Kooldioxide is een natuurlijk spoorgas in de atmosfeer van de aarde en speelt een cruciale rol in het klimaat van de aarde. De concentratie ervan neemt met name toe door de verbranding van fossiele brandstoffen en is sinds het begin van de industrialisatie dramatisch gestegen. Als gevolg daarvan warmt de aarde meer op dan goed is voor plantaardig en dierlijk leven. Om de opwarming van de aarde tegen 2050 te beperken tot +1,5°C ten opzichte van het pre-industriële tijdperk, volstaat het niet de CO2-uitstoot te verminderen. Volgens de Intergouvernementele Werkgroep inzake Klimaatverandering moet koolzuurgas ook actief uit de atmosfeer worden verwijderd. Met zogenoemde acetogene bacteriën kun je grondstoffen maken op basis van die CO2.
Op CO2-gebaseerde technologien
Planten, algen en sommige bacteriën en archaea zetten CO2 om in biomassa door fixatie (kooldioxide-assimilatie). Een proces dat onderzoek inspireert. Want met technologieën die CO2 als grondstof gebruiken, kan koolstof weer in de kringloop worden gebracht. “Dit is niet alleen in de geest van de bio-economie, maar de CO2 en koolmonoxide die bij de verbranding van brandstof of plastic vrijkomen, kunnen ook weer in het oorspronkelijke product worden teruggebracht,” aldus Dr. Stefan Pflügl van het Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften aan de Technische Uiniversiteit Wenen. Hij en zijn team willen acetogene bacteriën gebruiken om CO2 uit de lucht om te zetten in plastic en brandstof.
Klimaatneutrale aanpak
Onlangs publiceerde het team in het tijdschrift Metabolic Engineering een artikel over hun studie naar de recycling van kooldioxyde. Daarin beschrijven zij hoe verschillende substraten het metabolisme van de acetogene bacterie A. woodii beïnvloeden. Zij beschrijven ook hoe de bacterie genetisch kan worden gemanipuleerd om grondstoffen te produceren waarmee een allesomvattende circulaire economie kan worden gerealiseerd.
Ook interessant: Van suiker afgekickte bacteriën bron van CO2-neutrale brandstof
Er zijn talloze manieren om CO2 te recycleren. Maar in elk geval is er energie voor nodig. De technologie is alleen duurzaam als de benodigde energie dat ook is, zegt Pflügl. Zijn model is gebaseerd op een klimaatneutrale aanpak waarbij CO2 eerst aan de lucht wordt onttrokken en vervolgens met behulp van hernieuwbare energie wordt omgezet in zouten en esters (formiaat). Formiaat is een verbinding van koolstof, zuurstof en waterstof die gemakkelijk kan worden getransporteerd en flexibel kan worden gebruikt voor de productie van chemicaliën en brandstoffen. Met deze eigenschappen zou formiaat een basisbouwsteen van de bio-economie kunnen worden, aldus de onderzoekers.
Er zijn talloze manieren om CO2 te recycleren, maar in elk geval is er energie voor nodig. De technologie is alleen duurzaam als de benodigde energie ook duurzaam is.
Stefan Pflügl
Acetogene bacteriën
De CO2 kan alleen worden omgezet in de vorm van formiaat – en dat met acetogene bacteriën. Dit is een zeer speciaal soort bacterie dat zich voedt met koolstofverbindingen en daaruit azijnzuur produceert. De onderzoekers gebruikten het reeds goed onderzochte modelorganisme om uit te zoeken hoe formiaat precies door A. woodii kan worden gebruikt. Daartoe hebben zij een vergelijkende waarneming uitgevoerd en het effect van verschillende substraten op het metabolisme van A. woodii geanalyseerd. Naast formiaat werden ook substraten als waterstof, koolmonoxide, kooldioxide en fructose getest.
Oudste stofwisselingswijze
Het grootste verschil dat duidelijk werd in de metabolisering van de verschillende substraten was de hoeveelheid energie die A. woodii eruit kon halen. Pflügl legt dit als volgt uit: “Acetogenen zijn echte overlevingskunstenaars die ook substraten als CO, CO2 of formiaat kunnen metaboliseren. Dit komt doordat acetogenen gebruik maken van wat waarschijnlijk de oudste metabolische route voor CO2-fixatie is. Hierdoor kunnen ze ook genoeg energie produceren om te overleven onder extreme omstandigheden en uit alternatieve voedselbronnen”. Dit betekent dat acetogenen niet alleen in staat zijn kooldioxyde te gebruiken, maar dat zij dit ook zeer efficiënt doen. Bijgevolg hoeft slechts weinig energie te worden verbruikt om koolzuurgas om te zetten in formiaat, dat vervolgens verder wordt omgezet in azijnzuur.
Genetische modificatie
Op basis van deze experimentele gegevens hebben de onderzoekers onderzocht hoe de bacterie genetisch gemodificeerd kan worden om ethanol of melkzuur te produceren in plaats van azijnzuur. Want met deze stoffen zou een alomvattende recyclingeconomie voor het broeikasgas CO2 kunnen worden gerealiseerd. Melkzuur kan worden gebruikt voor de productie van biologisch afbreekbaar plastic. Ethanol kan worden gebruikt voor de productie van brandstof.
Het melkzuur wordt geproduceerd door gisting en vervolgens gezuiverd en omgezet in polymelkzuur (PLA). PLA heeft soortgelijke eigenschappen als de momenteel dominante kunststoffen polystyreen, polypropeen en polyethyleen. PLA heeft een aantal voordelen. Het maakt bijvoorbeeld een lagere printtemperatuur bij 3D-printen mogelijk en verlengt de houdbaarheid bij het verpakken van verse groenten. Het zou bijvoorbeeld ook kunnen worden gebruikt in de biomedische sector, waar voorwerpen zoals stents, platen, schroeven, enz. kunnen worden vervaardigd.
CO2-winning uit de lucht
Er bestaan verschillende technologieën om kooldioxyde uit de lucht te halen. Wat ze allemaal gemeen hebben is de aanzuiging van lucht. De afscheiding van CO2 uit de lucht kan dan plaatsvinden via een adsorptie-desorptieproces of door het op kunststofoppervlakken te laten stromen. Deze laatste worden bovendien overstroomd met kaliumhydroxide om het koolzuurgas uiteindelijk om te zetten in carbonaatzouten. De laatste methode wordt gebruikt door Carbonengineering in Canada.
Filtermateriaal
Een prominent voorbeeld van een adsorptie-desorptieproces wordt gegeven door het Zwitserse instituut Climeworks, dat gebruik maakt van CO2-collectoren met een zeer selectief filtermateriaal om kooldioxide daarin selectief op te vangen in een proces dat twee fasen omvat. Hierbij wordt de lucht met een ventilator in de collector gezogen en wordt het kooldioxide aan het oppervlak van het filtermateriaal opgevangen. Nadat het filtermateriaal met kooldioxide is gevuld, wordt de collector gesloten en wordt de temperatuur verhoogd tot 80 à 100 graden Celsius. Hierdoor komt het kooldioxide vrij en kan het uiteindelijk in een zeer zuivere, sterk geconcentreerde vorm worden opgevangen.
Ook interessant: Steeds meer CO2-uitstoot door groeiend gebruik van plastic
Publicatie:
Neuendorf, C. S., Vignolle, G. A., Derntl, C., Tomin, T., Novak, K., Mach, R. L., … & Pflügl, S. (2021). A quantitative metabolic analysis reveals Acetobacterium woodii as a flexible and robust host for formate-based bioproduction. Metabolic Engineering, 68, 68-85.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
