Microalgenkweek: hoe piepkleine algen voedsel, brandstof en grondstoffen moeten leveren
Microalgenkweek is het gecontroleerd laten groeien van piepkleine, meestal eencellige algen in water, met als doel er nuttige stoffen uit te halen: eiwitten, vetzuren, kleurstoffen of zelfs brandstof. Denk aan een soort onderwaterlandbouw, maar dan met organismen die te klein zijn om met het blote oog te zien en die zich razendsnel vermenigvuldigen. Waar een aardappelplant maanden nodig heeft om te oogsten, kan een algenkweek binnen dagen tot weken nieuwe biomassa opleveren.
Een bekend voorbeeld dat u misschien al kent zonder het te beseffen: spirulina, het blauwgroene poeder in smoothies en voedingssupplementen, is een microalg. Dezelfde basistechniek – algen laten groeien in bakken of vijvers vol water, licht en voedingsstoffen – wordt ook onderzocht voor heel andere doelen, zoals CO2 uit de lucht halen, vismeel vervangen of diesel produceren. Microalgenkweek is dus geen enkele technologie, maar een verzamelnaam voor een groeiend veld waarin biologie, techniek en landbouw samenkomen.
Wat is het precies?
Microalgen zijn microscopisch kleine organismen die, net als planten, fotosynthese gebruiken: met behulp van zonlicht zetten ze water en CO2 om in suikers en zuurstof. Sommige soorten, zoals Chlorella en Spirulina (technisch gezien een cyanobacterie, maar in de praktijk vaak op één hoop gegooid met microalgen), zijn al decennia bekend als voedingsmiddel. Andere soorten produceren juist veel vetzuren of pigmenten die interessant zijn voor de industrie.
Voor de kweek zijn er grofweg twee systemen. Het eerste is de open vijver, ook wel raceway pond genoemd: een ondiep, langwerpig bassin waarin een schoepenrad het water rond laat stromen, vergelijkbaar met een lang, ondiep zwembad met een lopende band voor water. Dit is relatief goedkoop om te bouwen, maar kwetsbaar voor verontreiniging door ongewenste soorten, weersinvloeden en verdamping.
Het tweede systeem is de gesloten fotobioreactor (PBR): doorzichtige buizen, platte panelen of zakken waarin het algenwater apart van de buitenwereld circuleert. Dit geeft veel meer controle over temperatuur, licht en zuiverheid, en levert doorgaans een hogere opbrengst per vierkante meter. De keerzijde is de prijs: bouw, energie voor pompen en koeling, en onderhoud maken gesloten systemen aanzienlijk duurder dan open vijvers.
Na de groeifase moet de biomassa worden geoogst, wat op zich al een uitdaging is omdat de algencellen vaak minder dan een procent van het kweekwater uitmaken. Er wordt daarom gecentrifugeerd, gefilterd of met flocculatie (het laten samenklonteren van cellen) gewerkt om het water grotendeels te scheiden van de algen, voordat de biomassa verder wordt verwerkt of gedroogd.
Een derde, minder bekende route is heterotrofe kweek: sommige algen kunnen ook zonder licht groeien, in gesloten fermentatietanks, door suiker als voedingsbron te gebruiken in plaats van zonlicht. Dit lijkt sterk op hoe bier of yoghurt wordt gemaakt en wordt onder meer gebruikt om omega-3-vetzuren te produceren, omdat het proces makkelijker op grote schaal en onder constante omstandigheden te sturen is dan kweek op zonlicht.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is dat microalgen efficiënter met land en water omgaan dan traditionele landbouwgewassen. Ze hebben geen vruchtbare akkergrond nodig, kunnen in theorie op zoute of afvalwater groeien, en leveren per hectare doorgaans meer biomassa op dan bijvoorbeeld soja of koolzaad. Dat maakt ze aantrekkelijk in een wereld waar landbouwgrond schaars wordt en de vraag naar eiwitten en duurzame grondstoffen groeit.
Een tweede doelstelling is het vervangen van grondstoffen die nu uit de visserij komen. Omega-3-vetzuren zoals DHA en EPA, essentieel voor visvoer in de aquacultuur, worden van oudsher uit wilde vis gehaald. Omdat de visvoorraden onder druk staan, wordt gezocht naar algen als alternatieve bron, aangezien vis deze vetzuren zelf ook oorspronkelijk via algen in de voedselketen binnenkrijgt.
Daarnaast wordt microalgenkweek onderzocht als manier om CO2 vast te leggen: algen nemen kooldioxide op tijdens de fotosynthese, en door kweekinstallaties te koppelen aan de rookgassen van bijvoorbeeld een fabriek zou je in theorie uitstoot kunnen omzetten in bruikbare biomassa. Ook duurzame biobrandstof uit algen is al jarenlang een onderzoeksdoel, omdat algenolie in theorie geschikt is als grondstof voor diesel of kerosine zonder dat daarvoor voedselgewassen hoeven te wijken.
Tot slot is er een puur economische drijfveer: bepaalde stoffen uit algen, zoals de rode kleurstof astaxanthine of specifieke eiwitten, zijn met andere methoden lastig of duur te produceren, waardoor algenkweek voor deze niche-toepassingen al wel rendabel is.
Voorbeelden uit de praktijk
Bij Wageningen University & Research staat AlgaeParc, een onderzoeksfaciliteit die sinds 2010 verschillende kweeksystemen naast elkaar test onder identieke omstandigheden, van open vijvers tot buisreactoren en platte-paneelreactoren. Doel is om onafhankelijk te vergelijken welk systeem onder welke omstandigheden het meest rendabel is, informatie die bedrijven gebruiken om investeringsbeslissingen te onderbouwen.
Het Nederlandse bedrijf Corbion produceert al jaren omega-3-olie (algaeDHA) via heterotrofe fermentatie van de alg Schizochytrium, bedoeld voor gebruik in visvoer en voedingssupplementen. Corbion bouwde deze positie mede uit door in 2017 de algentak van het Amerikaanse TerraVia (voorheen Solazyme) over te nemen, nadat dat bedrijf zijn oorspronkelijke ambities op het gebied van algenbrandstof niet had kunnen waarmaken.
Veramaris, een joint venture van DSM en Evonik, opende een fabriek in Blair, Nebraska, die sinds 2019 op grote schaal omega-3-olie uit algen produceert voor de aquacultuursector, specifiek als alternatief voor visolie in zalmvoer. Dit is een van de grootste voorbeelden waarbij algenolie daadwerkelijk een bestaande grondstofketen (visolie) op industriële schaal aanvult.
Op Hawaii kweekt Cyanotech al sinds de jaren tachtig spirulina en de alg Haematococcus pluvialis in open raceway ponds, voor respectievelijk voedingssupplementen en astaxanthine, een veelgebruikte kleur- en antioxidantstof in de visteelt en cosmetica. Het is een van de langstlopende commerciële algenkwekerijen ter wereld en laat zien dat open vijverteelt voor specifieke, hoogwaardige producten al decennia rendabel kan zijn.
Minder succesvol was de zoektocht naar betaalbare algenbrandstof: grote spelers als ExxonMobil investeerden samen met het biotechbedrijf Viridos (voorheen Synthetic Genomics) meer dan tien jaar in onderzoek naar diesel uit algen, maar schroefden dit programma in 2023 fors terug omdat de kosten per liter simpelweg niet concurrerend te krijgen waren met fossiele brandstof. Dit voorbeeld laat zien dat niet elke belofte van microalgenkweek zich vertaalt in een werkend verdienmodel.
Hoe ver is de techniek?
Voor voedingssupplementen, kleurstoffen en omega-3-vetzuren is microalgenkweek een bewezen, commercieel volwassen technologie: spirulina en chlorella worden al sinds de tweede helft van de twintigste eeuw op industriële schaal geproduceerd, met China als een van de grootste producenten, onder meer in de provincie Yunnan waar grote openluchtvijvers spirulina en chlorella kweken voor de wereldmarkt.
Voor CO2-afvang en vooral voor biobrandstof ligt dat anders. Technisch is al lang aangetoond dát algen olie kunnen produceren die tot brandstof te verwerken is, maar economisch blijft het lastig: de kweek, het oogsten en het verwerken van algenbiomassa kosten simpelvoudig meer dan de marktprijs van fossiele brandstof oplevert. Meerdere grote, goed gefinancierde programma's, waaronder dat van ExxonMobil, zijn de afgelopen jaren teruggeschroefd of stopgezet nadat bleek dat opschaling naar een competitieve kostprijs niet binnen afzienbare tijd haalbaar was.
De belangrijkste technische knelpunten zijn hardnekkig: contaminatie van open vijvers door ongewenste organismen, het hoge energieverbruik van gesloten systemen, de kosten van het oogsten van verdunde algenculturen, en het risico dat een enkele slechte kweekronde een hele batch verloren laat gaan. Onderzoekers werken aan genetisch verbeterde algenstammen die sneller groeien of meer olie produceren, aan goedkopere oogsttechnieken, en aan het combineren van algenkweek met andere processen, zoals het zuiveren van afvalwater, om de kosten te delen over meerdere toepassingen tegelijk.
Kortom: microalgenkweek is geen toekomstbelofte meer voor voeding en specifieke nichetoepassingen, maar voor de grootschalige, goedkope productie van brandstof of bulkeiwitten is nog altijd niet duidelijk wanneer, of zelfs of, dat economisch haalbaar wordt.
Wie werken eraan?
In Nederland is Wageningen University & Research met AlgaeParc een van de belangrijkste kennisinstellingen op dit gebied, samen met bedrijven als Corbion en DSM-Firmenich (via de joint venture Veramaris), die beide vanuit Nederland internationaal opereren in de algenmarkt voor voeding en visvoer.
In de Verenigde Staten combineren bedrijven als Cyanotech (Hawaii) traditionele, langlopende productie met onderzoek naar nieuwe toepassingen, terwijl grote energiebedrijven zoals ExxonMobil, ondanks de terugtrekking uit de biobrandstoftak, via partners als Viridos nog altijd fundamenteel onderzoek naar algenolie financieren. Ook Franse spelers zoals Roquette hebben zich de afgelopen jaren via overnames in de algenmarkt gepositioneerd.
Op wetenschappelijk niveau wordt onderzoek naar algenkweek wereldwijd gepubliceerd in vakbladen als het Journal of Applied Phycology, en gecoördineerd via internationale netwerken zoals de European Algae Biomass Association, die Europese onderzoeksinstellingen en bedrijven verbindt. Ook de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties (FAO) volgt de ontwikkeling van algen als voedselbron, met name met het oog op wereldwijde voedselzekerheid.