Energiezuinig en kostenefficiënt oogsten, kraken en extraheren van biochemicaliën uit stugge microalgen blijft lastig. Bioprocestechnologen grijpen naar nieuwe (oplos)middelen en procesintegratie om meer grip op de productieketen te krijgen.

‘Biobrandstoffen, daarmee is de algenhype in de VS tien jaar geleden begonnen. Europa ging iets realistischer te werk’, stelt biotechnoloog Corjan van den Berg, themaleider biorefinery van het AlgaeParc Wageningen. Microalgen waren het landbouwgewas van de toekomst voor groene en duurzame energie. Die organismes groeien snel, hebben alleen CO₂ en zonlicht nodig en leggen geen beslag op landbouwgrond. Maar de productie en de verwerking waren duur en vergden nog veel onderzoek en ontwikkeling.

‘Momenteel zie je voornamelijk bedrijven die geïnteresseerd zijn in microalgen omdat zij hoogwaardige visoliën, oftewel omegavetzuren, en interessante kleurstoffen bevatten, zoals het blauwe fycocyanine, en een heel goede bron van eiwitten zijn’, vertelt Van den Berg. ‘Sommige microalgen bestaan voor 50 % uit eiwit, waarvan een belangrijk deel het wateroplosbare eiwit rubisco.’ Rubisco is interessant voor de voedingsindustrie, bijvoorbeeld als emulgator of als bind- of plakmiddel. Het geleert namelijk drie keer zo goed als een ei-eiwit.

Mild openbreken

De afgelopen tien jaar is volgens Van den Berg vooral gekeken hoe algen zo energie-efficiënt mogelijk open te krijgen zijn met apparaten als kogelmolens en hogedruk-homogenisatoren. Dat is gelukt. Het energieverbruik is met een factor twintig gedaald naar 0,5 kWh/kg. ‘Nu zitten we met een ander probleem. Als je microalgen kraakt en verbrijzelt, komen er veel kleine deeltjes vrij. Een groot gedeelte daarvan is kleiner dan 0,1 µm. Die geladen of zeepachtige deeltjes stabiliseren de dispersie, waardoor je de moleculen – vetten, eiwitten en koolhydraten – met de standaardisolatietechnieken lastig uit elkaar kunt trekken.’

Van den Berg kijkt daarom nu naar methodes om de algen energiezuinig én mild open te breken. Een manier om de stugge, harde celwand te verzwakken is er enzymen op los te laten of andere micro-organismes toe te voegen die deze enzymen produceren. ‘Schimmels kunnen heel goed koolhydraten afbreken. We kijken daarvoor in samenwerking met het Westerdijk­instituut naar waterschimmels. Die verzwakte algencel kun je dan vervolgens met milde kraaktechniek, zoals pulsed electric field, openbreken. Door het hoge elektrische veld perforeer je het celmembraan.’

Showstopper

Volgens Serge Tavernier, hoogleraar fysische chemie van de onderzoeksgroep BioGEM van de Universiteit Antwerpen, zijn de energiekosten van het oogsten momenteel een showstopper. ‘Wanneer je dat onder controle hebt, gaan er wel wat deuren open. Enkele grammen zwevende algendeeltjes oogsten per liter kost via centrifugeren of filtreren heel veel energie. Bovendien willen we de algen heel houden voor andere toepassingen, zoals voedsel voor vislarfjes. Daarom hebben we een zachte en energiezuinige methode ontwikkeld waarop we nu octrooi hebben aangevraagd.’ Meer wil Tavernier hier nog niet over kwijt. Behalve dat het belangrijk is het groeimedium niet te bezoedelen, zodat je het kunt hergebruiken; een andere kostenbesparende stap in het verwerkingsproces.

‘We willen de algen heel houden voor andere toepassingen’

De groep van Tavernier probeert tevens een energiezuinige technologie te ontwikkelen om te kraken. Dit om kosten te besparen en te voorkomen dat de temperatuur te veel stijgt, waardoor eiwitmoleculen degenereren. Via osmotische effecten wil hij de alg spontaan laten openbarsten, of met ultrasound, of door beide technieken te combineren. Bij ultrasound gaat het om het maken van microcaviteiten die ver­volgens inklappen. De schokgolf die hierbij vrijkomt, schudt een naburige algencelwand flink door elkaar, zodat hij openbarst.

Omdat microalgen voortdurend groeien, is continu oogsten en verwerken essentieel, meent hoogleraar aquatische biologie Koenraad Muylaert van de KU Leuven. Hij werkt aan een proces om algen goedkoper en efficiënt te oogsten en gelijk te kraken. Daarvoor wil hij de algen eerst laten samenklonteren tot grotere deeltjes of vlokken die makkelijker uit het water te halen zijn. ‘We zoeken naar een chemische stof die niet giftig is of die je achteraf weer makkelijk uit de biomassa haalt. Door een oppervlakteactieve stof toe te voegen die algen flocculeert en tegelijk de celwand kapotmaakt, proberen we nu een algenpasta te produceren die direct de opwerking in kan.’ Daarvoor gebruikt hij nanomaterialen gebaseerd op cellulose waarop verschillende functionaliteiten zijn aangebracht, bijvoorbeeld een lading die zorgt voor flocculatie en een chemische groep die zorgt voor celdisruptie.

Extractie en isolatie

Om oliën en vetten uit de groene slurry te halen, is volgens Van den Berg extractie met hexaan of ethanol de klassieke procestechnologische aanpak. Maar die z ijn toxisch. ‘Wij kijken naar nieuwe oplosmiddelen, de zogenoemde deep eutectic solvents, DESs, om oliën uit microalgen te extraheren.’ DESs zijn gemaakt van twee vaste stoffen waarvan het mengsel bij kamertemperatuur vloeibaar is, vergelijkbaar met ionische vloeistoffen. Alleen zijn DESs heel goed te maken uit goedkope natuurlijke stoffen, bijvoorbeeld de combinatie van suikers en zuren, zoals glucose en appelzuur.

‘We onderzoeken hoe je die oplosmiddelen zo goed mogelijk in contact kunt brengen met de geoogste microalgen om de oliën er direct uit te extraheren. Dan hoef je ze niet eens kapot te maken’, zegt Van den Berg. Het liefst haalt hij eerst de eiwitten uit de algenstroom via waterige extractie. Eiwitten zijn gevoeliger voor temperatuur en pH, en kostbaar. ‘Daarna kun je allerlei technieken uit de kast trekken om andere stoffen te extraheren.’

Voor isolatie van algenolie heeft ook superkritisch CO₂ de warme belangstelling van de bioprocestechnologen. Verder zetten ze membraanfiltraties in om moleculen op grootte te scheiden of te ontzouten na waterige extracties.

Te veel variabelen

Welke technieken de beste combinatie vormen, hangt geheel af van de algensoort en het gewenste eindproduct. Daarvoor is geen vaste formule. ‘Je moet je niet blindstaren op de energiekosten van oogsten en kraken en die optimaliseren. Het zijn hevelende vaten, de hele keten moet kloppen’, verzucht Van den Berg. Wat zijn Vlaamse collega’s beamen.

‘Er zijn veel variabelen, eigenlijk een beetje te veel. De eindgebruiker moet heel goed weten wat hij wil. Dat is niet altijd het geval. Daarom hebben wij een multidisciplinaire project opgezet’, zegt bio-engineer Leen Bastiaens van de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO). Zij is coördinator van het Europese NWE-Inter­regproject IDEA, dat de ontwikkeling en de implementatie van de hele waardeketen rondom industriële algenkweek in Noord­west-Europa onder de loep neemt.

‘Je moet je niet blindstaren op energiekosten’

‘We hebben een aantal stammen geïdentificeerd die in ons klimaat goed groeien buiten of in de kas. We willen algensets samenstellen die met de seizoenen meedraaien: een zomer-, winter- en tussenseizoens­alg.’ Het gaat dan om snelle groeiers zoals Spirulina, Nannochloropsis, Chlorella, Porphyridium, Scenedesmus en Synechocystis. Met de standaardkraak- en isolatietechnieken produceren we voor die algensoorten een aantal ruwe fracties die we karakteriseren en laten testen. We zijn nu volop bezig die extracten chemisch te karakteriseren en de functionele eigenschappen te bepalen, zoals schuimvermogen of verdikkingscapaciteit.’

Binnenkort volgt er een open call waarbij het IDEA-project gekarakteriseerde fracties beschikbaar stelt aan bedrijven in ruil voor de resultaten. Zo kunnen ook bedrijven die geen deel uitmaken van het project meedoen en de algenstoffen testen voor hun applicaties.