Bioreactor: de fabriek waarin cellen het werk doen
Een bioreactor is in de kern niets meer dan een zorgvuldig gecontroleerde kweekomgeving voor levende cellen of micro-organismen. Denk aan een grote, roestvrijstalen ketel waarin bacteriën, gistcellen of dierlijke cellen precies de temperatuur, zuurgraad en voeding krijgen die ze nodig hebben om te groeien en stoffen te produceren. Het principe is eeuwenoud: ook een vat waarin bier gist of yoghurt rijpt, is in feite een simpele bioreactor. Het verschil met de moderne variant is de mate van controle: sensoren meten voortdurend zuurstof, temperatuur en zuurgraad, en computers sturen bij zodra iets afwijkt.
Wat vroeger toevallig goed ging in een aardewerken pot, gebeurt nu gestuurd en herhaalbaar in apparaten die kunnen variëren van een fles van een halve liter in een laboratorium tot een tank van honderdduizenden liters in een fabriek. In zo'n bioreactor worden cellen ingezet als minifabriekjes: ze zetten voedingsstoffen om in iets nuttigs, zoals een medicijn, een eiwit voor in voedsel, of een grondstof voor de industrie. De cel doet het chemische werk, de bioreactor zorgt dat de omstandigheden daarvoor optimaal blijven.
Wat is het precies?
Een bioreactor bestaat meestal uit een gesloten of half-gesloten vat met een aantal vaste onderdelen. Er is een roerwerk of een andere manier om de vloeistof in beweging te houden, zodat voedingsstoffen en zuurstof zich gelijkmatig verdelen. Er zijn leidingen voor het toevoeren van steriele lucht of zuivere zuurstof, voor voedingsstoffen zoals suikers en aminozuren, en voor het afvoeren van afvalstoffen zoals kooldioxide.
Sensoren meten continu temperatuur, zuurgraad (pH) en opgeloste zuurstof. Wijkt een van die waarden af, dan grijpt een besturingssysteem automatisch in: het voegt bijvoorbeeld een basische vloeistof toe om de pH te corrigeren, of verhoogt de zuurstoftoevoer. Dat is nodig omdat cellen extreem gevoelig zijn: een paar graden te warm of een te lage zuurstofspanning kan een hele batch cellen doen afsterven.
Er bestaan verschillende typen, afgestemd op het soort cel. De meest voorkomende is de geroerde tankbioreactor, met een mechanisch roerblad, geschikt voor bacteriën en gistcellen die tegen mechanische krachten kunnen. Voor kwetsbaardere dierlijke cellen gebruikt men vaak een zachtere menging via luchtbellen, de zogeheten airliftbioreactor. Voor algen en andere fotosynthetische organismen bestaat de fotobioreactor: een doorzichtige constructie die licht doorlaat, omdat die cellen zonlicht nodig hebben om te groeien.
Na de kweekfase moet het gewenste product nog worden gescheiden van de cellen en de kweekvloeistof. Dat gebeurt met filtratie, centrifuges of chromatografie, afhankelijk van of het product bijvoorbeeld een eiwit, een enzym of intacte cellen zelf zijn.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is dat bioreactoren toelaten om biologische processen op grote schaal, betrouwbaar en onder gecontroleerde omstandigheden te laten verlopen. Voor de farmaceutische industrie betekent dit dat medicijnen die het lichaam zelf ook maakt, zoals insuline of antistoffen, niet meer uit dierlijke organen hoeven te worden gewonnen, maar door genetisch aangepaste cellen in een tank kunnen worden geproduceerd. Dat is zuiverder, schaalbaarder en minder afhankelijk van dierlijke bronnen.
In de voedingssector is de belofte anders: eiwitten en vetten produceren zonder het houden van vee. Traditionele veeteelt kost veel land, water en veroorzaakt aanzienlijke broeikasgasuitstoot. Onderzoekers en bedrijven hopen dat het kweken van spiercellen of het fermenteren van micro-organismen tot voedseleiwit die impact fors kan verlagen, al is dat in de praktijk nog niet overtuigend bewezen op grote schaal.
Daarnaast wordt gewerkt aan bioreactoren voor biobrandstoffen, bioplastics en zelfs voor levensondersteuning in de ruimtevaart, waarbij algen zuurstof en voedsel zouden kunnen leveren tijdens lange missies. De gemeenschappelijke ambitie is steeds dezelfde: chemische productieprocessen die nu afhankelijk zijn van fossiele grondstoffen of dierlijke bronnen, vervangen door biologische processen die beter te sturen en potentieel duurzamer zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste en langstlopende succesverhaal is de productie van insuline. Sinds 1982 wordt menselijke insuline, verkocht onder de naam Humulin, geproduceerd door genetisch aangepaste bacteriën in bioreactoren, een samenwerking tussen het biotechbedrijf Genentech en farmaceut Eli Lilly. Dit was destijds het eerste door de Amerikaanse FDA goedgekeurde medicijn gemaakt met recombinant-DNA-technologie, en het toonde aan dat bioreactoren op industriële schaal betrouwbaar konden werken.
Een ander voorbeeld dat al decennia in de schappen ligt, is Quorn, een vleesvervanger op basis van mycoproteïne. Het Britse bedrijf Marlow Foods kweekt hiervoor sinds de jaren tachtig een schimmelcultuur in grote fermentatietanks, waarna het gedroogde eiwit wordt verwerkt tot burgers en filets.
In Nederland is Mosa Meat, opgericht door onderzoeker Mark Post, een bekend voorbeeld van gekweekt vlees. In 2013 presenteerde het bedrijf de eerste hamburger gemaakt van spiercellen die buiten een dier waren opgekweekt, destijds nog met kosten van meer dan twee ton per burger. Sindsdien werkt het Maastrichtse bedrijf aan het opschalen van de bioreactoren en het verlagen van de kosten, met als doel commerciële verkoop mogelijk te maken zodra regelgevers goedkeuring geven.
Het Finse Solar Foods gaat een andere weg: het bedrijf kweekt geen dierlijke cellen, maar een micro-organisme dat groeit op waterstof en kooldioxide, en verkoopt het resulterende eiwitpoeder onder de naam Solein. In Vantaa, bij Helsinki, opende het bedrijf een fabriek om deze productie op te schalen.
Tot slot is een bioreactor niet altijd exotisch: rioolwaterzuiveringsinstallaties gebruiken al decennia bioreactoren, in de vorm van beluchtingstanks waarin bacteriën organisch afval afbreken. Het is een van de meest wijdverbreide, maar minst zichtbare toepassingen van de technologie.
Hoe ver is de techniek?
Voor de farmaceutische en enzymindustrie is bioreactortechnologie volwassen: het wordt al decennia op grote schaal en betrouwbaar toegepast voor onder meer insuline, antistoffen, vaccins en industriële enzymen. De grootste ontwikkelingen daar zitten nu in het verder verhogen van celdichtheid en opbrengst, en in nieuwe toepassingen zoals celtherapieën tegen kanker.
Gekweekt vlees en andere vormen van cellandbouw staan aanzienlijk vroeger in hun ontwikkeling. De grootste technische hindernis is opschaling: cellen die in een laboratoriumfles van een liter goed groeien, gedragen zich vaak anders in een tank van tienduizenden liters, waar zuurstof en voedingsstoffen minder gelijkmatig verdeeld raken. Ook de kweekmedia, de voedingsvloeistof voor de cellen, zijn nog relatief duur, wat de kostprijs hoog houdt.
Op regelgevend vlak gaat het schoksgewijs. Singapore was in 2020 het eerste land dat gekweekt kip goedkeurde voor verkoop. In de Verenigde Staten kregen bedrijven als Upside Foods en Good Meat in 2023 goedkeuring van de Amerikaanse voedsel- en warenautoriteiten om gekweekt kip te verkopen. In de Europese Unie loopt de goedkeuringsprocedure nog, en is nog geen enkel gekweekt-vleesproduct commercieel verkrijgbaar.
Fermentatie van micro-organismen tot voedseleiwit, zoals bij Solar Foods en Quorn, is technisch minder ingewikkeld dan het kweken van dierlijke spiercellen, en staat daardoor dichter bij grootschalige, betaalbare productie. Toch blijft ook daar de vraag hoe snel de kosten kunnen concurreren met bestaande eiwitbronnen zoals soja of kip.
Wie werken eraan?
De apparatuur zelf, de bioreactoren, wordt wereldwijd geleverd door een beperkt aantal gespecialiseerde bedrijven, waaronder het Duitse Sartorius, het Amerikaanse Thermo Fisher Scientific, Cytiva en het Duitse Merck KGaA. Zij bouwen zowel kleine labsystemen als industriële installaties voor de farmaceutische en voedingssector.
Op het gebied van gekweekt vlees en cellandbouw is Nederland internationaal opvallend actief, met bedrijven als Mosa Meat en Meatable, beide voortgekomen uit onderzoek aan de Universiteit Maastricht en de Technische Universiteit Eindhoven. Wageningen University & Research doet fundamenteel onderzoek naar celkweek en alternatieve eiwitten, en positioneert zich als kennisknooppunt op dit terrein.
Internationaal lopen de Verenigde Staten voorop met bedrijven als Upside Foods en Good Meat, Israël met Believer Meats, en Finland met Solar Foods. Singapore heeft zich als land geprofileerd door als eerste een regelgevend kader te bieden, waardoor meerdere buitenlandse bedrijven daar hun eerste producten lanceerden. Ook ruimtevaartorganisaties zoals het Europese ruimteagentschap ESA financieren onderzoek naar bioreactoren, onder meer binnen het MELiSSA-project, dat kijkt hoe algen en micro-organismen tijdens lange ruimtemissies zuurstof en voedsel zouden kunnen leveren.