Skip to content


Tussen lab en industrie

Op het terrein van de Biocampus Delft, aan de andere kan van de stad, staat een bijzondere proeffabriek: de Bioprocess Facility Plant (BPF). Alles is er hier op gericht om duurzame productie van chemicaliën, materialen en brandstoffen sneller op industrieel niveau te brengen. De fabriek werd op 19 maart 2015 geopend.

Tijdens de opening ontvingen drie start-ups een cheque van 10 duizend euro waarmee ze een eerste stap konden maken om hun proces op te schalen. Dr.ir. Kirsten Steinbusch van Delft Advanced Biorenewables (DAB) was een van hen. Ze kan goed uitleggen wat ze van de proeffabriek verwacht.

Download hier: Delta1417-Proeffabriek

Haar techostarter DAB zit met drie medewerkers in een uithoek van het gebouw voor Life Science & Technology aan de Julianalaan met uitzicht op de Botanische tuin. Steinbusch studeerde en promoveerde in Wageningen en trok eind vorig jaar naar Delft. Ze werkt aan een technologie waar de TU patent(*) op heeft aangevraagd. Daarmee zijn olieachtige substanties (die door micro-organismen zijn geproduceerd) te scheiden van het waterige medium waar de organismen in leven. Om duidelijk te maken waar het om gaat zet ze twee potjes op tafel. Onderin ligt een laagje gist, dan volgt water en daar bovenop drijft olie. In het ene potje is de olie een helderrode vloeistof, in het andere een roze smurrie. “Als je olie produceert met micro-organismen komt dat er meestal niet bovenop drijven. In plaats daarvan krijg je een mayonaise-achtige emulsie. Om de olie daaruit te winnen moet je de emulsie centrifugeren of er chemicaliën aan toevoegen. Onze methode werkt goedkoper en brengt 20 tot 40 procent meer op.”

Onderzoekster dr. Maria Cuellar heeft een gepatenteerde oplossing bedacht om de olie al in het reactorvat van het water te scheiden. DAB gaat dat procedé nu verder opschalen en op de markt brengen. Hoe de techniek precies werkt vertelt Steinbusch niet. Wel dat het op laboratoriumschaal van 100 liter werkt. Nu wil ze het procedé verder ontwikkelen in de BPF om het proces ook in 1000 en 8000 liter vaten te demonstreren.

“Onderzoekers denken vaak dat ze er zijn met het ontwikkelen van een gemodificeerde stam die doet wat ze willen. Maar dan begint het pas”, weet ze inmiddels. “Op kleine schaal valt je de mayonaisevorming niet eens op, maar op grotere schaal kan dat je opbreken. Andersom kun je je zorgen maken over schuimvorming in je laboratoriumopstelling terwijl het schuim in een grote reactor vanzelf in elkaar kan zakken.”

Sommige zaken kun je kennelijk niet bedenken, die moet je gewoon proberen.

 

Groter is anders

 

Een van de eerste dingen die opvalt aan de proeffabriek is dat het gebouw aanvoelt als een fabriek. Alle ruimtes, met uitzondering van de kantoren, zijn ingericht op een schaal die het laboratorium verre overstijgt. Verder valt op dat vrijwel alle deuren alleen met een pasje opengaan. Dat is het gevolg van het open-access karakter van de BPF, vertelt Arno van de Kant die hier business development director is. De 50-jarige microbioloog liep hier 25 jaar geleden stage bij DSM en is blij om terug te zijn bij wat hij “een leuke tent” noemt.

Destijds was dit gebouw de fermentatie- en opwerkingsfabriek van DSM (voorheen Gist-Brocades). Deze proeffabrieken zijn nu van eigenaar veranderd met de vorming van de BPF. Het eigenaarschap ligt nu bij: TU Delft en Corbion (voorheen CSM dat zich  heeft toegelegd op productie van melkzuren) en DSM. Nu staat de proeffabriek open voor alle bedrijven en universiteiten, wat tot gevolg heeft dat vertrouwelijkheid hoog in het vaandel staat. Klanten moeten er op kunnen vertrouwen dat hun geheimen hier veilig zijn. Vandaar dat veel deuren gesloten blijven in de open-access omgeving. Het zelfde geldt voor het stand-alone IT-systeem.  Het moet potentiële klanten duidelijk maken dat BPF een aparte en neutrale eenheid is.

De context van de BPF is de verduurzaming van grondstoffen: de overgang van eindige grondstoffen zoals aardolie naar hernieuwbare biologische materialen zoals gewassen, bladeren, stengels, stro en houtsnippers en ook afvalstromen. Het streven is om van dergelijke hernieuwbare materialen commerciële producten te maken in de vorm van enzymen, smaakstoffen, chemicaliën, biomaterialen, bioplastics en biobrandstoffen.

Veel onderzoek naar dergelijke processen speelt zich momenteel af in laboratoria van universiteiten en bedrijven. Maar om er commercieel levensvatbare processen van te maken moeten de nieuwe processen op een adequate schaal getest en gedemonstreerd worden. Dat is waar het BPF voor staat.

“Er zijn enorme verschillen tussen labschaal en productieschaal”, zegt Van de Kant. “Bij fermentatie in het lab moet je de reactor verwarmen. In de fabriek komt er juist zoveel warmte vrij dat je moet koelen. Je hebt te maken met drukverschillen. Je moet mengen zonder de micro-organismen te beschadigen. Er kan opeens schuimvorming optreden doordat er eiwitten vrijkomen. Op grotere schaal wordt fermentatie echt een heel ander spelletje.” Daar komt nog bij dat er in academische kring weinig kennis en ervaring bestaat over scheidingstechnieken. Die worden in de downstream processing toegepast om het product (bijvoorbeeld ethanol, citroenzuur, een enzym of een bijzonder eiwit) uit het reactiemengsel te winnen. De praktische ervaring van operators die al decennia in de biotechnologiegewerkt hebben komt hierbij goed van pas.

 

Fabriek

 

De rondleiding volgt de gang van het materiaal door de fabriek en begint dus in de hal waar de biomassa (bladeren, stengels, stro en houtsnippers) binnenkomen. De tien meter hoge hal wordt gedomineerd door transportbanden, zeven en voorraadbakken. Zo’n 40 kilogram droge biomassa per uur wordt hier voorbereid en opgeslagen in een groot blauw buffervat. Niet voor niets was deze installatie het pronkstuk tijdens de opening. Proeffaciliteiten elders draaien vaak zonder een realistische voorbehandeling van plantaardige afvalstromen.

 

In de tweede fase van de voorbehandeling worden de vezels onder druk aan hete stoom blootgesteld. Als dan plots de druk wegvalt breken de weefsels open. De plantaardige cellen moeten kapot om toegang te krijgen tot de suikers in de cel – van oudsher de voedingsstof voor fermentatie. Plantaardige biomassa bestaat voor ongeveer de helft uit suikers en bevat verder lignine (40 procent) die planten hun stevigheid geeft en een beetje eiwit (10 procent). Maar suikers die voor vergisting geschikt zijn komen pas in oplossing na blootstelling aan geschikte enzymen die de lange suikers in stukken knippen. Dat hydrolyseproces kan 1-5 dagen in beslag nemen. Een speciaal apparaat scheidt vervolgens de suikers in oplossing van de onopgeloste lignine. In de proeffabriek is een vat van 9 kubieke meter aangebracht dat groot genoeg is om de grootste vergistingstank (8 kubieke meter) mee te bedrijven.

Een andere belangrijke functie van de voorbehandeling met hete stoom is de sterilisatie. Biotechnologische processen met gisten, schimmels of bacteriën zijn erg gevoelig voor infectie van buitenaf. Met een wilde import uit het bos komt natuurlijk van alles mee dat je niet in je reactor wilt hebben.

 

Eenmaal op het niveau van suikers volgt de fermentatie waar de BPF grote ervaring mee heeft. De BPF kent vier 100-liter vaten en vier van 300 liter om verschillende stammen naast elkaar te kunnen vergelijken. De fabriek is goeddeels geautomatiseerd met 2500 automatische kleppen om de processen te sturen. Vanuit de controlekamer houden operators een oogje in het zeil. Wanneer een keuze gemaakt is voor een bepaalde stam kan het proces opgeschaald worden naar 1000, 4000 of 8000 liter. De industriële schaal zit daar met 250.000 tot 2.500.000 liter nog een orde boven.

 

Dan volgt de zuivering van het product uit de reactorvloeistof. In fabriekstermen heet dat de downstream processing. Als het product in de cellen zit, moeten die eerst ‘gehomogeniseerd’ worden. Dan volgt een slimme combinatie van centrifugeren, filtreren, decanteren (scheiding van vast en vloeibaar) of kristallisatie om het product te zuiveren. De praktijkervaring van de operators komt de klant goed hier van pas, omdat vooral start-ups doorgaans weinig idee hebben van de beschikbare technieken.

 

De foodgrade afdeling tot slot is speciaal ingericht voor alle stoffen die voor menselijke consumptie zijn bedoeld. Dat houdt in dat de ruimte van de rest van de fabriek geïsoleerd is en aan extra eisen voldoet. Er vindt ook fermentatie en zuivering plaats, maar dan op kleinere schaal en onder scherper toezicht.

 

Durfkapitaal

 

“Er zijn wel andere Europese bio-proeffabrieken (Bio Base Europe in Gent, ARD in Frankrijk, Fraunhofer in Duitsland, red.)”, zegt Van de Kant, “maar die bieden minder apparatuur, kennis en industriële ervaring. Als de mensen hier weggaan hebben ze voldoende kennis om een fabriek op te zetten.” In Amerika zijn meerdere proeffabrieken, maar die zijn niet open voor andere bedrijven

Wat Amerika in zijn ogen wel beter doet is de ondersteuning van start-ups. Men durft er makkelijker om geld in veelbelovende technostarters te steken, ook al weten ze dat er soms niks uitkomt. “In de VS mag je falen. Hier wordt je dat lang aangerekend.”

 

Het bedrijf DAB dat de winning van olieachtige stoffen wil verbeteren zou graag aan de slag gaan bij de BPF, legt Steinbusch uit: “Er is veel materiaal, kennis en kunde bij de BPF aanwezig. Daarnaast hebben ze alle vergunningen om met gemodificeerde organismen te werken. Door met hen samen te werken, scheelt dat ons hoge investeringskosten voor het demonstreren van haar technologie op pilot-schaal.”

Met de prijs die ze gewonnen heeft kan ze een studie laten doen naar hoe het proces daar op kan schalen.

 

KADER:

De Bioprocess Pilot Facility Plant heeft 30 mensen in dienst: vijf procestechnologen, 18 operators en zeven mensen in overhead.

Het geïnvesteerde vermogen bedraagt ongeveer 75 miljoen euro, het oppervlak meet 5.000 vierkante meter.

Het eerste gedeelte (fermentatie en zuivering) ging op 15 mei 2012 in bedrijf. Het gedeelte voor voorbehandeling van ruwe biomassa kwam er op 19 maart 2015 bij.

Aandeelhouders van de non-profit BPF bv zijn TU Delft, DSM en Corbion. Zij legden 7 miljoen euro in. Subsidies met een totale waarde van 30 miljoen euro werden ontvangen van het ministerie van economische zaken, landbouw en innovatie, het Europese fonds voor regionale ontwikkeling (via de provincie Zuid-Holland) en van de gemeenten Den Haag, Delft en Rotterdam. Website: www.bpf.eu

 

(*) Process for the recovery of lipids or hydrocarbons

(28 Feb 2014) aanvraagnummer: N 2012334 op naam van Maria Cuellar Soares, Luuk van der Wielen en Arjan Heeres.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Posted in Delta.