Industriële puntbronnen van CO2 lenen zich uitstekend voor carbon capture & utilization-toepassingen, oftewel CCU. Broeikasgas kan omgezet worden naar hoogwaardige (basis)chemicaliën in biologische processen. Met een gloednieuwe, unieke hogedrukfermentor onderzoekt VITO hoe die processen geoptimaliseerd kunnen worden.
De bioreactor of ‘fermentor’ die VITO op maat heeft laten maken en die een jaar geleden werd geïnstalleerd, oogt imposant. De installatie is voorzien van stoom-, gas- en persluchtleidingen, sensors, ventielen, staalafnamesystemen. Alle relevante randapparatuur is aanwezig om te kunnen meten en sturen wat er binnenin de reactor gebeurt. Daarin vindt zuivere biochemie plaats: gassen als CO2 en waterstof maar ook zuurstof, methaan of syngas zijn de grondstoffen van een fermentatieproces dat wordt uitgevoerd door gespecialiseerde bacteriën. Daaruit komen producten voort die gebruikt kunnen worden in de chemische industrie – waar ze een alternatief vormen voor fossiele chemicaliën uit aardolie en aardgas.
De microbiologische omzetting gebeurt in de vloeistoffase, terwijl de reagentia in gasvormige toestand worden geïnjecteerd. ‘De gassen die we gebruiken zijn doorgaans weinig oplosbaar, waardoor de transfer van gas naar vloeibare fase moeizaam verloopt’, vertelt Heleen De Wever van VITO. ‘Daardoor gaat ook de omzetting door de bacteriën heel traag.’ Dat is behalve een chemischtechnisch ook een economisch probleem, want de fermentatie van CO2 of andere gasvormige reagentia moet efficiënt genoeg kunnen gebeuren om als bruikbaar klimaatvriendelijk alternatief te kunnen worden ingezet in de industrie.’
Unieke bioreactor voor een snellere fermentatie
En dus voeren de procesingenieurs van VITO de druk in de bioreactor op, waardoor de gassen makkelijker oplossen en waardoor het fermentatieproces wordt versneld. In meer traditionele (glazen) labofermentoren is de maximale druk sterk gelimiteerd. Mede daarom liet VITO een unieke hogedrukfermentor maken, op basis van haar eigen ontwerp. De financiering daarvoor kwam van het Europese BioRECO2VER-project*, waarin de technische haalbaarheid wordt onderzocht van energieefficiënte en duurzame biochemische omzettingen van CO2 naar chemische bouwstenen. Met de nieuwe installatie kan VITO uitgebreid de invloed van verschillende parameters zoals druk, temperatuur en samenstelling en dosering van de gasfase op de fermentatie onderzoeken. De gebeurt quasi in real time. Met een online gaschromatograaf kunnen continu stalen van de gasfase worden genomen, waarna de samenstelling daarvan desgewenst meteen kan worden bijgestuurd. Ook andere metingen gebeuren online. ‘De maximale druk in de bioreactor bedraagt 10 bar, waardoor de installatie een ongelooflijke flexibiliteit toelaat’, zegt Wouter Van Hecke van VITO. ‘Zo kunnen we de fermentatie in alle mogelijke omstandigheden onderzoeken. We kunnen ook gebruik maken van de meest uiteenlopende gasmengsels die worden aangeleverd door bedrijven.’ Verder beschikt de hogedrukfermentor ook over membraanfilters waarmee de hoeveelheid micro-organismen in de reactor kan worden verhoogd. ‘Dit is belangrijk om het proces te versnellen en efficiënter te maken.’ VITO wil onder meer beter zicht krijgen op het effect van druk op de fermentatie. De Wever: ‘Op dit moment worden gasfermentaties nog te vaak gekarakteriseerd door lage productiviteit en lage productconcentraties. Door de druk en bijgevolg de massatransfer van gas naar vloeistof te verhogen, hopen we deze parameters te verbeteren.’ Anderzijds mag de druk ook niet te hoog worden want dan gaan bacteriën vaak slechter presteren. ‘Gaat de fermentatie ook tien keer sneller als je de druk met een factor tien verhoogt? Dat is helemaal niet zeker. Het antwoord kan sterk afhangen van andere voorwaarden, en van het metabolisme van de gebruikte bacteriën.’
Hoogtechnologisch platform voor onderzoek naar brede waaier productiegassen
De hogedrukfermentor is de laboschaal ver voorbij. ‘Het is een prototype dat enkele onderzoeksvragen kan beantwoorden vooraleer hij verder opgeschaald wordt naar industrieel niveau’, zegt Van Hecke. ‘Zijn omvang en complexiteit zijn nodig omdat ons onderzoek grotendeels fundamentele vragen wil beantwoorden: we bestuderen processen in detail en trachten deze te optimaliseren op basis van de bekomen inzichten. Daarvoor willen we zoveel mogelijk online metingen en sturingsmogelijkheden hebben.’
Drukfermentoren zijn logischerwijze duurder in aanschaf dan conventionele fermentoren. De trade-off tussen de verhoogde massatransfer en de hogere investeringskosten is één van de onderzoeksvragen die VITO de komende maanden en jaren wil beantwoorden. ‘Maar door haar fundamentele karakter kan onze installatie ook antwoorden leveren over processen die plaatsvinden in andere soorten reactoren waarin gasomzettingen plaatsvinden.’ Zo beschikt VITO over een uniek hoogtechnologisch onderzoeksplatform waar ook andere vorsers en bedrijven in Vlaanderen (en daarbuiten) hun voordeel mee kunnen doen. Bedrijven die met een ‘emissieprobleem’ zitten, kunnen aankloppen bij VITO om te kijken of en hoe hun uitgestoten gassen kunnen worden gevaloriseerd. ‘In het kader van BioRECO2VER werken we nu voornamelijk met CO2 en waterstof, maar in feite komt een brede waaier aan productiegassen en processen in aanmerking om bij ons te worden onderzocht, telkens als een gas een beperking vormt voor een bepaald omzettingsproces’, zegt De Wever. Dit kan gaan van de dosering van zuurstof tot de conversie van methaan of syngas. ‘We voldoen aan alle vereiste veiligheidsvoorschriften waaronder de ATEX-certificatie voor explosieveiligheid.’
Een van de industriële partners in het BioRECO2VER project is Arkema, een Franse producent van hoogwaardige chemicaliën. ‘Het is niet voldoende om onze consumptie van fossiele energie te verminderen. We moeten ook strategieën bekijken om CO2 te verbruiken in onze processen. De grootste verandering die nu gaande is, is de beschikbaarheid van waterstof (van elektrolyse of pyrolyse zonder co-productie van CO2) en koolstofvrije elektriciteit. Microbiële gasfermentatie kan met de juiste combinatie van grondstoffen en technologieën leiden tot moleculen die niet in één enkele stap geproduceerd kunnen worden via chemische processen. Het is dus belangrijk dat we de kansen en uitdagingen van deze technologie onderzoeken’, zegt Jean-Luc Dubois, wetenschappelijk directeur van Arkema.
Ook voor bedrijven die via genetisch onderzoek de mogelijkheden van de micro-organismen verbreden, is de installatie interessant. ‘Uiteindelijk begint het daarbij: het type bacterie bepaalt welke gassen je kan gaan valoriseren, en welk eindproduct daaruit voortkomt’, aldus Van Hecke. De VITO-onderzoekers staan klaar om nieuwe bacteriestammen te gaan testen.
*Horizon 2020, Grant Agreement 760431
