Plantkundige duurzaamheid – de drie planten die onze toekomst zullen bepalen

 Planten hebben de toekomst. In onze zoektocht om minder afhankelijk te worden van fossiele brandstoffen, zal de wereld overstappen van het oppompen van ruwe olie naar het inzoomen op plantaardige energiebronnen en grondstoffen. In dit artikel achterhalen we de geheimen van drie organismen die de toekomst een nieuwe vorm gaan geven: algen, maïs en dennenbomen.

Al sinds het begin van de mensheid gebruikt de mens planten. Gedurende de geschiedenis zijn we afhankelijk geweest van groene organismen voor ons eten en onderdak. Toen we overstapten op landbouw om onze gemeenschappen te voorzien van voedsel, lieten we de jagers-verzamelaarslevensstijl van onze voorvaders achter ons en maakten we zo het pad vrij voor de complexe samenlevingen van vandaag. Onze omgang met planten is letterlijk van levensbelang geweest voor onze evolutie.

Nu we terecht zijn gekomen in een wereld die bedreigd wordt door klimaatverandering en luchtvervuiling, wenden we ons weer tot deze oude organismen voor de oplossing. Al meer dan tien jaar is het onze missie om de mens minder afhankelijk te maken van fossiele grondstoffen. Dit doen we door gebruik te maken van hernieuwbare alternatieven, zoals plantaardige biomassa. Sinds kort richten we ons op plantaardige biomassa die niet ten koste gaat van de voedselvoorziening. We zijn begonnen met het in kaart brengen van biomassabronnen zoals afval en reststoffen uit de bos- en landbouw. Ook kijken we naar planten die groeien op plekken waar geen voedsel verbouwd kan worden.

Eén van de meest veelbelovende opties om fossiele grondstoffen te vervangen, is het gebruik van algen. Deze 1,2 miljard-jaar oude mini-organismen worden eigenlijk al heel lang gebruikt in de energievoorziening, aangezien een groot deel van de fossiele olie afkomstig is uit eeuwenoude algen. Vandaag de dag weten wetenschappers hoe ze het proces waarin algen worden omgezet in een levensvatbare grondstof voor brandstof, chemicaliën en polymeren kunnen ‘hacken’. Wat ooit millennia duurde, is nu in een paar dagen of zelfs uurtjes gepiept.

Hoewel algen vaak het ‘voedsel van de toekomst' worden genoemd, kunnen ze ook een belangrijke ‘grondstof van de toekomst’ worden.

De opkomst van biogebaseerde grondstoffen kent meerdere voordelen. Zo levert het gebruik van brandstof, en andere producten die vervaardigd zijn uit biomassa, minder broeikasgasuitstoot op dan bij producten die afkomstig zijn van ruwe olie. Dit komt omdat biogebaseerde producten gemaakt kunnen worden van planten die tijdens het groeien zelf koolstofdioxide opvangen. Dit is een aanzienlijk pluspunt en een belangrijke reden voor Neste en andere vooruitstrevende bedrijven om al meer dan een decennium te investeren in biomassaonderzoek en -ontwikkeling.

Alles tezamen zou er volgens een Amerikaans onderzoek alleen al in de Verenigde Staten 1,5 miljard ton biomassa per jaar kunnen worden gewonnen uit plantaardig(e) afval en gewassen die geteeld worden voor brandstof. Dit zou tot 30% van de energie kunnen vervangen die momenteel middels ruwe olie wordt opgewekt.

Laten we enkele van de meest veelbelovende kandidaten voor de productie van biobrandstoffen, biogebaseerde polymeren en chemicaliën en andere producten op basis van biomassa op een rijtje zetten. Deze groene organismen variëren van kleine groene bolletjes tot torenhoge bomen.

 
Microalgen: een minuscuul mirakel

Je kunt microalgen zien als een soort primitieve planten. Deze eencellige organismen, die soms kolonies vormen, zijn de basisorganismen voor alle watervoedselketens en produceren een aanzienlijk deel van de zuurstof die we inademen. De mensheid maakt al duizenden jaren gebruik van algen als voedselbron. Het werd vroeger al geoogst door de Azteken en tot op de dag van vandaag worden bepaalde algen als delicatesse beschouwd in Indiase gemeenschappen.

Hoewel algen vaak het ‘voedsel van de toekomst' worden genoemd, kunnen ze ook een belangrijke ‘grondstof van de toekomst’ worden. Verschillende soorten worden nu onderzocht op hun veelbelovende potentieel als grondstof voor allerlei toepassingen dankzij hun snelle voortplantingssnelheid en hoge koolhydraat- en vetgehalte. Aangezien er naar schatting 30.000 tot meer dan een miljoen verschillende algensoorten zijn, kunnen er nog veel meer handige soorten opduiken.

 
Welke soorten algen maken wetenschappers op dit moment enthousiast?

De Botryococcus braunii is een kolonievormende alg die voorkomt in zoet en brak water. Fossielen van deze soort worden in verband gebracht met kolen en olieschalie (een zacht sedimentair gesteente dat bestaat uit klei en andere mineralen, vol fossiele energie). Dankzij nieuwe technologieën kunnen we dezelfde koolwaterstoffen die in prehistorische kolen en olieschalie voorkomen, onttrekken uit levende Botryococcus, zonder dat we daarvoor duizenden jaren aan hitte en druk nodig hebben.

De Botryococcus is een van de algen die ‘gemelkt’ kan worden voor koolwaterstoffen en andere stoffen. Bij dit proces raken de cellen niet beschadigd en kunnen er ook meer kolonies worden gevormd. Aangezien de hieruit afgeleide stoffen vaak al bestaan uit koolwaterstoffen, kunnen ze eenvoudig geraffineerd worden tot brandstof, zoals benzine en diesel. Ze kunnen daarnaast ook worden ingezet als grondstof voor de productie van polymeren en chemicaliën.

Biobrandstoffen op basis van algen zullen de komende jaren waarschijnlijk steeds rendabeler worden.

Chlorella vulgaris is een eencellige alg die vrij bekend is vanwege zijn populariteit als voedingssupplement. Het hoge chlorofylgehalte geeft smoothies een fotogenieke, heldergroene kleur. Maar het potentieel van Chlorella strekt tot ver voorbij de keuken.

Dankzij de grote hoeveelheden oliën en koolhydraten die erin voorkomen, is het een belangrijke gegadigde voor de productie van een variëteit aan biogebaseerde producten. Chlorella's massa bestaat in sommige gevallen tot wel vijftig procent uit olie. Die olie kan verfijnd worden tot diesel of vliegtuigbrandstof, of gebruikt worden als grondstof voor polymeren en chemicaliën. Daarnaast kunnen de koolwaterstoffen ervan gefermenteerd worden, bijvoorbeeld tot ethanol.

Chlorella is ook opvallend weerbaar. Wanneer je Chlorella laat groeien onder voedselarme omstandigheden, kan er een energierijkere plant uitkomen dan wanneer je de alg onder ‘optimale’ omstandigheden laat groeien. Dit betekent dat we goedkope voedingsstofbronnen, zoals huishoudelijk afvalwater, zouden kunnen inzetten om Chlorella-kwekerijen te voeden.

 
Gaat het kweken van algen mainstream worden?

Aangezien algen gekweekt kunnen worden op land dat niet bruikbaar is voor de landbouw, hoeven deze minuscule organismen niet te concurreren met voedselgewassen. Volgens sommige schattingen zou je met minder dan een halve hectare grond al meer dan 20.000 liter olie kunnen produceren. Dit is een grote verbetering ten opzichte van andere oliegewassen. Omdat algen maar al te graag koolstofdioxide opnemen, zouden we deze algenkwekerijen ook in de buurt van bestaande fabrieken kunnen bouwen die gebruik maken van fossiele brandstoffen. Zo wordt de uitstoot daarvan enigszins gecompenseerd.

Biobrandstoffen op basis van algen zullen de komende jaren waarschijnlijk steeds rendabeler worden. Dit is mede te danken aan genetische modificatie, waarmee we de productie van algencomponenten die geschikt zijn voor brandstofproductie en revolutionaire winningsprocessen verder kunnen optimaliseren. “Uit algen afkomstige koolhydraten vormen een zeer goede grondstof voor de vervaardiging van ethanol en biogassen, en de olie is zeer geschikt als grondstof voor diesel en vliegtuigbrandstof,” zo bevestigt Aino-Maija Lakaniemi, senior-researcher bij Neste.

En brandstoffen zijn niet de enige toepassingen die worden overwogen. Algen kunnen ook gebruikt worden voor de productie van biogebaseerde polymeren en chemicaliën. Daarnaast lijken ze veelbelovende kwaliteiten te hebben voor het creëren van de basismaterialen voor biologisch afbreekbaar textiel. Als bezienswaardigheid voor het publiek staat er een “levende en ademende kroonluchter” met plastic bladeren vol algen tentoongesteld in het Victoria and Albert Museum in Londen. De algen nemen de koolstofdioxide in zich op en reinigen zo de lucht.

 
Maïs: een energiegoudmijn

Maïs werd zo'n 10.000 jaar geleden voor het eerst verbouwd in Mexico. Daar gebruikten ze een grasplantje, genaamd teosinte, voor. De oudste maïskolven ter wereld, ontdekt in een Mexicaanse grot, waren al 6250 jaar oud, aldus een onderzoek uit 2001. De zaadjes van de teosinte waren echter heel klein en bijna niet te verteren.

Door middel van een eeuwenlange selectieve teelt, hebben we nu de gigantische maïskolven die we op de barbecue leggen en voor andere voedselproducten gebruiken. Dit ontwikkelingsproces, voltooid lang voordat de genetica echt werd begrepen, getuigt van de vindingrijkheid van de vroege mens. De zeventiende-eeuwse ontdekkingsreiziger John Lawson noemde maïs ook wel “de meest bruikbare graansoort ter wereld”. Hij had dat goed gezien. Vandaag de dag vormt maïs de grootste bron van eetbare granen.

 
Wist je dat maïs niet alleen als brandstof voor ons lichaam dient?

Maïsproductie zorgt voor grote hoeveelheden maïsafval. Gelukkigen hebben we snel een manier kunnen vinden om ook hier gebruik van te maken. “Maïs is een zeer interessante plant. Het is erg efficiënt qua biomassaproductie, groeit heel snel en haalt op zeer efficiënte wijze CO2 uit de atmosfeer,” zegt Perttu Koskinen enthousiast. Hij is vice-president innovatie, ontdekking en externe samenwerking bij Neste.

Dankzij moderne technologie kan de maïsproductie bijna afvalvrij worden gerealiseerd.

De volgende grote doorbraak zal bestaan uit het benutten van alle mogelijke onderdelen van landbouwgewassen, zoals maïs, als grondstof. Dankzij moderne technologie kan de maïsproductie bijna afvalvrij worden gerealiseerd.

De graanresten kunnen bijvoorbeeld worden ingezet als veevoer. Maïs is daarnaast de grootste bron van ethanolbrandstof. Ethanol levert in sommige gebieden tot 10% van de brandstofbehoefte. Na de ethanolvervaardiging blijft er een waardevol restproduct over met proteïne en olie. Deze oneetbare olie, ook wel technische maïsolie (TMO) genoemd, kan verder worden ontbonden en verwerkt tot hernieuwbare diesel, vliegtuig brandstof of grondstof voor polymeren en chemicaliën. Het proteïnerijke restproduct wordt dan weer gebruikt als veevoer.

Hernieuwbare diesel is veelbelovend gebleken als alternatief voor traditionele fossiele diesel. "Deze hernieuwbare diesel is zonder enige beperking perfect geschikt voor bestaande dieselvoertuigen en de brandstofdistributie. Het brandt ook schoner dan ‘normale’ diesel omdat het een puur koolwaterstofproduct is,” legt Koskinen uit. “Het beschikt niet over de aromatische verbindingen die we terugvinden in traditionele diesel. Dat is ook de reden dat veel stadsbussen op ons product rijden. Door over te stappen van fossiele diesel naar deze brandstof, verminder je de transport-gerelateerde broeikasgasemissies en draag je je steentje bij aan een schonere lucht.”

 
Gaan we binnenkort plastic op basis van maïs gebruiken?

Net als bij algenolie kan ook technische maïsolie gebruikt worden om grondstoffen te maken voor biogebaseerde polymeren en chemicaliën. Plastic op basis van maïs is een veelbelovend biologisch afbreekbaar alternatief voor plastic dat gemaakt wordt op basis van conventionele ruwe olie. Daarnaast bevatten zelfs de steel- en bladresten van maïs, ook wel maïsstro genoemd, verbindingen die kunnen worden omgezet tot toekomstige brandstoffen.

De koolhydraten uit de cellulose en hemicellulose van maïsstro kunnen tevens gefermenteerd worden voor extra ethanol. Zelfs de lignine kan worden verbrand om energie op te wekken voor het productieproces. Via thermochemische technieken, zoals vergassing, kunnen we van maïsstro ook nog eens diesel en vliegtuigbrandstof maken. Als al deze technieken samen komen, kunnen we maïs ‘van top tot teen’ benutten in de toekomst.

 
Dennen: meer dan alleen een kerstboom

Dennenbomen zijn eigenlijk levende fossielen. Het zijn de voorvaders van onze moderne fijn- en zilversparren. Het oudste dennenappelfossiel dateert van 140 miljoen jaar geleden. Een aantal nog levende exemplaren zijn zelfs ouder dan de moderne mens. De oudste levende boom is een zogeheten bristlecone-den uit Californië. Deze is naar schatting bijna 5000 jaar oud. Voor de vroegere mens boden dennen voedsel en gereedschapsmateriaal. Bij een recente opgraving werd bijvoorbeeld een stuk touw gevonden dat neanderthalers hadden gemaakt van wintergroene boomschors.

De bosbouw produceert miljarden tonnen aan restproducten die allemaal gebruikt kunnen worden om hernieuwbare brandstof, chemicaliën en materialen mee te maken.

Dennen zijn ook van cultureel en mythologisch belang. Het bekendste verhaal is waarschijnlijk dat van de Kelten en de Romeinen. Zij gebruikten de wintergroene dennentwijgen als symbool van doorzettingsvermogen en vernieuwing tijdens hun winterzonnewendevieringen. Deze traditie werd later overgenomen door christenen. We kunnen onze heidense voorlopers dus bedanken voor de conifeerlucht die nu symbool staat voor het kerstfeest.

 
Het gebruik van dennenresten is een kostenefficiënte win-winsituatie

Dennenbomen vormen een van de belangrijkste boomsoorten die intensief worden gekweekt en gekapt voor houtwinning. In totaal produceert de bosbouw wereldwijd elk jaar weer miljarden tonnen aan restproducten. Denk bijvoorbeeld aan boomtoppen en takken, maar ook aan industriële resten, zoals de schors en het zaagsel. Allemaal kunnen ze gebruikt worden om hernieuwbare brandstof, chemicaliën en materialen te maken.

"Restproducten zijn heel goedkoop als je ze bij de bron inkoopt. De vergoeding die de bosbezitter hiervoor ontvangt, bedraagt maar een paar procent van de totale grondstofkosten. De meeste grondstofkosten zitten hem in handelingen elders in de keten, zoals bij de inzameling en het transport,” merkt Petteri Nuolivirta op. Hij is technologiemanager bij Neste en richt zich op lignocellulose.

Dennenbomen verspreiden geurige harsen die dienen ter bescherming tegen insectenplagen. Vandaag de dag weten we hoe we deze plakkerige substantie kunnen omzetten tot koolwaterstoffen en biogebaseerde chemicaliën en materialen. Dankzij recente interessante doorbraken kunnen wetenschappers nu ook de cellulose en hemicellulose van de dennenboom tot ethanol fermenteren.

Een Amerikaans bedrijf is, samen met een aantal andere bedrijven, al begonnen met het op de markt brengen van een biobrandstof op basis van dennen. Voor de brandstof wordt gebruik gemaakt van de methode van vergassing, waarbij houtresten worden verhit om een gas vrij te maken dat vervolgens wordt geraffineerd tot diesel of vliegtuigbrandstof. Deze brandstof zal onder andere worden gebruikt door Southwest Airlines en het Amerikaanse leger. "Tussen elke twee pijnbomen is een deur naar een nieuwe wereld te vinden", beweerde John Muir, een van de eerste bekende milieuactivisten in de Verenigde Staten. Met de komst van nieuwe technologieën hebben we een wereld van belofte en potentieel in de bomen zelf ontdekt.

 
De rol van planten in de toekomst?

Net als de eerste mens die een boomtak tot werktuig heeft geslepen, scherpen wij ons gebruik van planten en plantenresten op steeds verfijndere wijze aan. Deze hernieuwbare alternatieven bieden een realistische hoop voor onze campagne om niet langer afhankelijk te zijn van fossiele olie. Door planten te ontleden op celniveau, kunnen we ze verfijnen tot een reeks nuttige verbindingen die de potentie hebben om een groenere en bewoonbaardere planeet te realiseren voor alle levensvormen op aarde.

Wetenschapsschrijver Richard Pallardy was als redacteur verbonden aan Encyclopedia Britannica. Zijn stukken zijn ook verschenen in uitgaves van National Geographic Learning, op Earth.com en Areo Magazine.