Biomassafermentatie: hoe microben afval omzetten in brandstof
Stel je een vat gistend fruit voor, zoals bij het maken van wijn: gist eet suikers op en produceert daarbij alcohol. Biomassafermentatie is in essentie hetzelfde principe, maar dan op industriĆ«le schaal en met een heel ander doel. In plaats van druiven gebruikt men resthout, stro, maisĀstengels, gft-afval of zelfs fabrieksgassen. En in plaats van wijn ontstaat er bio-ethanol, biogas of andere grondstoffen die fossiele olie en aardgas kunnen vervangen.
Het idee is aantrekkelijk: overal ter wereld blijft organisch restmateriaal over dat nu vaak wordt verbrand, gestort of composteren. Door dit materiaal aan bacteriƫn, schimmels of gist te voeren, verandert 'afval' in bruikbare energie of chemicaliƫn. Zo zou een deel van onze brandstoffen- en chemie-industrie minder afhankelijk kunnen worden van olie en gas. Maar zoals bij veel biotechnologie ligt het venijn in de details: welke biomassa, welke micro-organismen, en tegen welke kosten?
Wat is het precies?
Biomassa is de verzamelnaam voor organisch materiaal van planten, dieren of micro-organismen: houtsnippers, landbouwresten, mest, gft-afval, algen en soms zelfs industriƫle afvalgassen. Fermentatie is het proces waarbij micro-organismen (meestal bacteriƫn, gisten of schimmels) organische stoffen afbreken zonder dat er zuurstof bij nodig is, en daarbij nieuwe stoffen produceren zoals alcohol, zuren of methaan.
Bij de productie van bio-ethanol uit plantaardig materiaal verloopt het proces meestal in een paar stappen. Eerst wordt de biomassa voorbehandeld: met hitte, stoom, zuren of enzymen wordt de stevige celstructuur van planten (cellulose en hemicellulose, de vezelstoffen die planten hun stevigheid geven) opengebroken. Dat is nodig omdat deze vezels van nature erg lastig af te breken zijn ā hout blijft tenslotte niet voor niets jarenlang staan.
Daarna volgt enzymatische hydrolyse: speciale enzymen (eiwitten die als biologische scharen werken) knippen de lange suikerketens in cellulose in losse suikermoleculen, zoals glucose. Pas dan kan de eigenlijke fermentatie beginnen: gist of bacteriƫn eten deze suikers op en zetten ze om in ethanol en kooldioxide. Tot slot wordt de ethanol via destillatie (verdamping en condensatie) gescheiden van het water en de rest van het mengsel.
Er bestaat ook een heel andere variant: gasfermentatie. Daarbij voeden bacteriƫn zich niet met suikers maar met koolmonoxide en waterstof, gassen die vrijkomen bij bijvoorbeeld staalproductie. Deze bacteriƫn, van nature gevonden in bijvoorbeeld konijnenmest, zetten deze gassen om in ethanol. Dit is technisch fundamenteel anders dan suikerfermentatie, maar wordt in de praktijk vaak onder dezelfde noemer geschaard omdat het eindresultaat vergelijkbaar is.
Een derde, in Nederland zeer bekende vorm is vergisting van mest, gft-afval of rioolslib tot biogas. Hierbij werken verschillende groepen micro-organismen samen: eerst breken 'gewone' fermenterende bacteriƫn het materiaal af tot eenvoudige zuren, waarna zogeheten methanogene (methaanvormende) micro-organismen daar methaan en CO2 van maken. Dit biogas kan direct worden verbrand of opgewerkt tot aardgaskwaliteit.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het vervangen van fossiele grondstoffen. Benzine, diesel, plastics en veel chemicaliƫn worden nu gemaakt uit aardolie. Als je in plaats daarvan biomassa fermenteert, kun je in theorie vergelijkbare producten maken met een veel lagere klimaatimpact, omdat de CO2 die vrijkomt bij verbranding eerder door de plant uit de lucht is gehaald.
Een tweede doel is het beter benutten van reststromen. Landbouw en industrie produceren enorme hoeveelheden restmateriaal: stro, bagasse (het vezelresidu van suikerriet), houtsnippers, mest en industriƫle afvalgassen. Fermentatie biedt een manier om hier waarde uit te halen in plaats van het te storten of te verbranden, wat past bij het idee van een circulaire economie: grondstoffen zo lang en zo hoogwaardig mogelijk hergebruiken.
Daarnaast hopen onderzoekers en bedrijven zo minder concurrentie te creƫren tussen voedsel- en brandstofproductie. De eerste generatie bio-ethanol, gemaakt uit mais of suikerriet, kreeg kritiek omdat het landbouwgrond en gewassen gebruikte die ook als voedsel hadden kunnen dienen. Fermentatie van cellulose uit reststromen (de zogeheten 'tweede generatie' biobrandstoffen) probeert dat probleem te omzeilen door niet-eetbaar materiaal te gebruiken.
Tot slot zien sommige bedrijven en overheden gasfermentatie als een manier om industriƫle CO- en CO2-uitstoot, bijvoorbeeld van staalfabrieken, direct om te zetten in bruikbare brandstof in plaats van die de lucht in te laten gaan.
Voorbeelden uit de praktijk
In Ghent (Belgiƫ) startte in 2022 de fabriek van het Steelanol-project: staalbedrijf ArcelorMittal vangt koolstofrijke restgassen van de hoogovens op en voert die naar een installatie van het Amerikaanse bedrijf LanzaTech, waar bacteriƫn de gassen fermenteren tot ethanol. Het is een van de eerste projecten waarbij staalproductie op deze schaal direct gekoppeld wordt aan gasfermentatie.
In Podari (Roemeniƫ) bouwde het Zwitsers-Duitse chemiebedrijf Clariant een fabriek die met de zogeheten 'sunliquid'-technologie stro van tarwe omzet in cellulose-ethanol, met behulp van speciaal ontwikkelde enzymen en gistculturen. De fabriek, met een geplande capaciteit van enkele tienduizenden tonnen ethanol per jaar, ging begin jaren twintig in bedrijf en geldt als een van de weinige commerciƫle cellulose-ethanolfabrieken in Europa.
In de Verenigde Staten opende in 2014 de fabriek 'Project Liberty' in Emmetsburg (Iowa), een samenwerking tussen het Amerikaanse landbouwbedrijf POET en het Nederlandse bedrijf DSM. Deze fabriek zette maisstengels en -kolven om in cellulose-ethanol met enzymen die deels door DSM waren ontwikkeld. Het project liet zien dat de technologie werkte, maar kampte ook met de economische uitdaging die deze hele sector kenmerkt: de productiekosten bleken hoger uit te vallen dan verwacht, en DSM trok zich later terug uit de samenwerking.
In Crescentino (Italiƫ) opende het bedrijf Beta Renewables in 2013 een van de eerste commerciƫle cellulose-ethanolfabrieken ter wereld, die stro en energiegewassen verwerkte. Ondanks de technische doorbraak ging het moederbedrijf enkele jaren later failliet, wat illustreert hoe moeilijk het is om dit soort technologie duurzaam winstgevend te maken.
In BraziliĆ« bouwde energiebedrijf RaĆzen vanaf 2014 in Piracicaba een fabriek die bagasse en suikerrietresten fermenteert tot 'tweede generatie'-ethanol, bovenop de traditionele ethanolproductie uit suikerrietsap. BraziliĆ« heeft dankzij zijn grote suikerrietsector al decennialang ervaring met grootschalige ethanolfermentatie en geldt als een van de meest ervaren landen op dit gebied.
Hoe ver is de techniek?
Fermentatie van suikers uit mais of suikerriet (de 'eerste generatie') is allang volwassen technologie en gebeurt wereldwijd op grote schaal, vooral in de Verenigde Staten en Braziliƫ. Vergisting van mest en gft tot biogas is in Nederland en Duitsland eveneens een bewezen en veelgebruikte techniek, met duizenden installaties.
Fermentatie van houtige, cellulose-rijke biomassa (de 'tweede generatie') en gasfermentatie zijn een stuk minder ver ontwikkeld. Er zijn wereldwijd wel enkele commerciƫle fabrieken gebouwd, maar veel projecten liepen tegen dezelfde muur op: de voorbehandeling van taai plantmateriaal en de benodigde enzymen zijn duur, waardoor de kostprijs van het eindproduct vaak hoger uitvalt dan die van fossiele alternatieven of van eerstegeneratie-ethanol. Verschillende pioniersfabrieken, waaronder de eerder genoemde installaties in Italiƫ en Iowa, kregen te maken met tegenvallende financiƫle resultaten of moesten hun activiteiten aanpassen.
Gasfermentatie, zoals die van LanzaTech, staat er iets beter voor omdat het proces relatief eenvoudiger op te schalen lijkt en direct kan worden gekoppeld aan bestaande zware industrie. Toch blijft ook hier de vraag of de technologie zonder subsidies concurrerend kan zijn met fossiele brandstoffen, en hangt veel af van de prijs van CO2-uitstoot en overheidsbeleid.
Kortom: de wetenschap achter biomassafermentatie is grotendeels bewezen, maar de opschaling naar een economisch haalbare industrie verloopt langzamer en moeizamer dan tien of vijftien jaar geleden werd verwacht. Onderzoekers werken nog steeds aan goedkopere enzymen, robuustere micro-organismen en efficiƫntere voorbehandelingsmethoden.
Wie werken eraan?
Op het gebied van gasfermentatie is het Amerikaanse LanzaTech een van de meest toonaangevende spelers, met projecten in onder meer Belgiƫ en China. In de klassieke cellulose-ethanolsector zijn Clariant (Zwitserland/Duitsland) en POET (Verenigde Staten) belangrijke namen, terwijl enzymproducenten zoals het Deense Novozymes (sinds 2024 gefuseerd met Chr. Hansen tot Novonesis) en het Nederlandse DSM-Firmenich een sleutelrol spelen: zonder hun enzymen is efficiƫnte afbraak van plantaardig materiaal nauwelijks mogelijk.
In BraziliĆ« is RaĆzen, een joint venture van Shell en de suikerrietgigant Cosan, een belangrijke partij voor tweedegeneratie-ethanol. Op onderzoeksgebied leveren onder meer het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL), verschillende Duitse Fraunhofer-instituten en in Nederland Wageningen University & Research belangrijke bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe enzymen, micro-organismen en processen.
Overheden spelen eveneens een rol, vooral via subsidies en regelgeving die duurzame brandstoffen moeten stimuleren, zoals de Europese Renewable Energy Directive en in Nederland de inzet van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) op de biobased economy. Zonder dergelijke steun is het voor veel fermentatieprojecten lastig om de concurrentie met fossiele brandstoffen aan te gaan.