Industriële biotechnologie
We leven op het toppunt van een merkwaardig tijdperk in de menselijke geschiedenis. Niet eerder werden levensstijl en welvaart van de mensheid zo eenzijdig bepaald door één enkele grondstof. Plastics, geneesmiddelen, de brandstoffen van de auto’s waarin we rijden en het asfalt waarop ze rijden: ze zijn allemaal gemaakt uit olie. Het is bepaald niet vanzelfsprekend dat deze levensstijl ook voor toekomstige generaties haalbaar is. Aardolie is, op een menselijke tijdschaal, een eindige grondstof.
Het heeft miljoenen jaren geduurd om de geologische voorraden van aardolie uit organische resten te vormen. De mens gebruikt deze voorraden nu in een relatieve oogwenk van enkele eeuwen op. Een tweede probleem: bij het verbruiken van olie wordt in een geologisch gezien zeer kort tijdsbestek een enorme hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer gebracht. Die leidt zoals inmiddels bekend tot verhoging van de gemiddelde temperatuur op aarde. Een derde probleem is dat aardolie niet gelijk over de planeet is verdeeld. De landen die rijk zijn aan olie en aardgas zijn helaas niet altijd het toonbeeld van democratie of politieke stabiliteit. Tezamen vormen deze drie problemen de maatschappelijke basis voor een zoektocht naar alternatieven voor aardolie.
Over niet al te lange tijd gaat de zon ook figuurlijk onder voor de aardolieproductie …
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Chemicaliën uit micro-organismen
De mensheid gebruikt micro-organismen als schimmels, gisten en bacteriën al vele duizenden jaren voor het maken van nuttige producten. Processen zoals het fermenteren van levensmiddelen om ze beter houdbaar en smakelijker te maken, de productie van alcoholische dranken en ook het zogenoemde roten van vlas voor de linnenproductie gaan terug tot ver voor het begin van onze jaartelling.
In de industriële biotechnologie zorgen micro-organismen er voor dat een grondstof, meestal een suiker die wordt geleverd door de landbouw, wordt omgezet in een product. Bij deze omzetting spelen de stofwisselingsroutes in de micro-organismen een sleutelrol. Micro-organismen die op deze manier in de industrie worden gebruikt, worden dan ook wel aangeduid als ‘celfabriekjes’. Vele miljarden van deze micro-organismen worden in de industrie gekweekt in gesloten kweekvaten. In die zogenoemde bioreactoren kunnen omstandigheden als zuurstofconcentratie, temperatuur en zuurgraad nauwkeurig worden afgestemd op de eisen van de micro-organismen.
Biotechnologie avant la lettre: het roten van vlas in de ochtenddauw.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Het idee om op industriële schaal chemicaliën en brandstoffen te maken met micro-organismen is geen uitvinding van de laatste tien jaar. Producten zoals de alternatieve brandstof bio-ethanol, aminozuren voor veevoer en menselijke voeding of citroenzuur (een natuurlijke smaakstof en conserveermiddel in levensmiddelen) worden al tientallen jaren op grote schaal met hulp van micro-organismen geproduceerd. Er zijn al diverse producten uit de industriële biotechnologie waarvoor een wereldmarkt bestaat van meer dan een miljard kilo per jaar.
Micro-organismen chemicaliën laten produceren
Bij het verbranden van olie komt koolstof, die miljoenen jaren diep in de aarde opgeslagen was, vrij als CO2. Ook bij het ‘verbranden’ van suikers komt koolstof vrij. Maar de koolstof in de suikers en andere grondstoffen voor de industriële biotechnologie is daar pas in het voorgaande groeiseizoen in terechtgekomen via de fotosynthese door de planten. Als het product aan het einde van zijn levenscyclus is gekomen, omdat het wordt opgegeten of wordt verbrand, komt deze CO2 weer vrij in de atmosfeer. In tegenstelling tot de CO2 die wordt gevormd in de petrochemie, wordt de CO2 uit een biotechnologisch proces al in een volgend groeiseizoen weer vastgelegd in een nieuwe oogst van het betreffende landbouwgewas. Mits er bij de productie geen intensief gebruik hoeft te worden gemaakt van fossiele energiebronnen, biedt dit het perspectief van een CO2-neutrale productie van brandstoffen en chemicaliën.
Enkele voorbeelden van chemische verbindingen die in de industrie op grote schaal worden gemaakt met micro-organismen. Bij de productie wordt gebruik gemaakt van suikers als grondstof.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Sommige chemicaliën die van nature door micro-organismen worden gemaakt, kunnen worden gebruikt als vervanging van producten die we nu uit aardolie maken. Dit idee is bepaald niet nieuw. Ethanol, dezelfde alcohol die in wijn en bier voorkomt, werd al in de vorige eeuw gemaakt door suikers, bijvoorbeeld uit maïszetmeel, te laten vergisten door bakkersgist (Saccharomyces cerevisiae). De ethanol werd vervolgens uit de gekweekte vloeistof gedestilleerd. Ethanol is een uitstekende autobrandstof gebleken. De eerste modellen van de T-Ford reden aan het begin van de twintigste eeuw dan ook op de biobrandstof ethanol.
Ook twee andere vroege biotechnologische productieprocessen werden aan het begin van de twintigste eeuw ontdekt. De Duitse biochemicus Carl Neuberg ontdekte hoe toevoeging van sulfiet aan een cultuur van bakkersgist leidde tot de productie van glycerol. Met dit proces werd tijdens de Eerste Wereldoorlog glycerol gemaakt als grondstof voor de springstof nitroglycerine. Vrijwel tegelijkertijd ontdekte Chaim Weizmann, de latere Israëlische president die toen als chemicus in Engeland werkte, hoe de bacterie Clostridium kon worden gebruikt voor het maken van aceton. Ook dit proces werd tijdens de Eerste Wereldoorlog ingezet voor de productie van springstof, in het geval van aceton als grondstof voor de productie van cordiet.
Een eeuw terug reden T-fordjes al op biobrandstoffen.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Tijdens de twintigste eeuw daalde aanvankelijk de prijs van aardolie, door grootschalige oliewinning en steeds betere raffinagetechnieken. Hierdoor werd de productie van chemicaliën steeds meer gedomineerd door de petrochemie. Micro-organismen werden nog wel op grote schaal toegepast in de industrie, maar dan vooral voor het maken van voedingsingrediënten zoals aminozuren en voedingszuren als azijnzuur, melkzuur en citroenzuur. Ook voor de productie van antibiotica zoals penicilline werden micro-organismen gebruikt. Pas toen aan het einde van de twintigste eeuw de prijzen van aardolie flink begonnen op te lopen, leefde ook de interesse in de grootschalige productie van chemicaliën met micro-organismen weer sterk op.
