Eiwitfiltratiesysteem: hoe membranen eiwitten scheiden van de rest
Een eiwitfiltratiesysteem is een technische installatie die eiwitten scheidt van een vloeistof waarin ze zijn opgelost, zonder daarbij te koken, te verhitten of chemicaliën toe te voegen. Het hart van zo'n systeem is een membraan: een dun vlies met microscopisch kleine gaatjes. Vloeistof wordt onder druk langs of door dat membraan geperst, en afhankelijk van de grootte van de gaatjes blijven eiwitten achter terwijl water, suikers en zouten er wel doorheen glippen.
Vergelijk het met een heel verfijnde koffiefilter. Een gewone koffiefilter houdt koffiedik tegen maar laat water en opgeloste smaakstoffen door. Een eiwitfiltratiemembraan doet hetzelfde, maar dan op een schaal die duizenden keren kleiner is: de poriën zijn vaak niet groter dan een paar nanometer, ofwel een miljoenste millimeter. Dat maakt het mogelijk om bijvoorbeeld eiwit uit melk, uit plantensap of zelfs uit bloed te zeven, zonder de kwetsbare eiwitmoleculen te beschadigen.
Wat is het precies?
Filtratie op basis van membranen bestaat in verschillende gradaties, ingedeeld naar de grootte van de deeltjes die worden tegengehouden. Microfiltratie houdt bacteriën en vetbolletjes tegen, ultrafiltratie houdt eiwitten tegen maar laat water, mineralen en suikers door, en nanofiltratie en omgekeerde osmose gaan nog fijner en houden zelfs kleine moleculen en zouten tegen. Voor eiwitwinning wordt meestal ultrafiltratie gebruikt, omdat de meeste eiwitten tussen de 1 en 100 nanometer groot zijn.
De meest gebruikte techniek heet cross-flow filtratie. De vloeistof stroomt niet recht op het membraan af, maar er langs, evenwijdig aan het oppervlak. Dat voorkomt dat er direct een dikke laag opgehoopt materiaal ontstaat die de poriën verstopt, een probleem dat in de sector 'fouling' heet en de grootste technische kopzorg is bij dit soort systemen. Door druk te zetten op de vloeistof wordt een deel er loodrecht doorheen geperst: dat noemt men het permeaat. Wat achterblijft, rijker aan eiwit, heet het retentaat.
Vaak wordt een cascade van meerdere membraantrappen gebruikt, elk met een iets andere poriegrootte, om stap voor stap een steeds zuiverder eiwitconcentraat te maken. Soms wordt er tussendoor water toegevoegd en opnieuw gefilterd, een stap die diafiltratie heet, om zouten en suikers nog verder uit te spoelen. Het resultaat kan variëren van een eiwitconcentraat, met nog wat andere bestanddelen erbij, tot een eiwitisolaat, dat voor het overgrote deel uit zuiver eiwit bestaat.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is dat filtratie een mild proces is. Klassieke manieren om eiwit te winnen, zoals verhitten of behandelen met zuren, kunnen de driedimensionale structuur van een eiwit beschadigen, waardoor het zijn functionele eigenschappen verliest, bijvoorbeeld het vermogen om te binden, te schuimen of op te lossen. Filtratie werkt bij kamertemperatuur en zonder agressieve chemicaliën, waardoor het eiwit intact blijft.
Daarnaast speelt duurzaamheid een grote rol. De vraag naar eiwitten groeit wereldwijd, terwijl de productie van dierlijk eiwit relatief veel land, water en uitstoot met zich meebrengt. Onderzoekers en bedrijven willen daarom eiwit winnen uit alternatieve bronnen zoals gewassen, gras, algen of microben, en membraanfiltratie is daarbij vaak de sleuteltechnologie om die eiwitten er efficiënt uit te halen.
Een derde motivatie ligt in de gezondheidszorg. Bij nierfalen moet het bloed kunstmatig worden gezuiverd van afvalstoffen, terwijl belangrijke eiwitten in het bloed moeten blijven. Dat is in essentie ook een filtratieprobleem, en onderzoekers werken aan membranen die dat proces compacter en nauwkeuriger kunnen laten verlopen dan de huidige dialyseapparaten.
Voorbeelden uit de praktijk
De zuivelindustrie past ultrafiltratie al decennia toe om weiproteïne te concentreren, het eiwit dat overblijft bij de productie van kaas. Zuivelbedrijven zoals FrieslandCampina en het Nieuw-Zeelandse Fonterra gebruiken membraancascades om van wei een geconcentreerd of zelfs geïsoleerd eiwitpoeder te maken, dat vervolgens in sportvoeding en zuigelingenvoeding terechtkomt.
In Nederland ontwikkelde het bedrijf Grassa, opgericht vanuit onderzoek rond Wageningen, een installatie die eiwit perst en filtert uit gras en klaver. Het gewas wordt eerst geperst tot sap, waarna membraanfiltratie het eiwit scheidt van vezels en vocht. Het doel is om grasland efficiënter te benutten voor eiwitproductie, aanvankelijk vooral voor diervoeder, met de ambitie om op termijn ook voedsel voor menselijke consumptie te leveren.
Het Finse bedrijf Solar Foods opende in 2022 een fabriek in Vantaa waar het eiwit Solein wordt geproduceerd door micro-organismen te voeden met waterstof en kooldioxide. In de nabewerking, waarbij de eiwitrijke biomassa van de kweekvloeistof wordt gescheiden, spelen filtratiestappen een rol naast centrifugeren en drogen.
Bij de winning van planteneiwitten, zoals erwteneiwit, gebruiken producenten als Cosucra en Roquette in Frankrijk en België natte extractieprocessen waarin membraanfiltratie wordt ingezet om het eiwit te concentreren tot een isolaat met een hoog eiwitgehalte, geschikt voor plantaardige vleesvervangers.
In de medische hoek werkt het Amerikaanse Kidney Project, een samenwerking tussen de University of California, San Francisco en Vanderbilt University, sinds het begin van de jaren 2010 aan een implanteerbare kunstnier. Kern van dat apparaat is een siliciumnanoporie-membraan dat continu bloed filtert, met als doel afvalstoffen te verwijderen terwijl belangrijke eiwitten in het bloed blijven, zonder dat de patiënt aan een dialyseapparaat hoeft te liggen.
Hoe ver is de techniek?
Voor gevestigde toepassingen zoals weiproteïne en planteneiwitisolaten is membraanfiltratie volledig uitontwikkelde, commerciële technologie die op industriële schaal draait. De innovatie zit daar vooral in energie-efficiëntie en het langer laten meegaan van membranen.
Bij nieuwere toepassingen ligt dat anders. Grasseiwit voor menselijke consumptie bevindt zich nog in een opschalingsfase: de techniek werkt, maar smaak, kleur en regelgeving rond nieuwe voedingsmiddelen moeten nog verder worden uitgewerkt. Solar Foods draait inmiddels commercieel, maar op een schaal die nog klein is vergeleken met traditionele eiwitproductie.
De implanteerbare kunstnier van het Kidney Project bevindt zich in een pril stadium: er zijn positieve resultaten in dierproeven en voorbereidende studies, maar grootschalige klinische studies bij mensen moeten nog goed op gang komen. Fouling, het dichtslibben van membraanporiën, blijft over de hele linie de grootste technische horde: het beperkt hoe lang een membraan efficiënt blijft werken voordat het gereinigd of vervangen moet worden, wat de energie- en onderhoudskosten opdrijft.
Wie werken eraan?
In Nederland doen Wageningen University & Research (WUR) en TNO veel onderzoek naar eiwitextractie en membraantechnologie, vaak in samenwerking met bedrijven als Grassa. Het onderzoeksinstituut Wetsus in Leeuwarden richt zich specifiek op membraan- en watertechnologie en werkt samen met tientallen bedrijven en universiteiten aan nieuwe filtratieconcepten.
Internationaal zijn zuivelconcerns als Fonterra en Arla en planteneiwitproducenten als Roquette en Cosucra grote industriële spelers die membraanfiltratie op grote schaal toepassen en verbeteren. Solar Foods in Finland is een voorbeeld van een jong bedrijf dat filtratie combineert met microbiële eiwitproductie. Op medisch gebied trekken de University of California, San Francisco en Vanderbilt University de ontwikkeling van membraangebaseerde kunstnieren, met steun van Amerikaanse gezondheidsinstellingen.