Microbiële elektrosynthese (MES) gebruikt bacteriën en elektriciteit om CO₂ om te zetten in koolstofhoudende verbindingen, waaronder organische zuren. Daarmee biedt de techniek een veelbelovende aanpak voor een meer duurzame productie van chemicaliën. Het probleem zit vooralsnog in de terugwinning van de gevormde producten. ‘Het gebruik van hernieuwbare elektriciteit maakt van MES in principe een duurzame methode’, zegt biotechnoloog Adrie Straathof van de TU Delft. ‘Maar als de downstreamverwerking vervolgens niet duurzaam is, heb je er alsnog weinig aan.’ 

Een team onder leiding van Straathof en collega-biotechnoloog Ludovic Jourdin heeft nu een geïntegreerd MES-adsorptie-desorptie-distillatiesysteem ontwikkeld voor de duurzame productie van zuiver capronzuur, ook wel hexaanzuur, uit CO₂. Tijdens de downstreamverwerking recycleerden de onderzoekers de overige carboxylaten die door MES waren gevormd. Hierdoor wisten ze een opbrengst van meer dan 99 procent zuiver capronzuur te behalen. Capronzuur is in de industrie belangrijk voor de aanmaak van vele producten, waaronder antimicrobiële middelen en ingrediënten voor diervoeding.  

Straathof: ’Wij laten nu zien dat de productie van capronzuur op een schone, koolstofneutrale manier mogelijk is.’ Jourdin vult aan: ‘Door MES met selectieve terugwinning te integreren, ontwikkelen we de technologie verder richting concrete toepassingen.’ 

Selectieve hars 

Waar conventionele elektrosynthese doorgaans CO₂ omzet in kleine C1- en C2-moleculen, weet MES complexere, langere ketens te produceren. Dat doet de techniek met behulp van levende micro-organismen, die zich aan een van de elektroden hechten en elektronen opnemen, waarna ze chemicaliën bouwen uit CO2. Hierbij produceert MES onder andere C2-, C4- en C6-carboxylaten, met C6 als geconjugeerde base van capronzuur. ‘Het probleem is dat al deze verbindingen in dezelfde vloeistof zitten’, zegt eerste auteur Mungyu Lee. ‘Daarom moesten we op zoek naar een selectieve methode om C6 uit het mengsel te halen.’  

Hiervoor grepen de onderzoekers terug op eerder onderzoek uit de groep van Straathof, waarin ze een anionwisselingshars presenteerden die geschikt bleek voor de selectieve terugwinning van C6 en C7 uit geco-fermenteerd organisch afval. Lee optimaliseerde de inzet van deze hars in adsorptie/desorptie, en liet na vele experimenten zien hoe het gebruik van CO₂-geëxpandeerde methanol – een duurzame variant die gemaakt is van afgevangen CO₂ en waterstof – voor desorptie de selectiviteit van het proces met een factor 13 wist te verhogen. 

Recycleren 

Door distillatie van het gedesorbeerde mengsel kan volgens simulaties van de onderzoekers in een enkele passage een zuivere capronzuurconcentratie van 67 procent behaald worden. Nadat ze de overige carboxylaten terugcirculeerden naar de MES-reactor bereikten ze een uiteindelijke concentratie van meer dan 99 procent. Jourdin: ‘Aangezien MES een relatief simpel medium gebruikt, liet het ons toe om niet-teruggewonnen C2- en C4-carboxylaten te recycleren, waarbij de bacteriën ze verder omzetten naar C6 en de terugwinning hiervan verhogen.’ 

‘De grootste uitdaging hierbij was het integreren van de twee verschillende technologieën, MES en adsorptie/desorptie’, zegt Lee. ‘Zo zijn sommige chemicaliën zeer belangrijk voor MES, maar gelden ze als een limiterende factor in de downstreamverwerking. Deze vraagstukken pakten we aan met sterke communicatie tussen de verschillende onderzoeksgroepen, om zo alle expertises samen te brengen.’ 

Opschalen 

In het hele proces vereist MES het grootste deel van de totale energiebehoefte, namelijk 90 procent, om de microbiële productie aan te drijven. ‘Als volgende stap gaan we dit verbruik verlagen’, zegt Jourdin. ‘Zo willen we proberen om de reactor energiezuiniger te maken.’ 

Om hun technologie daarnaast op te schalen naar industriële volumes werken de onderzoekers samen met het Wageningse bedrijf Greencovery, dat hun onderzoek ook financieel steunde. Jourdin: ‘Greencovery werkt aan het opschalen van adsorptie/desorptie, bijvoorbeeld in de voedingsindustrie om nevenproducten terug te winnen. Door de samenwerking leren wij hier veel over.’ 

Een concrete stap waar de onderzoekers ondertussen al aan werken, is het modelleren van de adsorptie op een industriële schaal. Straathof: ‘Dit koppelen we aan een economisch model dat de beste uitkomst voor afwegingen tussen opbrengst en selectiviteit moet vinden. Daarmee zoeken we naar het economisch optimum.’  

Mungyu Lee, et al., Sustainable production of pure hexanoic acid from CO₂ using microbial electrosynthesis with in-situ product recovery, Chemical Engineering Journal (2025), doi:10.1016/j.cej.2025.169412