Oxidatie van organisch materiaal en energieproductie bij microbiële brandstofcellen.

Weet u zeker dat het voortbestaan van het menselijke ras, wanneer u en iedereen die u kent er niet meer is, u echt interesseert? Dat vraagt Max Frisch zich af in zijn dagboek ‘Lastige Vragen’. Als we het huidige verbruik van energiebronnen onder de loep nemen, lijkt het of we koudweg ‘neen’ antwoorden. Après moi le déluge, of toch niet?

Olie in cultuur omzetten De hoofdbezigheid van alle levende wezens is ongetwijfeld het verzamelen van bruikbare energie. De mens is daar zeker geen uitzondering op. De explosieve groei van wetenschap en techniek staat of valt met de beschikbaarheid van een goedkope energiebron. Sinds de industriële revolutie is die energiebron vooral een koolstofgerelateerde energiedrager zoals olie, aardgas en steenkool. Nog nooit in de geschiedenis veranderde er zoveel in een tijdspanne van een mensenleven en kon de denkende mens zijn leven zo sterk vormgeven. U zal er misschien niet bij stilstaan, maar zonder deze koolstofenergie zou uw leefwereld nauwelijks luxe of hygiëne bevatten. Maar na de euforie komt evenwel de ontnuchtering omdat deze culturele (r)evoluties nog steeds worden gedragen door koolstofenergie en dat resulteert in een aantal bedreigingen.

Koolstofenergie: no future Allereerst is de koolstofenergie op aarde beperkt. We zullen de komende decennia de harde wet van vraag en aanbod steeds harder beginnen voelen in de geldbeugel. Mochten alle mensen op aarde plots evenveel koolstofenergie verbruiken als wij Westerlingen, dan zou het licht uitgaan. Niet alleen letterlijk, ook de culturele motor zou sputteren omdat zowat alle menselijke processen herdacht zouden moeten worden.   Daarnaast komt er bij het verbruik van koolstofenergie veel meer koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer dan wanneer we de niet-menselijke natuur gewoon zijn gang zouden laten gaan. Deze CO2 zou in grote mate verantwoordelijk zijn voor toekomstige klimaatswijzigingen. In het kader van het internationale Kyoto-protocol wordt dan ook druk gezocht naar een energieproductie waarbij er geen CO2 vrijkomt.   Dure duurzaamheid Hoe gunstig kernsplitsing ook is voor het Kyoto-protocol, de hoeveelheid nuttig radioactief materiaal op aarde is ook beperkt. Zelfs als we ervan zouden uitgaan dat het volledig veilig is en er geen militaire misbruiken zouden zijn, is kernsplitsing nog steeds niet kosjer. De berging van radioactief materiaal is nooit voor honderd procent veilig. Dit is in strijd met het gedachtegoed van duurzaamheid om de toekomstige generaties niet zomaar op te zadelen met problemen die vandaag veroorzaakt worden.  Kernfusie zou het probleem met het kernafval sterk kunnen verminderen, maar er zijn momenteel grote technische problemen. Van een understatement gesproken.  

Technieken die wel als duurzaam beschouwd worden zijn windenergie, waterenergie, zonne-energie, aardwarmte-energie en het genereren van energie uit biologische producten. De voordelen van duurzame energie zijn dat ze geen CO2-vervuiling veroorzaken en dat ze de mensheid nog zullen overleven.

Maar hou het enthousiasme over de huidige, duurzame technieken gerust maar wat gedempt. Het rendement van zonne-energie is bedroevend en waterenergie kan slechts beperkt toegepast worden. Zelfs al stond het land vol windmolens dan nog zouden we aan onze huidige energievraag niet kunnen voldoen. Alle velden van ons landje bezaaien met koolzaad zou slechts een fractie van ons wagenpark kunnen voorzien van energie. Dan zwijgen we nog over het desastreuze effect voor de natuurlijke biodiversiteit. Hoe verantwoord is het eigenlijk om plantaardige olie op vruchtbare landbouwgrond te kweken wanneer er mensen omkomen van de honger? Duurzame energie is momenteel nog veel te duur om de Westerse economie op andere, groenere gedachten te zetten.

Een afvalprobleem is een energieprobleem Het huidige consumptiepatroon levert ook nog een andere bedreiging op. Menselijke activiteit resulteert in afval en afval is per definitie iets waarvan men zich wil ontdoen. Als dit afval giftig, onhygiënisch of storend is dan zal er energie nodig zijn om dit op te lossen. Hoe meer afval we creëren, hoe meer energie er zal nodig zijn om dit ongedaan te maken. In het ideale geval kunnen we afval voorkomen of hergebruiken. Als dit niet mogelijk is, dan moet de vervuiling opgeruimd worden. Biologische processen zijn hierin erg interessant omdat ze de energie vervat in het afval zelf gebruiken om het afval teniet te doen. Een voorbeeld is waterzuivering met behulp van actief slib waar bacteriën het afval opeten en zo het water zuiveren. Het rioolwater wordt bijna overal op deze manier gezuiverd. Als men uiteindelijk kan komen tot een situatie waarin micro-organismen niet alleen het afval opeten, maar er ook nog bruikbare energie uit genereren, dan is er nog veel meer sprake van duurzaamheid. De microbiële brandstofcel (MBC) is een poging in die richting.   De microbiële brandstofcel Op het laboratorium van Professor Willy Verstraete in Gent, LabMET, sprong men een paar jaar geleden mee op de nieuwe, beloftevolle trein van de microbiële brandstofcel. Onderzoekers hadden aangetoond dat bacteriën bepaalde grondstoffen zoals suiker of azijn direct konden omzetten in elektrische stroom. De microbiële brandstofcel, waar voeding inging en elektriciteit uitkwam, was geboren.   In de experimenten van dit onderzoek ontwierpen we een nieuwe reactor en testten we ook een nieuwe voedingsbron voor de bacteriën. Als de bacteriën afvalwater te eten kregen, dan bleken ze zowel het water te zuiveren als elektriciteit te produceren. Bovendien wordt er zo geen extra CO2 geproduceerd, waardoor de microbiële brandstofcel zowel duurzaam energie levert als duurzaam afvalwater zuivert!   Met de nieuwe reactor kon een efficiëntie van 86% gehaald worden. Dit betekent dat 86% van een voedingsbron als suiker kon omgezet worden in elektriciteit door de bacteriën. De hoogste efficiëntie in een continue microbiële brandstof was bereikt! Met dit design konden we nu het afvalwater testen als voeding voor de bacteriën. Maar de bacteriën leken niet zo verslingerd aan afvalwater. Afvalmoleculen zijn nu eenmaal complexer opgebouwd, zodat bacteriën meer 'kennis' (lees: genetische informatie in hun DNA) nodig hebben om het afval af te breken. In een microbiële brandstofcel leven deze bacteriën in moeilijke omstandigheden omdat ze het grootste deel van de energie uit hun voeding aan ons afgeven onder de vorm van elektriciteit. Zo blijft er weinig energie over voor hen, wat hun genetisch aanpassingsvermogen wat belemmert. Hopelijk leest het Bacterial Liberation Front niet mee, anders kan LabMET het schudden.   De zoektocht blijft duren De microbiële brandstofcel blijft voorlopig in een experimenteel stadium. Vraag er dus nog niet direct naar in uw winkel, maar weet dat de kleine wezentjes op een dag voor u zullen klaarstaan. Als u dan zult doorspoelen in het kleinste kamertje, bedenk dan dat het een win-winsituatie wordt. Zij krijgen eten en wij televisie.