Gasfermentatie: bacteriën die afvalgas omzetten in brandstof
Stel je een brouwerij voor, maar dan zonder graan of suiker. In plaats daarvan bubbelt er gas door grote metalen tanks: een mengsel van koolmonoxide, koolstofdioxide en waterstof, vaak afkomstig uit de rokende schoorsteen van een staalfabriek. In die tanks leven speciale bacteriën die dat gas letterlijk opeten en er ethanol van maken, dezelfde alcohol die ook in bier en benzinebijmenging zit. Dat proces heet gasfermentatie.
Waar klassieke fermentatie (zoals bij bierbrouwen) suikers gebruikt als voedsel voor gist, gebruikt gasfermentatie industrieel afvalgas of vergast afval als voedingsbron voor bacteriën. Het idee is aantrekkelijk: in plaats van CO2 en koolmonoxide de lucht in te blazen, vang je ze op en laat je micro-organismen er iets nuttigs van maken, zoals brandstof of grondstoffen voor plastic. Het is een van de manieren waarop de industrie probeert koolstof te hergebruiken in plaats van uit te stoten.
Wat is het precies?
Gasfermentatie draait om zogeheten syngas (synthesegas): een mengsel van vooral koolmonoxide (CO), koolstofdioxide (CO2) en waterstof (H2). Dat gas kan op verschillende manieren ontstaan: als restproduct van een hoogoven bij staalproductie, door vergassing van huishoudelijk afval of houtresten, of in theorie ook door CO2 en waterstof simpelweg te mengen.
Dat gas wordt door een vloeistof geleid in een bioreactor, een gesloten tank met daarin water en een cultuur van bacteriën. De belangrijkste spelers zijn acetogene bacteriën, zoals de soort Clostridium autoethanogenum. Dit zijn micro-organismen die al miljarden jaren bestaan en die via een uniek metabolisch pad, de zogeheten Wood-Ljungdahl-route, koolstof rechtstreeks uit gas kunnen vastleggen zonder zonlicht nodig te hebben, in tegenstelling tot planten die fotosynthese gebruiken.
De bacteriën zetten de koolstof- en waterstofatomen om in bouwstenen voor hun eigen stofwisseling, en scheiden als bijproduct verbindingen af zoals ethanol, azijnzuur of 2,3-butaandiol (een grondstof voor rubber en kunststof). Via genetische aanpassing kunnen onderzoekers bacteriestammen zo bijsturen dat ze meer van een gewenst product maken, bijvoorbeeld aceton of isopropanol in plaats van alleen ethanol.
Na de fermentatie wordt het product uit de vloeistof gehaald, meestal met destillatie, dezelfde techniek die ook gebruikt wordt om drank te stoken. Het resultaat is een vloeibare grondstof die verder verwerkt kan worden tot brandstof, oplosmiddel of bouwsteen voor plastic.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het verminderen van uitstoot uit zware industrie die moeilijk te vergroenen is. Staalfabrieken bijvoorbeeld stoten bij de productie grote hoeveelheden koolmonoxide en CO2 uit via hun hoogovens. Dat gas wordt nu vaak simpelweg verbrand om energie op te wekken, wat nog steeds CO2-uitstoot oplevert. Gasfermentatie biedt een manier om dat gas eerst nog een economische waarde te geven voordat de koolstof alsnog als CO2 vrijkomt, of om de koolstof zelfs in een product vast te leggen.
Een tweede doel is het maken van alternatieve grondstoffen voor de chemische industrie en transportsector zonder nieuwe fossiele olie te gebruiken, en zonder te concurreren met voedselgewassen zoals bij traditionele bio-ethanol uit maïs of suikerriet het geval is. Omdat het proces met afvalgas werkt, wordt geen extra landbouwgrond ingezet.
Een derde toepassing die veel aandacht krijgt is duurzame luchtvaartbrandstof (SAF, sustainable aviation fuel). Ethanol geproduceerd via gasfermentatie kan via een chemisch proces (alcohol-to-jet) worden omgezet in kerosine-achtige brandstof. Omdat vliegtuigen voorlopig moeilijk elektrisch kunnen vliegen, wordt dit gezien als een van de weinige praktische routes om de luchtvaart te verduurzamen.
Verwant, maar met een andere insteek, is onderzoek naar het maken van eiwitten uit gas voor diervoeder of zelfs menselijke consumptie, met bacteriën die op waterstof en CO2 groeien. Dat wordt soms onder dezelfde noemer geschaard, al gaat het net iets anders werkende micro-organismen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bedrijf LanzaTech, opgericht in Nieuw-Zeeland en inmiddels gevestigd in de Verenigde Staten, geldt als de pionier en marktleider in commerciële gasfermentatie. Rond 2018 startte in Caofeidian, China, bij de staalfabriek van Shougang de eerste grootschalige fabriek die afgas van een hoogoven met LanzaTech-technologie omzet in ethanol.
In Gent, België, bouwde staalproducent ArcelorMittal samen met LanzaTech het project Steelanol, dat vanaf 2022 hoogovengas van de plaatselijke staalfabriek omzet in ethanol. Het is een van de eerste vergelijkbare installaties in Europa en wordt gebruikt om te laten zien dat de technologie ook buiten China op te schalen is.
In China zijn met licenties van LanzaTech-technologie meerdere grote fabrieken gebouwd bij partners zoals Jupeng Bio, waar industrieel afgas op grote schaal wordt omgezet in ethanol; de precieze productiecapaciteit varieert per fabriek en wordt door de bedrijven zelf gerapporteerd.
Een spin-off, LanzaJet, opende begin 2024 in Soperton, Georgia (VS) de fabriek Freedom Pines Fuels, een van de eerste commerciële installaties die ethanol via het alcohol-to-jet-proces omzet in duurzame luchtvaartbrandstof. Dit project wordt gezien als een belangrijke test of de keten van gas naar ethanol naar vliegtuigbrandstof ook op fabrieksschaal rendabel is.
Daarnaast werkt het Britse bedrijf Deep Branch aan een verwant proces waarbij CO2 en waterstof met bacteriën worden omgezet in eiwit voor diervoeder, onder de merknaam Proton, als alternatief voor sojaschroot of vismeel.
Hoe ver is de techniek?
Gasfermentatie is geen laboratoriumcuriositeit meer: er draaien inmiddels meerdere fabrieken op industriële schaal die dagelijks duizenden liters ethanol produceren uit afvalgas. In die zin is de basistechnologie voor ethanolproductie bewezen en commercieel operationeel, vooral gekoppeld aan staalfabrieken.
Toch blijft de schaal wereldwijd bescheiden vergeleken met de totale chemische en brandstofindustrie. Opschalen is duur: de bioreactoren moeten enorm zijn om voldoende gas te kunnen verwerken, en de overdracht van gas naar de bacteriën in de vloeistof (gas-vloeistofoverdracht) is technisch lastig te optimaliseren op grote schaal. Verontreinigingen in het afvalgas, zoals zwavelverbindingen, kunnen bacterieculturen bovendien vergiftigen of vertragen.
De route naar producten anders dan ethanol, zoals aceton, isopropanol of monoethyleenglycol (een grondstof voor PET-plastic en polyester), bevindt zich veelal nog in een eerdere, kleinschaligere fase, met pilotinstallaties en samenwerkingen met chemiebedrijven. Ook de variant waarbij puur CO2 en met groene stroom geproduceerde waterstof als grondstof dienen, in plaats van industrieel restgas, staat nog vroeger in de ontwikkeling, omdat groene waterstof momenteel relatief duur is.
De opening van de eerste ethanol-naar-SAF-fabriek van LanzaJet in 2024 is een belangrijke mijlpaal, maar het zal nog jaren duren voordat blijkt of dit soort installaties op grote schaal en tegen concurrerende kosten kunnen draaien, en of ze voldoende afvalgas of ethanol beschikbaar krijgen om te groeien.
Wie werken eraan?
LanzaTech is wereldwijd de bekendste naam op dit gebied en houdt veel van de onderliggende patenten en bacteriestammen in eigendom. Het bedrijf werkt samen met industriële partners zoals staalproducenten in China en Europa, en ging in 2023 naar de beurs in de Verenigde Staten.
LanzaJet, een spin-off gericht op luchtvaartbrandstof, wordt gesteund door onder meer energie- en luchtvaartbedrijven die geïnteresseerd zijn in duurzame kerosine-alternatieven.
Staalproducent ArcelorMittal is in Europa de belangrijkste industriële partner die de technologie in de praktijk test, met de Steelanol-fabriek in Gent. In China zijn Shougang en Jupeng Bio de grootste toepassers van de technologie op industriële schaal, mede dankzij de omvang van de Chinese staalindustrie.
Op onderzoeksgebied doen universiteiten wereldwijd fundamenteel werk naar de microbiologie achter het proces, waaronder in Nederland Wageningen University & Research, waar onderzoeksgroepen zich bezighouden met acetogene en andere gasetende bacteriën. Ook chemiebedrijven zoals Sasol en INEOS verkennen samenwerkingen om gasfermentatie te koppelen aan hun bestaande chemische processen.