Er zijn honderdduizenden soorten microalgen, tussen de 0,001 en 0,05 mm groot. Ze bevatten al gauw enkele tientallen procenten olie, wat in de toekomst mogelijk brandstof zal opleveren. Ook zijn micro-algen een bron van eiwitten: tot 70 procent. Tevens bevatten ze veel gezonde omega-3 vetzuren. Bovendien bevatten ze tal van koolhydraten, vitamines, mineralen en antioxidanten. En zijn ze bruikbaar in visvoer. Tenslotte zijn in algen al meer dan 15.000 chemische verbindingen ontdekt: die zijn inzetbaar als grondstof voor onder meer kleurstoffen (bijvoorbeeld in blauwe Smarties) en bioplastics. Op langere termijn komen eveneens farmaceutische producten in beeld.
Duwtje in de rug
Wereldwijd wordt slechts 11.000 tot 15.000 ton droge stof aan microalgenbiomassa geproduceerd. Bert Lemmens, projectmanager bij VITO (Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek): ‘Het betreft een vicieuze cirkel. Door de geringe productie zijn microalgen, en producten eruit, vaak nog relatief duur. Aan de andere kant zijn er een aantal bedrijven die technologie leveren om ze massaal te kweken, maar zij vinden daarvoor nog weinig klanten omdat de micro-algensector vooralsnog klein is. Net om de overgang naar grootschalige productie een duwtje in de rug te geven, begonnen we demonstratieproject Sunbuilt.’
In dat project gaan VITO en Hogeschool Thomas More vier fotobioreactoren (samen 100 m2) bouwen. Het begon in oktober 2011, en de pilootinstallatie zal normaal gezien af zijn in september 2014. Het heeft een budget van 1.200.000 euro ingebracht door EFRO (Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling), Hermesfonds, provincie Antwerpen, nv Tormans, Hogeschool Thomas More en VITO.
Hoogwaardige producten
Sunbuilt moet leiden tot de kweek van nieuwe soorten algen met betere eigenschappen, tot betere kweekmethodes, milieuvriendelijke extractie en opzuivering van hoogwaardige componenten. De projectpartners leggen de nadruk in eerste instantie op het winnen uit algen van hoogwaardige producten, omdat het economische plaatje daarvoor op dit moment het mooist oogt. Meer bepaald denken ze aan nutraceuticals, met name voedingssupplementen voor mens en dier. In dat geval zijn de algen in hun geheel toe te passen, zonder al te veel behandelingen. Ook streven de partners ernaar om chemicaliën te winnen, zoals kleurstoffen, plantenhormonen, fungiciden. Welke precies interessant zijn, moet onderzoek uitwijzen.
Vier factoren
Microalgen verbouwen is een kunst. Vier factoren moeten VITO en Hogeschool Thomas More zo goed mogelijk regelen: lichtintensiteit, water (zoet, brak of zout), temperatuur en een juiste hoeveelheid van- en balans tussen nutriënten zoals stikstof, fosfor, kalium, magnesium en calcium. Tenslotte bouwen de meeste microalgen hun suikers op uit CO2 en water, en daarbij produceren ze O2. Dat moet worden afgevoerd, te hoge O2-concentraties remmen namelijk de algengroei. Om die groeifactoren te regelen, rusten de projectpartners de pilootinstallatie uit met meetsystemen, voorzien ze een nauwkeurige temperatuurregeling en een systeem dat de gasuitwisseling bevordert, net als één dat nutriënten toedient. Telkens gaan daarbij de onderzoekers na of automatisatie mogelijk is. Lemmens: ‘Veel van die systemen bestaan reeds voor serres in de tuinbouwsector en in de hydrocultuur. Dat zijn domeinen, waarin Hogeschool Thomas Moore veel ervaring heeft. Daarom neemt ze dat deel van het project voor haar rekening.’
Waterhergebruik cruciaal
In het labo kweken de onderzoekers de algen op, vanaf proefbuisniveau tot enkele liters. Daarna enten ze die in een reactor van 60 liter. De cultuur daaruit doet dienst als entmateriaal van de fotobioreactoren. De algen komen er voor in concentraties van twee gram droge stof (DS) per liter. Dit betekent dat 99,8 procent van de oogst van de fotobioreactoren uit water bestaat. Lemmens: ‘Als je duurzaam en kostenefficiënt wil kweken, moet je water hergebruiken.’
Daarop zetten de projectpartners dan ook zwaar in: VITO creëert een kringloopsluiting van het kweekmedium (water, nutriënten en algen). Om die te verwezenlijken, bestaat de oogstinstallatie uit een combinatie van centrifugatie en membraanfiltratie. ‘Dat is nieuw in de microalgensector’, verduidelijkt Lemmens. Voor de membranen denken de onderzoekers vooral aan VITO’s eigen, gepatenteerde IPC- (‘Integrated Permeate Channel’-) polymeermembranen. Na de membranen gaat het water door een (lamellen)centrifuge, zodat de onderzoekers uiteindelijk een hoog drogestofgehalte bereiken (15-25 producent). Het water dat is afgescheiden na de membraanfiltratie, is vrij van zwevende stoffen, bacteriën en schimmels en is daardoor makkelijker te herbruiken. Het bevat ook nog wat nutriënten, die dus eveneens minder verloren gaan.
Disruptie… en meer
Afhankelijk van het type alg en het te winnen product zal de downstream processing er anders uitzien. Daarom is die modulair opgevat om de flexibiliteit te verhogen. Een deel van de downstreamverwerking is alvast de ‘celdisruptie’: cellen openbreken om er daarna de waardevolle componenten uit te halen. Lemmens: ‘We streven naar een – zelf ontwikkelde – milde celdisruptie die minder kwalijke neveneffecten heeft, zoals denaturatie van het gewenste product. Ook maakt dat de scheiding makkelijker.
De downstreamverwerking impliceert ook een energie-intensieve droogstap. VITO kiest voor lyofilisatie (vriesdrogen), een techniek waarbij water uit een product wordt verwijderd door het eerst te bevriezen en dan in zeer droge lucht of in vacuüm te laten verdampen (onder meer melkpoeder wordt zo geproduceerd). Die technologie zou een betere productkwaliteit opleveren.
Tenslotte is er de extractie. De onderzoekers willen daarvoor bij voorkeur werken met milieuvriendelijke solventen (zoals scO2: superkritisch CO2 ), al zijn desnoods klassieke solventen (zoals hexaan en methanol) mogelijk.
Miracles
Het Sunbuilt-project is zodanig opgezet dat nieuw toetredende partijen welkom zijn. ’Als bedrijven bepaalde zaken willen laten onderzoeken, zullen ze dat kunnen op de Sunbuilt-installatie: denk maar aan kweek, opzuivering, nagaan of een bepaald product eruit te winnen is, checken van de economische haalbaarheid et cetera’, aldus Lemmens. ‘Trouwens, na september 2014 volgen nieuwe projecten samen met de industrie. Eén is intussen reeds van start gegaan: het Europese project Miracles, met de Wageningse Universiteit als coördinator.’
Miracles duurt vier jaar en omhelst 13 kennisinstellingen en 13 industriële partners (zoals Unilever). De onderzoeksactiviteiten focussen er vooral op het ontwikkelen van nieuwe en bioactieve proteïnen, bioprospectie, en het verkrijgen van nieuwe marine grondstoffen met microalgen als basis.
