Zet microbiële brandstofcellen onder spanning en je kunt er meer dan alleen elektriciteit mee maken, en dat op basis van overtollige grondstoffen als afvalwater of zelfs CO₂.

Wie energie wil halen uit biomassa, roept best de hulp van bacteriën in. Organisch materiaal vergisten om biogas te produceren is al behoorlijk ingeburgerd. Daarnaast kun je rechtstreeks elektriciteit winnen uit vergisting; in microbiële brandstofcellen waarin je de elektronen die vrijkomen bij de bacteriële afbraak van organisch materiaal via een anode aftapt. ‘Dat is interessant voor toepassingen in bijzondere omstandigheden zoals in de bemande ruimtevaart of op de zeebodem’, vindt bio-ingenieur Korneel Rabaey van de Universiteit Gent. ‘Voor de industrie is het economisch echter niet zo veelbelovend. Daarvoor is elektriciteit veel te goedkoop.’

Waardevoller

In 2005 toonden enkele wetenschappers – onder wie de Nederlander René Rozendal, inmiddels cto van waterzuiveringsbedrijf Paques – aan dat het slimmer was om de brandstofcel zelf onder spanning te zetten. Dat kost wat energie, maar het leidt tot een lagere potentiaal aan de kathode, waardoor daar waterstofgas in plaats van water en CO₂ ontstaat, wat veel waardevoller is dan elektriciteit.

Het inzicht dat bacteriën onder spanning stoffen kunnen maken waaraan ze anders niet toekomen, inspireerde nieuwe studies. Die hebben al heel wat verrassingen opgeleverd, aldus Rabaey. ‘In het begin dachten we dat we de bacteriën zouden moeten dwingen om elektronen af te geven, maar dat bleek verkeerd. Onder de juiste omstandigheden doen ze dat spontaan, want het vormt het sluitstuk van hun stofwisseling. Ook in de natuur reduceren veel bacteriën bepaalde stoffen in hun omgeving.’ Onderzoekers hopen zo hoogwaardige organische verbindingen te kunnen maken uit bijvoorbeeld afvalwater.

Het hangt er wel vanaf met welke bacteriën je te doen hebt. ‘Als je gewoon afvalwater gebruikt, moet je veel geduld hebben, want de goede bacteriën zijn daarin nogal dun gezaaid. Die vind je wel in veengebieden en ijzerroest, maar ook gewoon in het slib op de bodem van een gracht. Het voordeel van bacteriën is dat de gemeenschap evolueert, waardoor ze steeds beter worden in wat ze doen. Dat doen andere systemen niet vanzelf.’

'Bacteriën worden steeds beter in wat ze doen'

Tegelijkertijd moet je bacteriën wel in de gaten houden. Want hoewel veel wetenschappers spreken van ‘microbiële elektrokatalyse’ zijn bacteriën geen zuivere katalysator, geeft Rabaey toe. ‘Ze verbruiken namelijk een deel van de reagentia voor hun eigen groei en onderhoud, wat we onder controle moeten zien te houden.’ In ruil daarvoor kunnen bacteriën onder spanning bijvoorbeeld lastig afbreekbare stoffen elimineren, zoals nitrobenzeen en gechloreerde verbindingen. ‘Daarnaast kun je de elektronen die je wint aan de anode, aan de kathode door andere bacteriën laten gebruiken om hoogwaardige stoffen te maken, zoals alcoholen of vetzuren met zes, acht of tien koolstofatomen.’

Ook andere universiteiten werken aan dergelijke toepassingen, aldus milieutechnoloog David Strik van Wageningen Uni­ver­siteit & Research. ‘Wij gebruiken vergelijkbare systemen om langere vetzuur­ketens te produceren, met name boterzuur en capronzuur. Dat laatste kun je gebruiken als bouwsteen voor plastics of om autobrandstof te maken.’ Strik ziet dit als een geheel nieuwe vorm van landbouw. ‘Voor de milieuvriendelijke productie van tal van grondstoffen, vrij van de beperkingen en inefficiënties in het watergebruik en de fotosynthese van landbouwgewassen.’

Bronnen

Als bron van organisch materiaal denken betrokkenen in de eerste plaats aan afvalwater. ‘Dan hebben we het voor alle duidelijkheid niet over huishoudelijk afvalwater’, benadrukt Rabaey. ‘Het organische materiaal daarin is zo sterk verdund dat dat een epische strijd tegen de entropie zou worden.’ Industrieel afvalwater daarentegen bevat vaak een veel hogere concentratie aan materiaal, en de samenstelling daarvan is doorgaans beter voorspelbaar. Kunnen we petrochemie dan in de toekomst vervangen door de ontginning van afvalwater? ‘Ik vrees van niet’, grijnst Rabaey. ‘Die industrie verbruikt vandaag zo’n 5 % van de fossiele brandstoffen. Zoveel afvalwater hebben we niet.’

Een ander verhaal wordt het als je CO₂ zou kunnen gebruiken als grondstof. Daarvan is er meer dan genoeg. ‘Bovendien komt zowat de helft van de CO₂ die we uitstoten uit zogenoemde puntbronnen, zoals fabrieksschoorstenen’, legt Rabaey uit. ‘Die zouden we daar dus rechtstreeks kunnen opvangen.’ Als eerste stap in de richting van de productie van hoogwaardige koolstofverbindingen ontwierp zijn voormalige collega Sylvia Gildemyn tijdens haar doc­toraat een bio-elektrochemisch systeem waarin bacteriën onder spanning CO₂ omzetten in azijnzuur.

‘Bio-elektro­chemische systemen moeten een grote meerwaarde creëren’

‘Dat wordt simultaan geëxtraheerd,’ licht ze zelf verder toe, ‘waardoor we eindigen met een geconcentreerd product, dat je vervolgens biologisch of chemisch kunt omzetten in hoogwaardigere stoffen.’ Dat is belangrijk, benadrukt Gildemyn, want bio-elektrochemische systemen zijn duur. ‘Ze moeten dus een grote meerwaarde creëren alvorens ze te vermarkten zijn.’

Daarvoor is echter nog een aanzienlijke opschaling nodig; de huidige labsystemen hebben een inhoud van ongeveer 1 l. Ook de ontwikkeling van 3D-elektrodes zou de technologie een duw in de rug kunnen geven. ‘De omzetting naar azijnzuur in deze systemen gebeurt namelijk enkel door bacteriën die zich nabij het oppervlak van de kathode bevinden. Hoe groter die oppervlakte, hoe sneller het zal gaan’, legt Gildemyn uit. Een efficiëntere manier om waterstofgas in oplossing te brengen, zou eveneens een hele stap vooruit zijn. Dat kan eventueel door het systeem onder druk te zetten, maar ook dat maakt de technologie weer duurder.

Thermodynamica

Verder pleiten Gildemyn, Rabaey en Rozendal er in een recent artikel in Trends in Biotechnology voor dat wie nieuwe toepassingen wil ontwikkelen, eerst de thermodynamica daarvan moet doorrekenen. ‘Zo nu en dan verschijnen er wetenschappelijke artikelen met opzienbarende resultaten die thermodynamisch onmogelijk zijn, bijvoorbeeld omdat ze schijnbaar meer energie opleveren dan erin zat’, legt Rabaey uit. ‘Daarnaast zijn er hoogoplopende discussies over de rol van waterstofgas bij het transport van elektronen tussen de bacteriën en de elektrode. Volgens mij zijn die het gevolg van een onderschatting van de zeer lage concentraties waarbij dat gas al een rol kan spelen.’

De potentiaalverschillen berekenen tussen bacteriën, elektrodes en opgeloste stoffen brengt dan raad. Rabaey en Gildemyn gebruiken daarvoor het Growth Reference System, dat Sef Heijnen ontwikkelde aan de Technische Universiteit Delft. ‘Dat stelt niet de potentiaal van de meest stabiele vorm van de elementen gelijk aan nul, maar wel die van de eindproducten van de bacteriële stofwisseling. Dat vereenvoudigt de berekening sterk, legt Rabaey uit. ‘Zo wordt de bacterie de maat der dingen, en kunnen we op voorhand niet alleen beter inschatten welke reacties mogelijk zijn, maar ook of ze zinvol zijn. Leveren ze echt meer energie op dan we erin stoppen?’