest invloedrijke Nederlandse bijdragen aan dit veld komt van Gatze Lettinga, hoogleraar aan Wageningen Universiteit, die in de jaren zeventig en tachtig de UASB-reactor ontwikkelde. Zijn werk vormde de basis voor het Nederlandse bedrijf Paques, dat deze technologie wereldwijd commercieel uitrolde voor de zuivering van industrieel afvalwater van onder meer bierbrouwerijen en papierfabrieken.
In Zweden rijdt sinds het einde van de jaren tachtig een trein op biogas rond de stad Linköping, bekend geworden onder de naam “Amanda”. Het gas wordt onder meer gewonnen uit slachtafval en andere organische reststromen; ook stadsbussen in de regio rijden al decennialang op biogas.
In Denemarken is de afgelopen tien tot vijftien jaar een omvangrijke biogassector opgebouwd, met bedrijven als Nature Energy die grote centrale vergistingsinstallaties exploiteren op mest en reststromen uit de landbouw. Het opgewerkte gas wordt in het nationale aardgasnet gevoed; Denemarken hoort daarmee tot de koplopers in Europa, al verschillen exacte aandeelcijfers per bron en jaar.
In China zijn sinds de jaren zeventig en tachtig, met steun van de overheid, miljoenen kleinschalige huishoudelijke biogasvergisters aangelegd op het platteland, waarmee huishoudens hun eigen kookgas uit mest en gewasresten opwekken.
In Nederland zelf wordt gft-afval (groente-, fruit- en tuinafval) door onder meer afvalverwerker Attero vergist tot groen gas, en zijn op veel boerderijen kleinere mestvergisters te vinden, waarvoor bedrijven als HoSt Bioenergy Systems installaties leveren.
Hoe ver is de techniek?
De kern van anaerobe fermentatie is geen nieuwe technologie: rioolwaterzuiveringen gebruiken al decennia anaerobe vergisting om slib te verwerken, en mestvergisting op boerderijen bestaat eveneens al lang. In die toepassingen is de techniek volwassen en betrouwbaar.
Wat de afgelopen tien à vijftien jaar wél sterk is gegroeid, is de opwerking van biogas tot groen gas en de invoeding daarvan in het aardgasnet. De Europese Unie heeft, mede naar aanleiding van het REPowerEU-plan, ambities uitgesproken om de productie van biomethaan richting 2030 flink te vergroten, als onderdeel van het verminderen van de afhankelijkheid van fossiel aardgas. Hoe snel en volledig die doelen gehaald worden, is nog onzeker.
De belangrijkste obstakels zijn praktisch van aard. Vergisters hebben een constante aanvoer van biomassa nodig, en het inzamelen en transporteren van mest of afval is kostbaar en logistiek complex. De opwerkingsinstallaties die CO2 uit biogas verwijderen, vergen een aanzienlijke investering, wat vooral voor kleinere boerderijvergisters een drempel is. In Nederland speelt daarnaast mestregelgeving, zoals fosfaatrechten, een rol bij de haalbaarheid van mestvergisting. Ook is er discussie over methaanlekkage: als er tijdens transport, opslag of verwerking methaan ontsnapt, kan dat een deel van het klimaatvoordeel tenietdoen. Ten slotte is er concurrentie om beschikbare biomassa met andere toepassingen, zoals veevoer of compostering.
Wie werken eraan?
Wageningen University & Research (WUR) geldt internationaal als een van de bakermatten van het anaerobe-vergistingsonderzoek en zet dat werk nog altijd voort. Het Nederlandse bedrijf Paques is wereldwijd actief in anaerobe waterzuiveringstechnologie, en HoSt Bioenergy Systems levert vergistingsinstallaties voor de agrarische sector. Onderzoeksinstituut TNO doet aanvullend onderzoek naar opwerking en inpassing van groen gas in het energiesysteem.
Op beleidsniveau ondersteunt de Nederlandse overheid via RVO (Rijksdienst voor Ondernemend Nederland) projecten met subsidies zoals de SDE++, terwijl gasnetbeheerders zorgen voor de technische invoeding van groen gas in het net. Internationaal coördineert IEA Bioenergy, een samenwerkingsprogramma van het Internationaal Energieagentschap, kennisuitwisseling over anaerobe vergisting tussen lidstaten. In Europa gelden vooral Denemarken en Duitsland, met een groot aantal biogasbedrijven en -installaties, als belangrijke spelers in de sector.