DAB MAAKT FERMENTATIE HELFT GOEDKOPER

NIEUW PLATFORM VOOR INDUSTRIELE BIOTECHNOLOGIE

Bij fermentatie zetten micro-organismen voedingsstoffen om in een bepaald product en een aantal bijproducten. In een tweede stap wordt het product van de processtroom gescheiden. Bij de technologie van DAB wordt het product gelijktijdig met de fermentatie afgescheiden.

"Het resultaat is een vijf tot tien keer zo hoge productie per kubieke meter reactorvolume. Hierdoor vallen de operationele kosten per kilo product gemiddeld de helft lager uit", legt Steinbusch uit.

DAB verhuisde in juli 2019 met zijn kantoor en lab van incubator YesDelft! Laboratoria van de Technische Universiteit Delft naar de Biotech Campus Delft. Daar staat sinds 2017 de Bioprocess Pilot Facility (BPF), waar verschillende bedrijven processen op pilotschaal kunnen testen. DAB voert hier tests uit voor klanten die te weten willen komen welke voor hen de mogelijkheden zijn van FAST: Fermentation Accelerated by Separation Technology.

 

Wie is Kirsten Steinbusch?

"De DAB-technologie leidt tot een vijf tot tien keer zo hoge productie per kubieke meter reactorvolume. Zo vallen de operationele kosten per kilo product gemiddeld de helft lager uit"

Na haar studie milieutechnologie aan de Wageningen Universiteit en Research, heeft Kirsten Steinbusch daar promotieonderzoek gedaan om uit organische reststromen hoogwaardige chemicaliën te winnen. Hierbij heeft ze veel ervaring opgedaan in de fermentatie met mengculturen. Naar aanleiding van een vondst richtte ze samen met anderen voormalig Waste2Chemical, nu ChainCraft, op. Dit bedrijf ontwikkelt technologie voor fermentatie met mengculturen. Nog voor de pilotfase van start ging, kreeg ze het aanbod van professor Luuk van der Wielen in Delft om de start-up DAB te leiden en nam dat aanbod in 2014 aan.

 

VAN SUIKERS NAAR OLIE

De ontwikkeling van de nieuwe technologie begon in 2008 bij Luuk van der Wielen, hoogleraar bioprocess engineering, en bij Sef Heijnen, hoogleraar cell systems engineering, beiden van de vakgroep bioprocestechnologie van de Technische Universiteit Delft. In die tijd stond het omzetten van suikers in olie sterk in de belangstelling. Het probleem was echter dat de fermentatie een stabiele emulsie opleverde, waaruit de olie slechts tegen hoge kosten gewonnen kon worden. De Delftse wetenschappers bedachten toen dat een combinatie van (an)aerobe productie en integratie van productie en scheiding de grootschalige commerciële omzetting van suikers of andere voedingsstoffen in olie binnen bereik zou kunnen brengen. In 2008 vroeg de TU Delft hierop een patent aan. In 2014 was er een eerste prototype van de reactor, waarin productie en scheiding tegelijk plaatsvonden. DAB werd opgericht om de technologie verder te ontwikkelen en Steinbusch werd aan­getrokken om daar leiding aan te geven. In april 2018 beschikte het bedrijf over een proof of concept.

“Het principe van onze uitvinding is een bio­reactor, die continu geconcentreerd product kan afscheiden tijdens de fermentatie”, legt Steinbusch uit. “De technologie is inmiddels gevalideerd en geaccepteerd door de markt. DAB is druk bezig klanten te werven.”

 

 

De nieuwe technologie komt op een goed moment, want de biotechnologie ontwikkelt zich razendsnel (zie kader). Inmiddels is het mogelijk om met micro-organismen allerlei stoffen uit planten na te maken, zoals geur- en smaakstoffen, leer en oersterk spinnenzijde. Grootschalige productie vraagt echter om een productiewijze die aanzienlijk efficiënter en goedkoper is dan de huidige klassieke batchfermentatie gevolgd door een aantal scheidingsstappen. Hierop biedt de FAST-technologie volgens Steinbusch een antwoord. “Een probleem bij fermentatie is vaak dat de pro­ductie van een stof gelimiteerd is. Afhankelijk van hoe toxisch een stof is, zal de productie van de micro-organismen bij een gegeven concentratie stoppen. Soms gebeurt dat al bij 0,5 gram per liter. Die halve gram van de overige 999,5 gram proceswater scheiden, is een kostbare zaak, zodat de productie van een stof m.b.v. fermentatie gevolgd door scheiding al gauw te duur is.

PRODUCT METEEN AFSCHEIDEN

“I.p.v. het product achteraf te schei­den, kun je dat beter doen terwijl je het product maakt. Hierdoor ontstaat er bij onze technologie geen emulsie en voorkom je vroegtijdig stoppen van de fermentatie door toxiciteit. Met het juiste oplosmiddel scheiden we het product geconcentreerd af en dankzij het reactorontwerp kunnen we dat doen zonder de fermentatie te hinderen. Dat vraagt wel om het combineren van twee stappen: enerzijds een goede menging, want anders vertraagt een slechte stofoverdracht de productie, en anderzijds een goede ontmenging om de scheiding van het product mogelijk te maken”, legt Steinbusch uit.

Met de huidige technieken is het volgens haar moeilijk om het product in situ, dus tijdens de fermentatie, te extraheren en de tweede vloeistoffase snel en volledig uit de fermentor te verwijderen. DAB past een snelle dosering van voedingsstoffen en extractiemiddel toe. Het roeren en de opstijgende gasbellen zorgen voor een intensief contact tussen de vloeistoffasen. In een apart onderdeel van de reactor vindt tijdens de fermentatie een snelle afscheiding van de extractiefase plaats (zie schema van de reactor). Volgens Steinbusch introduceert DAB hiermee procesintensivering op een nieuwe manier in de biotechnologie en brengt dit bepaalde bioprocessen economisch binnen bereik.

Als bij de klassieke fermentatie een halve gram olieachtig product per liter ontstaat, dan is het te duur om dat met een centrifuge af te scheiden. FAST-technologie levert tot wel vijf gram olieachtig product per liter op, dat wel economisch valt te scheiden. De conversie wordt niet gehinderd door een toxisch effect, omdat er steeds product wordt afgevoerd. Op die manier kan het medium ook veel micro-organismen bevatten met als resultaat dat de reactor per kubieke meter wel tien keer zoveel kan produceren als een klassieke batchreactor.

Steinbusch: “Met FAST stellen we een nieuw platform beschikbaar, waarmee biotechnologiebedrijven snel nieuwe stoffen in productie kunnen nemen en bestaande stoffen goedkoper kunnen produceren.”

Vanwege de lagere productiekosten komt in eerste instantie de fermentatieve productie van specialties binnen bereik, waarvan de productie tot nu toe niet economisch was vanwege de hoge toxiciteit. In tweede instantie brengt FAST door de hoge productiviteit ook de fermentatieve productie van ver­schillende commodities dichterbij.

“We hebben businesscases doorgerekend. Daaruit blijkt dat de productiviteit met FAST 5 à 10 keer zo hoog kan zijn, terwijl de opera­tionele kosten halveren”, verklaart Steinbusch. Tot de operationele kosten rekent zij de kosten van grondstoffen en energie en de vaste kosten, waaronder afschrijvingen op investeringen.

 

Biotechnologie ontwikkelt zich razendsnel

CEO Kirsten Steinbusch onderscheidt vier trends waardoor de biotechnologie zich versneld ontwikkelt:

1. Door de komst van CRISPR-cas rond 2016, een nieuwe, vereenvoudigde techniek om DNA te veranderen, kunnen micro-organismen nu veel gemakkelijker worden ingezet om bepaalde stoffen te maken.
   
   
2. Kunstmatige intelligentie is sterk in opkomst, waardoor het makkelijk te achterhalen is welke DNA-veranderingen het beste doorgevoerd kunnen worden.
   
   
3. De testen van ontwikkelde micro-organismen in laboratoria verlopen veel sneller, doordat kleinschalige fermentaties zijn gerobotiseerd.
   
   
4. De kosten van DNA-sequencing zijn sterk gedaald, waardoor baseparen van DNA-moleculen nu 10.000 keer goedkoper zijn dan voorheen.

Start-ups kunnen door dit alles veel gemakkelijker hun eigen stam van een bacterie, gist of schimmel ontwikkelen en schieten dan ook als paddenstoelen uit de grond. De productietechnologie loopt echter achter, maar daar brengt de DAB’s nieuwe technologie volgens directeur Kirsten Steinbusch verandering in.

 

HAALBAARHEIDSSTUDIES

DAB voert nu tests uit voor klanten in de Bioprocess Pilot Facility. De klant weet wat de huidige productiviteit en de kosten van zijn proces zijn. Daarna rekent DAB hoe de productiviteit en kosten uitvallen bij toepassing van de FAST-technologie. Dit gaat in vier stappen. Eerst stelt het bedrijf vast wat de kosten van een batchproces en scheiding zijn, wat een maand duurt. Daarna volgt een haalbaarheidsstudie van twee maanden over het uitvoeren van het proces van de klant met FAST in het laboratorium met aansluitend een pilot gedurende drie maanden. Binnen zes maanden is dan duidelijk of het inzetten van FAST-technologie haalbaar en aantrekkelijk is. Zo ja, dan sluiten de klant en DAB een licentieovereenkomst en volgt de vierde stap, waarbij het Delftse bedrijf de productie voorbereidt op demonstratieschaal. “Veel kleine biotechnologiebedrijven hebben geen installaties en besteden hun productie uit aan bedrijven met multifunctionele fabrieken.

Het idee is om daar een add-on voor te leveren, zodat die fabrieken ook met onze FAST-technologie kunnen werken. In de add-on, die in een loop is opgenomen, vindt de afscheiding van het product plaats. Daarna wordt het proceswater met micro-organismen naar de fermentor teruggevoerd, die continu blijft produceren. Op deze manier fungeert de add-on dan als een soort turbo.” Steinbusch verwacht dat de FAST-technologie binnen ongeveer een jaar beschikbaar zal zijn voor kleine biotechnologiebedrijven en dat grote bedrijven zelf met FAST aan de slag zullen gaan. In mei 2019 heeft DAB een financiële injectie van €2 miljoen gehad van twee nieuwe aandeelhouders, het venturecapitalfonds Forward en het regionaal ontwikkelingsfonds Innovation Quarter, om sneller te kunnen groeien. “Het komt er nu op aan om klanten uit de industrie te overtuigen van het feit dat ze met onze technologie een sprong vooruit kunnen maken.”