In de bio-economie is de verwerking van planten het belangrijkst, maar de rol van dieren in de bio-economie is ook groot.
Dit stuk werd eerder gepubliceerd op de site van NNFCC.
De bio-economie bestaat voor het grootste deel uit de verwerking van planten. Planten zijn de grootste bron van biomassa die wordt verwerkt tot producten en wordt verbrand om bio-energie te maken. Daarom krijgen planten ook de meeste aandacht. De rol van dieren in de bio-economie is op kleinere schaal. Er is één groot verschil: de ethiek. Plantenwelzijn heeft geen ethische betekenis (hoewel we wel in land- en bosbouw proberen om de optimale groeicondities te scheppen voor het gewas). Toch is er een rol van dieren in de bio-economie. Steeds meer halen we zelfs inspiratie uit dieren bij bio-economische processen: in de bionica imiteren we de natuur in de industrie, gebruik makend van miljoenen jaren van evolutie bij het ontwikkelen van doelmatige processen. De bio-economie kan goed gebruik maken van zo’n benadering.
Spinrag: een wonderbaarlijk materiaal
We weten al lang dat spinrag bijzondere eigenschappen heeft. Het materiaal staat bekend om zijn enorme treksterkte – zeer gewenst voor vezels – en om zijn weerstand tegen breuk. In de sector van biobased producten wordt spinrag vaak gezien als de ‘heilige graal’: een materiaal met vele toepassingen, die revolutionair zouden kunnen zijn.
Het probleem met spinrag is dat het materiaal in de natuur alleen wordt gemaakt door spinnen, en alleen in bepaalde omstandigheden. Het houden van spinnen is haast onbegonnen werk, want de dieren zijn solitair en beschermen hun territorium – we hebben allemaal de films van David Attenborough gezien waarin vrouwtjesspinnen hun echtgenoten oppeuzelen. Toch zijn onderzoekers van de Oxford Silk Group erin geslaagd spinnenzijde op industriële manier te maken. De spinnen worden verdoofd en vastgebonden, en hun zijdeklieren verbonden met draaiende spoelen, die het voortdurend gemaakte spinrag opslaan. De moeilijkheid is dat de draad van het spinrag eerst verbonden moet worden met de spoel, een moeilijk en tijdrovend werkje – niet geschikt voor in de industrie. En dan hebben we het nog niet over de ethische vragen rond de verdoving van spinnen, ook al zeggen de onderzoekers dat de dieren daar geen last van hebben.
Een haalbaar commercieel proces voor het maken van spinrag is een belangrijk vraagstuk geworden in de bio-economie. Van alle pogingen noemen we die van bedrijven als AMSilk, Bolt Threads, en Spiber die hebben gekozen voor de gebruikelijke biochemische benadering van fermentatie om de eiwitten te maken en daarna te spinnen tot draden. Het maken van spinrag uit genetisch gemodificeerde bacteriën is nu een bewezen, maar wel dure technologie. Vooral de verdere bewerking is kostbaar, het afscheiden van eiwitten uit het reactiemengsel en vervolgens spinnen. Deze kosten zijn zó hoog dat de zo gewonnen vezels niet commercieel kunnen worden geproduceerd. Een vergelijkbaar proces is ontwikkeld door Nexia biotech. Zij gebruikten ook dieren: enigszins bizar hebben ze ‘spinnengeiten’ ontwikkeld – genetisch gemodificeerde geiten waarvan de melk alle vereiste eiwitten bevat voor het maken van spinrag. Net als bij het fermentatieproces moet uit deze melk het spinrag nog worden gesponnen. Ook dit proces blijkt veel te duur te zijn, en Nexia is sindsdien ook failliet gegaan, hoewel sommige onderzoekers nog steeds bezig zijn met het maken van spinrag uit geitenmelk.
En toch is er een bedrijf dat goedkoop genoeg spinrag kan maken: Kraig Biocraft. Zij hebben een totaal andere weg gekozen, ook met dieren als intermediair. Het bedrijf heeft genetisch gemodificeerde zijdewormen ontwikkeld, die zelf het spinrag spinnen, vrijwel net als het spinnen van zijde. Het bedrijf zegt dat het maken van spinrag op deze manier 100 keer goedkoper is dan bij gebruik van fermentatie. Dit jaar heeft Kraig aangekondigd voor het eerst commercieel spinrag te gaan maken, zij het nog voor militaire doeleinden. Binnenkort hoopt het bedrijf ook zijn producten te kunnen afzetten op de markt van duur textiel. Dat zou een groot succes zijn voor het jarenlange onderzoek waarmee een van de prachtigste materialen van de natuur geschikt is gemaakt voor menselijk gebruik.
Dieren in de bio-economie
Maar er is niet alleen een rol van dieren in de bio-economie bij het maken van producten en materialen. De bionica of biomimicry gaat over zowel processen als producten. Op dit gebied kunnen dieren ons helpen bij kwesties rond onze belangrijkste bron van biomassa: planten. Bij het behandelen van plantaardige biomassa is lignine een belangrijke sta-in-de-weg geworden. Dit complexe polymeer is een van de drie hoofdbestanddelen van plantaardige biomassa. Bij bioraffinage hebben we meestal vooral belangstelling voor cellulose, maar om daarbij te komen moeten we deze eerst scheiden van de lignine die hem versterkt. Dit kan met ingrijpende fysische en chemische processen, die deze scheiding duur maken. Daarom bestaat er in de bio-economie altijd veel belangstelling voor betere verwerkingsmethoden van lignocellulose, en hier wijzen dieren ons de weg.
Dieren hebben al middelen ontwikkeld om hout te behandelen: veel dieren eten hout, en deze dieren geven ons inzicht in de verwerkingsmethoden. De meeste van deze dieren verteren plantaardige biomassa met een uitgebreide darmflora: micro-organismen in het spijsverteringskanaal van de dieren die de lignine afbreken en het verteren van de cellulose overlaten aan de dieren zelf. Daarom is er bij industriële processen veel aandacht voor deze micro-organismen. Want hoewel zij alleen in heel specifieke omstandigheden werken, is het creëren van deze omstandigheden minder moeilijk dan het zelf afbreken van lignine.
Kort geleden heeft onderzoek naar passalidae, een familie van hout etende kevers, nieuwe ideeën opgeleverd. Deze kevers trekken alleen al de belangstelling van onderzoekers door hun merkwaardige sociale gedrag. Voor het verteren van hout gebruiken ze een in segmenten opgedeelde spijsvertering. Het microbioom van hun darmen is duidelijk opgedeeld, wat de afbraak mogelijk maakt van elk van de componenten van lignocellulose en de maximale opname van voedingsstoffen. Amerikaanse onderzoekers proberen dit nu te kopiëren in een bioraffinageproces. Zij delen het proces op in onderdelen en zetten verschillende micro-organismen aan het werk bij de afbraak van de biomassa. Dit verschilt van de gebruikelijke processen met micro-organismen. Deze gebruiken óf een monocultuur – in het geval van fermentatie – om concurrentie tussen de micro-organismen te voorkomen en om gunstige omstandigheden te bewaren voor het maken van de gewenste chemicaliën; óf een diverse polycultuur – met als klassiek voorbeeld in de bio-economie de anaerobe vergisting waarbij de omstandigheden minder nauw luisteren en de micro-organismen samenwerken bij het proces. De passalidae hebben hier een soort ‘tussenweg’ gevonden; deze kan leiden tot een doelmatiger bioraffinage in de toekomst, als we dit principe goed kunnen kopiëren.
Maar er zijn ook dieren die geen micro-organismen nodig hebben bij het verteren van houtige biomassa. De boorpissebed – een kleine kreeftachtige die een bekende bedreiging vormt in havens omdat deze het hout van boten, pieren e.d. eet – heeft een spijsverteringskanaal dat hout helemaal afbreekt zonder hulp van micro-organismen. Kortgeleden hebben onderzoekers van de universiteit van York de eiwitten gevonden die dit proces mogelijk maken. Ze denken dat dit kan leiden tot een goedkopere vorm van bioraffinage; het hout wordt dan eerst voorbehandeld met deze eiwitten, niet kostbaar en niet energie-intensief, en zonder te moeten voldoen aan de vele bijzondere eisen die micro-organismen stellen aan hun omgeving.
Nevenproducten van de voedselindustrie
Natuurlijk zijn dieren vooral nuttig voor mensen als bron van voedsel – elk jaar worden miljoenen dieren daarvoor grootgebracht. Afgezien van ethische kwesties op dit terrein, deze dieren brengen elk jaar duizenden tonnen nevenproducten voort, die gewoon worden weggegooid. Maar de bio-economie heeft ook middelen ontwikkeld om deze nevenproducten te gebruiken.
Het meest duidelijke voorbeeld is natuurlijk mest. Iedereen die ook maar een beetje afweet van wat wij doen bij NNFCC, weet dat bio-energie, en dan vooral anaerobe vergisting, een belangrijk deel daarvan uitmaakt; en daarin is mest een belangrijke grondstof. Het grote voordeel van mest boven andere grondstoffen voor deze vergisting is dat deze geen landbouwgrond nodig heeft die anders zou worden gebruikt voor voedselproductie, zoals bij energiegewassen. Mest is ook geen afval dat voorkomen zou moeten worden als wij ons houden aan de afvalpiramide, zoals wel het geval is met voedselafval. Mest kan duidelijk het beste worden verwerkt in kleinschalige installaties, en veel boeren in het VK met grote kuddes willen nu graag een eigen vergister bouwen. Daarmee kunnen ze hun eigen energie opwekken, en ook nog wat extra’s verdienen als ze biogas kunnen leveren aan het gasnet.
Maar er zijn ook meer innovatieve toepassingen van dierlijke nevenproducten. Wij noemen het voorbeeld van chitosan: een plastic gemaakt uit de chitine in garnalenschildjes. In landen waar garnalen een belangrijk volksvoedsel is, worden de lege schildjes vaak gewoon weggegooid, terwijl ze ook kunnen worden verwerkt tot een plastic met bijzondere eigenschappen. Chitosan is medisch goed bruikbaar, het is biocompatibel wat betekent dat het lichaam het niet afstoot. Het heeft antibacteriële eigenschappen, waardoor het heel geschikt is voor de verpakking van medische apparatuur. Onderzoekers proberen ook plastic tassen te ontwikkelen op basis van chitosan, iets waarvoor chitosan als biologisch afbreekbaar materiaal heel geschikt is. Natuurlijk moet de bevolking dan wel worden voorgelicht over de omstandigheden waaronder het afbreekt, misschien pas in industriële installaties. Er wordt ook onderzoek gedaan naar de merkwaardige zuurstof-opnemende eigenschappen van chitosan plastic zakken. Dit kan belangrijk zijn bij het verpakken van voedsel: het kan de levensduur van verpakt voedsel verlengen en het weggooien van voedsel tegengaan, veel voedsel wordt weggegooid terwijl het nog eetbaar is.
Hier is niet direct een rol van dieren in de bio-economie, maar zonder hun bijdrage zou dit allemaal niet kunnen voorkomen.
De last van dieren verlichten
De bio-economie kan ook de last van dieren aanmerkelijk verlichten. De industrie belast de dieren flink, met alle ethische kanten van dat vraagstuk. Bovendien zijn er nu milieubezwaren tegen het eten van steeds meer vlees. De bio-economie kan een bijdrage leveren aan het oplossen van deze vraagstukken.
Hier komen de micro-organismen weer om de hoek kijken. Boven hebben we gezien hoe dieren het soms beter doen dan micro-organismen, maar naarmate de technologie van fermentatie zich meer ontwikkelt, zullen micro-organismen belangrijke voedingsmiddelen veel duurzamer kunnen produceren dan de intensieve veehouderij. Het klassieke voorbeeld is het kweken van zalmen. Om het vetgehalte van kweekzalm te verhogen krijgen ze vaak omega-3 supplementen. Maar ironisch genoeg worden deze vaak gemaakt uit visolie van wilde soorten gevangen in de oceaan, zoals kabeljauw. Dit is erg inefficiënt – vis vangen om daarmee andere vis groot te brengen is onzinnig, behalve dan dat de laatste meer opbrengt – maar in de bio-economie kunnen we deze cirkel nu doorbreken doordat we omega-3 kunnen maken uit algen. De meeste mensen zullen beter bekend zijn met vleesvervangers gemaakt uit micro-organismen, bijvoorbeeld Quorn.
Planten blijven de basis waarop een belangrijk deel van de bio-economie wordt gebouwd. Maar de rol van dieren in de bio-economie is ook groot, zij het meer in bijzondere toepassingen.
Interessant? Lees dan ook:
Omega-3 vetzuren gemaakt uit maïs door mariene algen
Lignine op alle fronten in opmars, zegt Ludo Diels (Vito)
Genetisch aangepast spinrag