Fotofermentatie: waterstof dankzij licht en purperbacteriën – stand van het onderzoek

Fotofermentatie is een proces waarbij purperen niet-zwavelbacteriën (o.a. Rhodobacter sphaeroides en Rhodopseudomonas palustris) organische zuren omzetten in waterstof met behulp van lichtenergie. Voor de vorming van H₂ is het enzym nitrogenase verantwoordelijk, dat bij gebrek aan moleculaire stikstof protonen reduceert tot waterstof ten koste van ATP. Theoretisch kan acetaat volledig worden omgezet in H₂ en CO₂, maar in de praktijk is het rendement beperkt en vereisen de reactoren grote verlichte oppervlakken. Daarom blijft de technologie in het stadium van laboratoria en pilots.

Mechanisme

Fototrofe bacteriën absorberen licht met behulp van bacteriochlorofyl en bouwen een protongradiënt op waaruit ATP ontstaat. Nitrogenase verbruikt ATP en elektronen uit de oxidatie van het substraat (organische zuren) voor de reductie van protonen tot waterstof. Voor acetaat ziet de balans er in vereenvoudigde vorm als volgt uit: CH₃COOH + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ (bij voldoende lichtaanbod). In de natuur dient nitrogenase voor stikstofbinding en is waterstof een bijproduct; bij gebrek aan N₂ en een laag ammoniakgehalte wordt de gehele elektronenstroom naar H₂ geleid.

Procesomstandigheden

• Licht: een bron met een geschikt spectrum is vereist (nabij-infrarood en zichtbaar licht); in reactoren wordt zonlicht of led-licht gebruikt.
• Afwezigheid van zuurstof: nitrogenase wordt door zuurstof geïnactiveerd.
• Laag ammoniakniveau: NH₄⁺ remt het enzym, dus het substraat moet een hoge C:N-verhouding hebben.
• Temperatuur: doorgaans 30–35°C.
• Substraat: organische zuren (acetaat, butyraat, lactaat); combinatie met donkere fermentatie is hiervoor gunstig.

Hybride systeem

Donkere fermentatie produceert H₂ en organische zuren, die juist het substraat voor purperbacteriën vormen. Koppeling van beide stappen maakt het theoretisch mogelijk uit suiker een opbrengst te halen die dicht bij het maximum van 12 mol H₂ per mol glucose ligt (4 in de eerste stap en 8 in de tweede). In de praktijk wordt aanzienlijk minder verkregen, omdat de culturen gevoelig zijn en de afvoer uit de eerste stap remstoffen bevat (ammoniak, teveel zouten, fenolverbindingen).

Barrières

1. Verlichting. Het licht moet het gehele volume bereiken, en de bacteriedichtheid vermindert de doordringing snel. Reactoren moeten een groot oppervlak ten opzichte van het volume hebben (ondiepe panelen, buizen), wat de kosten verhoogt.
2. Rendement van lichtomzetting. In de literatuur ligt het rendement van het lichtgebruik op laboratoriumschaal doorgaans in de orde van enkele procenten; verdere verliezen ontstaan door wisselingen in lichtintensiteit gedurende de dag en het jaar.
3. Variabiliteit en remming. Een teveel aan ammoniak of zuurstof stopt de productie.
4. Verontreiniging van de cultuur. Continu bedrijf onder niet-steriele omstandigheden bevordert vreemde micro-organismen.
5. Kosten. Oppervlak, kunstlicht of grote hoeveelheden ruimte, apparatuur voor monitoring en besturing.

Rekenvoorbeeld

Uitgangspunten: wij willen 100 kg H₂ per dag produceren (≈ 3,3 MWh energie LHV). Aangenomen dat de bioreactor een stroom van 5 mmol H₂ per liter per uur haalt (illustratieve waarde voor goede laboratoriumresultaten) en 10 uur per dag draait bij voldoende verlichting: per 1 l ontstaat 50 mmol H₂ ≈ 0,1 g. Benodigd volume: 100.000 g / 0,1 g/l = 1.000.000 l = 1000 m³. Een dergelijk volume van een verlichte reactor met een laagdikte van bijv. 5 cm zou een oppervlak van 20.000 m² (2 ha) vereisen – en dat voor een tamelijk bescheiden productie van 100 kg H₂ per etmaal. Dit is een berekening die de omvang van de moeilijkheden toont, geen prognose.

Technologische rijpheid

Fotofermentatie is een onderwerp van wetenschappelijk onderzoek, onder meer in pilotprojecten in verschillende landen, maar functioneert niet op commerciële schaal. De meeste beoordelingen beschouwen haar als een technologie met een laag gereedheidsniveau (laboratoria, pilots). Om haar te kunnen gebruiken voor waterstofproductie uit afval zijn vorderingen nodig in reactorontwerp, stabiliteit van culturen en integratie met andere processen.

Waar zij toepassing kan vinden

In bioraffinaderijen die uit één afvalstroom waterstof, biomethaan en andere producten produceren, alsook als stap in de zuivering van afvalwater dat rijk is aan organische zuren. Onder Poolse omstandigheden beperkt het seizoensgebonden zonlicht het gebruik van zonlicht, daarom overweegt men kunstmatige verlichting, die energie verbruikt en de balans verslechtert.

Waar u op moet letten in wetenschappelijke berichtgeving

Controleer bij het lezen van publicaties de schaal van de reactor (milliliters, liters, kubieke meters), de lichtintensiteit, het type substraat (zuiver acetaat of echt afval) en de duur van het experiment. Hoge opbrengsten, uitgedrukt in mmol/l/h, op zuivere culturen en korte series laten zich niet rechtstreeks vertalen naar continu bedrijf met afval. Voorzichtigheid is des te belangrijker omdat laboratoriumresultaten in persberichten soms worden gepresenteerd als kant-en-klare commerciële oplossingen.

Samenvatting

Fotofermentatie brengt in de discussie over biowaterstof het idee van een vollediger benutting van afval, maar het opschalen ervan is moeilijk. Het loont de moeite het onderzoek te volgen, zonder er echter van uit te gaan dat de technologie de komende jaren de markt zal betreden.