Trends en praktijk-onderzoek op het gebied van mariene en aquatische biomassa

Algen vormen de basis van verschillende voedselketens. Zij bevatten eiwitten, mineralen, vitaminen, lipiden, polysacchariden, pigmenten en fytohormonen. Hun samenstelling is zo divers dat ze geschikt zijn voor een breed scala van toepassingen, van biobrandstoffen en biomaterialen tot bioplastics; en van meststoffen of afvalwaterbehandeling tot cosmetica, levensmiddelen, diervoeders en zelfs geneesmiddelen. Omdat ze even gemakkelijk zijn te telen als landbouwgewassen, maar weinig water en land verbruiken, zijn ze uiterst efficiënt. Bovendien absorberen ze CO₂.

Tiago Guerra, CEO van de Portugese start-up Algikey, gelooft dat algen een oplossing zijn voor veel problemen en zou graag zien dat de productie ervan wordt geïndustrialiseerd. Algikey verzorgt de selectie en commercialisering van microalgen en algenproducten, van biomassa tot eindproduct, en stroomlijnt daarbij de verbinding tussen producenten en afnemers.

Guerra signaleert verschillende trends. Zo worden algen steeds vaker gebruikt in de voedingsmiddelen- en diervoederindustrie met als doel de huidige grondstoffen te vervangen door alternatieven die duurzaam, hernieuwbaar en veilig zijn, maar ook betere eigenschappen bieden voor de ontwikkeling van geheel nieuwe producten. “Denk aan de vervanging van soja-eiwitten. Algen kunnen tot 60% uit eiwitten bestaan en bevatten veel (essentiële) aminozuren. Ze kunnen visolie vervangen als veganistische bron van omega-3 vetzuren die ook de druk op de ‘wilde’ visserij vermindert. DHA-algenolie is reeds op grote schaal beschikbaar en wordt alom geaccepteerd. In feite is de vraag naar EPA uit algen momenteel groter dan het aanbod. Algenolie kan ook een alternatief zijn voor de veelgebruikte palmolie en zo helpen ontbossing tegen te gaan.”

Veel voordelen

Er zijn veel voordelen verbonden aan het gebruik van algenbiomassa in veevoer en voeding: ze verbeteren het welzijn van de veestapel, verminderen de uitstoot van methaan, maken de productie van plantaardige vlees- en visaroma’s mogelijk en kunnen worden gebruikt als natuurlijke kleurstoffen. “Er zijn echter ook beperkingen, zoals de GRAS en de Novel Foods wetgeving in de VS en Europa, de nog relatief kleine schaal van productie en de relatief hoge prijzen die daarmee gepaard gaan. Zij beperken het gebruik tot gespecialiseerde voeders en voedingsmiddelen.”

Brede toepassingen voor algen zijn ook te vinden in de nutraceutische en nutricosmetische industrie, zoals vitamine- en mineralensupplementen en antioxidanten. Deze zijn gericht op het verbeteren van het welzijn van de consument, die ze kan gebruiken voor spierherstel, gewichtsverlies, ondersteuning van de spijsvertering en immuunrespons.

“Industriële cosmeticabedrijven gebruiken algen ook omdat ze op zoek zijn naar natuurlijke, duurzaam geproduceerde moleculen en pigmenten van hoge kwaliteit voor spabehandelingen, huidverzorgingsproducten met verbeterde UV-bescherming en voor stevigheid en zachtheid van de huid, naast natuurlijke kleuren voor make-up. Farmaceutische bedrijven zijn bijzonder geïnteresseerd in algen als een nieuwe industriële bron van natuurlijke moleculen die kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling en toepassing van geneesmiddelen.”

Waterbehandeling

Een heel andere trend is het gebruik van algen voor (afval)waterzuivering. Vanuit het perspectief van de circulaire economie is dit belangrijk omdat het bijvoorbeeld kunstmestproducenten in staat stelt om nutriënten als stikstof en fosfor uit water terug te winnen, met een lage CO₂-uitstoot. Ook kunnen waterrecyclingbedrijven algen inzetten om water op een duurzame en energiezuinige manier te reinigen, waarbij de algen CO₂ uit de omliggende industrie afbreken. Naast schoon water komen ook nevenstromen als biobrandstoffen en meststoffen beschikbaar. Dit kan de bouw van grote productiefaciliteiten zeer rendabel maken, aldus Gabriel Acien. Hij is hoogleraar chemische technologie aan de Universiteit van Almeria in Spanje en vice-voorzitter van de European Algae Biomass Association (EABA). In het SABANA-project heeft hij gewerkt aan de terugwinning van nutriënten uit afvalwater met behulp van microalgen.

SABANA staat voor Sustainable Algae Biorefinery for Agriculture aNd Aquaculture. Het behelst de ontwikkeling van een grootschalige geïntegreerde bioraffinaderij op basis van microalgen voor de productie van biostimulanten, biopesticiden en voederadditieven, naast biofertilizers en aquafeeds, waarbij uitsluitend gebruik wordt gemaakt van zeewater en nutriënten uit afvalwater (rioolwater, centraat en varkensmest).

In een Europees consortium met tien partners uit Spanje, Duitsland, Tsjechië, Italië en Hongarije is tussen 2016 en 2021 onderzoek gedaan. In totaal werd 7 hectare aan bioraffinagefaciliteiten gerealiseerd. Professor Acien: “Onze conclusie na vier jaar is dat we hebben kunnen aantonen dat het mogelijk is om microalgenbiomassa te produceren in combinatie met waterzuivering. We hebben ook de prestaties van de geproduceerde biomassa gemeten in veldproeven. We stelden vast dat het systeem stabiel is gedurende het hele jaar. Het is in staat om grote schommelingen in temperatuur en zonnestraling op te vangen. De kwaliteit van de biomassa is uitstekend voor gebruik als biostimulant in de landbouw.”

Uit verschillende tests in samenwerking met boeren is gebleken dat de biostimulanten op basis van algen een positief effect hebben op de wortelgroei van planten, waardoor deze voedingsstoffen beter kunnen opnemen. “Hierdoor kan de boer tot 20 procent minder kunstmest gebruiken. Tegelijkertijd verbeterde de tolerantie van de plant tegen stressomstandigheden en waren de planten in staat om meer vruchten te dragen, zelfs in de koelere winterperioden. Bovendien bleken de planten beter bestand tegen ziekteverwekkers. We onderzoeken nog of dit komt doordat biostimulanten werken als biopesticiden, of dat ze het immuunsysteem van de planten versterken zodat ze zichzelf beter kunnen beschermen. Tot slot waren we verheugd dat we konden aantonen dat het systeem ook op grotere schaal werkt.”

Duurzame technologie

Met deze technologie kan tot 1.000m3 afvalwater per dag worden behandeld op een terrein van één hectare. In vergelijking met conventionele waterzuivering levert dit een besparing op van 106.800 kWh per jaar, genoeg om 20 huishoudens het hele jaar van stroom te voorzien. Daarnaast wordt 13.000 kilo biomethaan geproduceerd (genoeg om 22 auto’s 15.000 kilometer per jaar te laten rijden) en 40-60 ton biomassa. Acien: “Het is hoe dan ook een duurzame technologie. We laten zien dat het werkt in installaties op echte schaal, in echte steden, niet onder toezicht van wetenschappers, maar met gewone mensen.”

Nu dit circulaire concept in de praktijk is bewezen, is het resterende knelpunt de regelgeving. Die staan niet toe dat biomassa uit afvalwater wordt gebruikt voor de teelt van voedselgewassen. “We hebben de niveaus van ziekteverwekkers, zware metalen etc. in de algenbiomassa gemeten”, zegt Acien. “Die zijn laag en vergelijkbaar met andere stoffen die in de landbouw mogen worden gebruikt. We moeten de ontwikkeling van dergelijke commerciële toepassingen aanmoedigen en er bij de Europese Commissie op aandringen om de regelgeving hierover aan te passen.”

Groenere materialen

Duurzaamheidsvoorschriften zijn één van de drijfveren voor de initiatiefnemers van het door BBI gefinancierde Multi-Str3am demonstratieproject om een concept te ontwikkelen voor de productie van groenere materialen. Er moet gezocht worden naar alternatieven voor bijvoorbeeld microplastics of stoffen die schadelijk zijn voor het milieu. Ook de consument vraagt hierom. De industrie moet daarom op zoek naar nieuwe grondstoffen en bouwstenen voor duurzamere producten.

Dit biedt kansen voor algenbiomassa, toch blijft deze bron onderbenut. “Dat komt vooral omdat algenbiomassa nog niet op bulkschaal beschikbaar is en daardoor vooralsnog relatief duur is”, verduidelijkt Luis Costa van Algae4Future (A4F), een van de acht consortiumpartners in het project.

“Het Multi-Str3am-project wil die belemmeringen wegnemen. In de eerste plaats door meerdere algenstammen te verbeteren om de productiviteit te verhogen en beter aan te sluiten bij de vraag van eindgebruikers. Vervolgens kijken we naar het verbeteren van de efficiëntie van kweek- en oogsttechnologieën, de mogelijkheden voor het gebruik van nevenstromen uit de industrie (en onze eigen productie) tijdens de kweek, het combineren van technologieën en het valoriseren van alle fracties van de biomassa (een zero waste aanpak).” Het resultaat moet een duurzame microalgen bioraffinaderij zijn die industriële nevenstromen integreert om met meerdere stammen en meerdere methoden meerdere hoogwaardige producten te maken voor voeding, diervoeder en geurstoffen.

Het project heeft inmiddels een aantal extracten opgeleverd die carotenoïden, omega-3-vetzuren, eiwitten en het blauwe pigment fycocyanine bevatten. Ook is de regelgeving voor levensmiddelen, diervoeders en geurstoffen in kaart gebracht. Voorts wordt gewerkt aan een levenscyclusanalyse (LCA) en de ontwikkeling van communicatie-instrumenten. Uiteindelijk moet dit alles leiden tot alternatieve, duurzame producten die door industrieën in de EU kunnen worden geproduceerd, met gebruikmaking van nevenstromen, minder afval, minder emissies en minder land- en watergebruik.

Concurrentie

De vraag blijft of er bij het gebruik van algenbiomassa concurrentie zal ontstaan tussen biomassa voor voedsel en biomassa voor materialen. Gabriel Acien denkt van niet: “De productie van een kilo algenbiomassa van hoge kwaliteit voor voedseltoepassingen kost momenteel tussen de 5 en 20 euro. Om de markt voor biomaterialen te penetreren, moet de kostprijs onder de 1 euro per kilo zakken.” Luis Costa voegt daaraan toe: “Er ontstaat geen concurrentie, integendeel. Algenbiomassa kan groeien op marginale gronden, en daar zijn er veel van in Europa. Dit zijn gronden waar nu geen landbouwgewassen groeien. Dankzij algenproductie kunnen we daar eiwitten en groenten telen, wat met conventionele landbouw onmogelijk zou zijn.”

Zie ook: