De chemische en voedingsmiddelenindustrie kunnen niet blijven voortborduren op bestaande energiebronnen en grondstoffen. Volgens CTO Marcus Remmers van DSM staan we aan de vooravond van een biotechnologie-revolutie om de uitdagingen op gebied van klimaat, stikstof en biodiversiteit aan te gaan. Op den duur hebben we voor melk en vlees veel minder koeien nodig en produceert de chemie materialen onder andere uit de zon, de wind en CO2. Maar voor we daar zijn, moeten we nog door verschillende fases.

Als het gaat om transformatie dan heeft DSM een rijke historie. Met name wat betreft haar kernactiviteiten. Van het winnen van steenkool uit de Dutch State Mines, via productie van basischemicaliën, naar een gerenommeerde speler in de fijnchemie en biotechnologie. Dat die transformatie nog steeds bezig is, blijkt wel uit het recente voornemen om onder andere de productie van coatingharsen te verkopen aan chemiebedrijf Covestro. En misschien eindigt die gedaantewisseling wel nooit.

Marcus Remmers (DSM): ‘Topprioriteit nu is het decarboniseren van de energievoorziening.’

Ook op het gebied van procestechnologie zijn verschillende stappen gezet. Zo maakte DSM na de overname van Gist-Brocades eind vorige eeuw uitgebreid kennis met fermentatieprocessen. Een stap die veel impact heeft gehad. Juist die biochemische processen vormen nu het motorblok van het moderne DSM.

Decarboniseren

Op het vlak van de productieprocessen verandert er volgens chief technology officer (CTO) Marcus Remmers de komende decennia nog veel meer. Dat moet ook echt, stelt hij. ‘Er zijn grote uitdagingen op het gebied van het klimaat. En vergeet ook de problemen op het vlak van biodiversiteit niet.’ Willen we over enkele decennia nog op een leefbare wereld vertoeven met voldoende voedsel en middelen voor negen miljard mensen in 2050, dan moet er veel veranderen. Remmers: ‘Topprioriteit nu is het decarboniseren van de energievoorziening. Op die manier kunnen we veel CO2-uitstoot voorkomen.’

biotechnologieStraks moeten geen koolstofhoudende brandstoffen, maar duurzame elektronen de eerste viool spelen. ‘Het is daarom essentieel dat er enorm wordt geïnvesteerd in het elektriciteitsnet en duurzame energieopwekking, zoals zonne- en windenergie.’

Melkeiwitten

Decarbonisatie is echter niet een oplossing die overal op past. Als het gaat om de productie van voedsel en materialen, dan is en blijft koolstof een essentiële bouwsteen. Dan past eerder de term recarbonisatie. Waar het decarboniseren van energie vooral gericht is op het aanpakken van de klimaatcrisis, kan recarbonisatie ook oplossingen bieden op het gebied van biodiversiteit.

Remmers: ‘Ik denk dat we daarom aan de vooravond staan van een revolutie op het gebied van biotechnologie. Biowetenschappen kunnen ons namelijk helpen bij de uitdagingen waarvoor we staan. We moeten vooral ons voedsel en onze materialen op een veel duurzamere manier produceren. Als we op de oude voet doorgaan, hebben we sowieso veel te weinig grond tot onze beschikking om de groeiende wereldbevolking van eten te voorzien. De biodiversiteit komt steeds meer onder druk te staan. Met de bestaande methoden komen we er gewoon niet. Voedzame melkeiwitten kunnen we naast uit dieren ook uit reststromen halen. Op het gebied van vleesproductie zijn er ook veel interessante innovatieve ontwikkelingen. Cellulaire landbouw staat nog in de kinderschoenen, maar opent een scala aan nieuwe technologische mogelijkheden.’

Logische energiedrager

Cellulaire landbouw is een nieuwe industrie waarin dierlijke producten worden nagemaakt of vervangen op basis van dierlijke cellen. Denk bijvoorbeeld aan leer- en zuivelproducten. En zelfs vlees. Met de stamcellen van één gram spierweefsel kan straks ruim tienduizend kilo vlees worden gemaakt. In theorie betekent dit dat er volgens deskundigen maar honderdvijftig koeien nodig zijn om genoeg stamcellen te produceren om kweekvlees te maken voor de gehele wereldbevolking. Met de hedendaagse wetenschap is het al mogelijk om melk te maken zonder dat daar een koe aan te pas komt. De herkomst van onze voeding kan er over enkele decennia dus heel anders uitzien. Het zou zo maar kunnen dat bij elkaar straks minder landbouw- en veeteeltgrond nodig is om een veel grotere wereldbevolking te kunnen voeden. Doordat de voedselproductie veel efficiënter is ingericht.

Ook op het vlak van materialen zijn verschillende stappen mogelijk om veel efficiënter met grondstoffen om te gaan. Volgens Remmers is het zelfs denkbaar dat over een paar decennia het grootste deel van de grondstoffen cyclisch is. Met het recyclen van afvalplastics worden nu al stappen gezet. Maar dat kan straks nog veel verder gaan. Zo zijn er al initiatieven om chemische bouwstenen te winnen uit koolmonoxide (CO), een belangrijk afgas uit de staalindustrie. Nog een stapje verder gaat de recycling van kooldioxide. Lukt het om op den duur grootschalig CO2 uit geconcentreerde – met name industriële – bronnen om te zetten in chemische bouwstenen, dan lijkt een belangrijke cirkel gesloten. Of straks ook grootschalig CO2 uit de atmosfeer wordt gehaald, is volgens Remmers zeer twijfelachtig. ‘Dat kost heel veel energie. Ik denk niet dat dat op een efficiënte manier is te realiseren.’

De revival van elektrochemie zal een belangrijke rol spelen. CO2 wordt nu nog gezien als het afvoerputje van de chemie. Om CO2 weer nuttig te kunnen maken, heeft het volgens Remmers een ‘energie-upgrade’ nodig. De meest logische energiedrager daarvoor is groene waterstof, verkregen uit de elektrolyse van water. Met verschillende koolwaterstoffen als tussenproduct is veel meer aan te vangen. Het lijkt een mooi vooruitzicht, maar daar zijn we nog lang niet, waarschuwt Remmers. ‘Dergelijke conversies hebben een laag technology readiness level (TRL, red.) en zijn nog zeer inefficiënt.’

Duizend fabrieken

Er zijn nog wat stadia te doorlopen. Remmers heeft zijn visie op de rol van biotechnologie al eerder gegeven tijdens enkele presentaties. Hij trekt daarbij een parallel met de ontwikkeling van telecomnetwerken, van 1G naar 5G, waarbij de functionaliteit steeds meer toenam. Volgens hem zullen er ook vijf generaties van fermentatieprocessen zijn.

De eerste twee generaties zijn nagenoeg bekend. Zo zetten processen van de eerste generatie bioprocessen landbouwproducten als maïs, tarwe, suikerriet en suikerbiet om in verschillende bouwstenen. Via hydrolyse van zetmeel en fermentatie van suikers produceren ze ethanol, butanol, verschillende voedingsmiddelen, ingrediënten voor veevoeder en ook chemicaliën. De eerste generatie is inmiddels redelijk volwassen. Remmers: ‘Wereldwijd staan al meer dan duizend fabrieken van deze eerste generatie.’

Syngas

De tweede generatie staat beduidend meer in de kinderschoenen. Bij deze processen gaat het om de omzetting van niet-eetbare delen van gewassen. Denk aan cellulose en lignine. Deze bouwstenen concurreren dus niet met de voedselproductie. Remmers schetst twee routes van deze tweede generatie. De eerste route lijkt het meest op die van de eerste generatie. Na voorbewerking van de biomassa volgt hydrolyse van de cellulose en daarna fermentatie van de suikers. Het deel dat niet via fermentatie is om te zetten in ethanol, butanol of chemicaliën, kan na thermochemische conversie in warmte en stroom worden omgezet en mogelijk ook in brandstoffen en chemische bouwstenen. De status? In de wereld staan nog geen tien fabrieken die op deze manier commercieel bio-ethanol produceren. Het blijkt lastiger dan gedacht en heeft daarom tijd nodig.

tekst gaat verder onder de afbeelding

‘We staan aan de vooravond van een revolutie op het gebied van biotechnologie.’

De andere tweede generatieroute begint met het vergassen van de biomassa. Op die manier wordt syngas geproduceerd, een mengsel van koolmonoxide en waterstof. Via fermentatie van syngas kunnen verschillende chemische bouwstenen worden verkregen. Denk aan ethanol, butanol, maar ook aceton, butaandiol en andere chemicaliën. Interessant aan deze route is dat ook afgassen uit bijvoorbeeld de staalindustrie worden ingevoegd. Die bestaan ook voor een groot deel uit syngas. Sinds 2018 produceert een fabriek van de Shougang Group in China op deze manier ethanol uit syngas uit haar staalfabrieken. Daarbij gebruikt het een proces van Lanzatech, dat momenteel commerciële fabrieken bouwt in Zuid-Afrika en Californië. Ook in het Vlaamse Gent wordt op het terrein van staalproducent Arcelormittal een fabriek gebouwd die op die manier biobrandstoffen produceert uit afgassen.

Proteïnen

In de derde generatie draait het met name om de opkomst en de omzetting van fotosynthetische microalgen. Voordeel is dat ze relatief snel zonlicht en CO2 omzetten in hoogwaardige biomassa. De kweek van algen is bovendien zeer intensief en op een relatief klein oppervlakte kan een hoge opbrengst worden gerealiseerd. Ook op plaatsen die minder of niet geschikt zijn voor landbouw. Via verschillende conversie en scheidingstechnieken gaat de industrie volgens Remmers in de toekomst een grote variatie aan producten uit algen halen. Denk aan chemische bouwstenen, maar ook proteïnen voor voedsel en voeder en bijvoorbeeld kunstmest.

Totale integratie

Dan de vierde generatie. In die generatie gaat duurzaam opgewekte stroom en dus elektrochemie volgens Remmers een belangrijke rol spelen. De processen uit de eerste en tweede generatie krijgen dan een extra dimensie. De suikers uit de eerste twee generaties kunnen worden verrijkt met bouwstenen die worden geproduceerd uit CO2 en groen waterstof. Denk aan methanol, methaan, mierenzuur en koolmonoxide. Dat levert een geïntegreerde productie met uiteenlopende producten, van ethanol en butanol tot voedsel- of voedingsingrediënten en chemische bouwstenen, zonder CO2-emissies. Het lijkt misschien een eindfase, juist door die totale integratie.

Biodiversiteit

Toch ziet Remmers daarna juist nog een mogelijke stap. Hij noemt die de volledige e-fermentatie. Hij filosofeert erover of dat wellicht deze uiteindelijke fase is. Materialen, chemische bouwstenen, brandstoffen en warmte worden dan wellicht geproduceerd uit koolstof, water en elektronen. Verkregen uit CO2 en duurzame energiebronnen als wind en zon. De integratie met voedsel en voeder wordt dan mogelijk weer ontvlochten. Onze voedingsmiddelen, zelfs vlees, komen dan uit de akkerbouw. Remmers: ‘Ontkoppeling? Ik zie het meer als een efficiëntieslag. Met name om de biodiversiteit weer ruim baan te geven.’