Biomassa

Microalgen

Dr. Marcel Janssen is gepromoveerd op het kweken van microalgen aan de Wageningen Universiteit.

Profiel

1. Wat zijn microalgen?

Microalgen zijn eencellige fotosynthetische micro-organismen die in een waterige omgeving leven. Fotosynthetisch wil zeggen dat de algen zonlicht gebruiken als energiebron om minerale verbindingen om te zetten in levende biomassa, zoals nieuwe algen. Biomassa is een samenvattende benaming voor materie die gevormd wordt door allerlei organismen. Het gaat dan vooral om planten, schimmels en eencelligen, maar ook wel om dieren. Biomassa kan gebruikt worden als brandstof of er kan door vergisting brandbaar gas uit gewonnen worden (vooral uit mest).

Het proces van fotosynthese bij de microalgen is identiek aan dat van de hogere landplanten: zuurstof komt vrij en kooldioxide wordt vastgelegd. Je komt de microalgen in alle milieus tegen: zoet en zout water, zuur en alkalisch water (water met een zeer lage zuurgraad), bij lage temperatuur (in de poolzeeën) en bij hoge temperatuur (in de woestijn). Er zijn duizenden verschillende soorten en ook de uiterlijke diversiteit is enorm. De grootte varieert van enkele micrometers tot tientallen micrometers. Een micrometer is hetzelfde als een duizendste millimeter. Ook de samenstelling met betrekking tot pigmenten, eiwitten en vetten/oliën varieert behoorlijk tussen de verschillende soorten.

2. Waar worden microalgen nu voor gebruikt?

Microalgen worden momenteel op kleine schaal gekweekt voor de visteelt. Bij de teelt worden zeer jonge vislarven of larven van schelpdieren (bij)gevoed met levende microalgen. Dit zijn soorten die rijk zijn aan zogenaamde visvetzuren. Om diezelfde reden worden microalgen ook geproduceerd voor de levensmiddelensector. Het is belangrijk om aan te geven dat de gezonde vetzuren in vette vis niet door de vissen zelf aangemaakt worden, maar dat deze afkomstig zijn van microalgen (het fytoplankton) die aan het begin van de voedselketen staan in de zeeën en oceanen. Verder zijn sommige van de pigmenten in algen waardevol vanwege hun werking als antioxidant en als natuurlijke kleurstof voor levensmiddelen.

3. Hoe worden microalgen momenteel gekweekt?

Het grootste deel van de microalgen dat nu op de markt verkrijgbaar is, wordt gekweekt in open vijvers. Meestal zijn dit vijvers van het type ‘raceway’. Dit zijn ondiepe kanalen die aan de kopse kanten met elkaar verbonden zijn en waardoor het water wordt rondgepompt via grote schoepenraden.

Het rondpompen van het water is nodig om te voorkomen dat de algen in de vijver bezinken en om een gelijkmatige verdeling van het licht te creëren (het licht is alleen beschikbaar aan het oppervlak). Verder worden de algenvijvers op een bepaald punt verrijkt met kooldioxide die nodig is voor de fotosynthese. Bij de fotosynthese wordt zonlicht gebruikt om kooldioxide om te zetten in koolhydraten.
 

Helaas kunnen slechts een beperkt aantal algensoorten in open systemen zoals de 'raceway' vijvers gehandhaafd worden. Alle andere soorten worden in een gesloten omgeving, in een zogenaamde fotobioreactor, gekweekt. Dit zijn momenteel bijna allemaal buisreactoren van een uiteenlopende omvang. Wat deze systemen gemeen hebben is hun relatief hoge investeringskosten (materiaal- en installatiekosten) en een relatief hoog energieverbruik. Deze systemen zijn daarom alleen aantrekkelijk voor producten die een toegevoegde waarde hebben. De kostprijs van algenproductie ligt boven de 10 euro per kilo droge stof. Biomassa wordt gemeten als droge massa: het water dat zich in de algen bevindt wordt niet meegerekend.

 

Raceway vijver van algenkweker Ingrepro

4. Hoe kun je microalgen gebruiken om biodiesel te maken?

Een groot aantal soorten microalgen kunnen zogenaamde triglyceriden (stoffen die voorkomen in natuurlijke vetten en oliën) ophopen. Deze zijn zichtbaar als kleine oliedruppeltjes in de cel. Het ophopen gebeurt onder omstandigheden waarbij bepaalde voedingsstoffen die nodig zijn voor de groei van de microalgen (zoals stikstof) niet meer aanwezig zijn. Bij een dergelijk gebrek aan voedingsstoffen wordt de koolstof die de microalgen vasthouden niet meer omgezet in nieuwe biomassa (eiwitten). De koolstof wordt daarentegen in de cellen van de microalgen opgeslagen als vet/olie (andere soorten microalgen hopen juist weer zetmeel of andere koolhydraten op). De triglyceriden kunnen vervolgens afgescheiden worden uit de microalgen en omgezet worden in biodiesel. Dit wordt transesterificatie genoemd. De individuele vetzuren worden daarbij vrijgemaakt uit de triglyceriden, deze reageren met de vloeistof methanol en zo ontstaan de methylesters (koolwaterstoffen) die direct als biodiesel gebruikt kunnen worden.

5. Wat is het voordeel van het gebruik van microalgen boven dat van landplanten?

Het proces van de fotosynthese in microalgen en landplanten is identiek. In theorie kunnen ze dus even efficiënt zonne-energie aanwenden om kooldioxide vast te leggen in nieuwe energierijke biomassa. Het voordeel van microalgen is dat ze klein zijn en in een gecontroleerde waterige omgeving gekweekt kunnen worden. De omstandigheden in dit waterige milieu kunnen optimaal gehouden worden, zodat een veel hogere productiviteit bereikt kan worden dan bij landplanten op basis van een zelfde hoeveelheid lichtenergie (dit heeft echter een keerzijde, zie vraag 6). Verder kan een groter deel van de kooldioxide dat vastgelegd wordt zich ophopen als olie/vet. Een algencel hoeft namelijk geen fysieke structuur op te bouwen zoals stengels en wortels.

6. Kan deze technologie nu al op grote schaal toegepast worden?

Al de technologie die nodig is om algen zodanig te verwennen dat ze een maximale productiviteit halen, leidt tot extra kosten en energieverbruik. Beiden zijn in de huidige productiesystemen nog te hoog. Zelfs open vijvers zijn nog te duur en energie-intensief. Dat heeft voor een groot deel te maken met de investeringen in oogstsystemen en het energieverbruik van deze oogstsystemen. Microalgen zijn namelijk klein en de concentratie microalgen in de vijvers is laag (minder dan 0,5 gram droge stof per liter). De huidige productie-systemen (raceway vijvers en buizenreactoren) kunnen natuurlijk wel gebruikt worden om op grotere schaal algen te kweken en er zelfs olie uit te winnen, maar de productiekosten zijn momenteel dus te hoog en de totale energiebalans is nog negatief.

 

Een buisreactor om algen in te kweken van het Duitse bedrijf Salata Gmbh (reactor design is van het Duitse IGV, Institut fur Getreideverarbeitung)

7. Wat moet er gebeuren om op grote schaal algen te gaan kweken voor bio-energie?

De investeringskosten en het energieverbruik van fotobioreactoren moeten omlaag. Om dat laatste te bewerkstelligen, zal men het water in het kweeksysteem minder hard moeten laten stromen. Hiervoor moet het ontwerp aangepast worden. Deze aanpak kan eventueel aangevuld worden met nieuwe technologieën om de algenkweek te voorzien van voldoende kooldioxide en om de geproduceerde zuurstof te verwijderen (te veel zuurstof remt de fotosynthese). De investeringskosten kunnen verder verlaagd worden door gebruik te maken van andere en minder materialen. De meest veelbelovende nieuwe ontwerpen zijn dan ook gebaseerd op het gebruik van dunne, maar sterke, doorzichtige plastic folies.

De investeringskosten van algenvijvers zijn in verhouding tot de andere productiesystemen relatief laag. Wel moeten er voor de vijvers nieuwe methodes en/of technologieën ontwikkeld worden om de microalgen te oogsten uit het water. Veel aandacht richt zich nu op vlokvorming (flocculatie) van biomassa om deze te concentreren in een kleiner volume water.

Ook de microalg zelf kan aangepast worden door versnelde selectie en eventueel genetische modificatie om zo stammen te krijgen die nog meer olie ophopen en misschien wel zelf de olie uitscheiden.

8. Kunnen microalgen op een andere manier een rol spelen in een duurzame samenleving?

In het scenario dat je op grote schaal microalgen gaat kweken voor olie/vet blijft er nog een groot deel over van de biomassa die de algen produceren. Dit deel kan weer gebruikt worden voor andere doeleinden (het zogenaamde ‘bioraffinaderijconcept’).

Zelfs in het geval dat je netto geen energie produceert maar wel in staat bent om producten zoals visvetzuren te maken, kan dit flink bijdragen aan een duurzame samenleving. In dit specifieke voorbeeld hoef je namelijk niet meer de zee op om vis te vangen om olie te winnen. Je kunt dan direct visvetzuren produceren met een neutrale CO2 balans.

Zoek in kennisbank

Aanmelden nieuwsbrief

Themasponsors Energiebronnen