Zoeken naar de 'sweet spot' van biobrandstoffen

De vierbaans Anhangüera Highway leidt vanuit de financiële hoofdstad van Brazilië, São Paulo, in noordwestelijke richting naar een van de meest productieve landbouwgronden ter wereld. Het uitzicht vanuit een autoraam onthult plantages van harige eucalyptusbomen en koeienweiden vol termietenheuvels. Velden met suikerriet rollen uit het zicht over de heuveltoppen.

Sla bij kilometer 104,5 rechtsaf en je komt Techno Park binnen, een nette zakelijke onderzoekswijk die eruitziet alsof hij uit een buitenwijk van Californië is gescheurd. En in zekere zin heeft het dat ook. In een gebouw niet ver van de ingang staan ​​rijen netjes geordende werkplekken, glanzende fermentatietanks en rinkelende centrifuges. Al deze machines zijn een bijna exacte replica van de apparatuur in een fabriek in Emeryville, CA. Zelfs de kapstokken zijn hetzelfde.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2010

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Het gebouw is de Braziliaanse buitenpost van Amyris Biotechnologies, een Amerikaanse onderzoeksgroep die wordt geroemd om zijn werk met een subsidie ​​van de Bill and Melinda Gates Foundation om een ​​schaars malariamedicijn op grotere schaal beschikbaar te maken. De oprichter, Jay Keasling, wordt beschouwd als een pionier op het gebied van synthetische biologie, en het malariaproject, dat vele duizenden levens zou kunnen redden, is opgenomen in de New Yorker. Afgelopen mei ontving Keasling de eerste Biotech Humanitarian Award van de Biotechnology Industry Organization.

Minder bekend is dat Amyris meer dan 170 miljoen dollar aan durfkapitaal heeft opgehaald om zich in de biobrandstoffenindustrie te begeven en dat volgens de huidige plannen bijna al die brandstof in Brazilië moet worden geproduceerd. Roel Collier, een Belg die vloeiend Portugees spreekt en de leiding heeft over de operaties van Amyris in Brazilië, wijst naar een 12 meter hoge stalen tank waarin genetisch gemodificeerde gist zich tegoed doet aan het sap van het suikerriet dat in dit land zo overvloedig aanwezig is. Binnenin wordt de allernieuwste Amerikaanse technologie toegepast op het concurrentievoordeel van Brazilië, legt hij uit.

De afgelopen twee jaar was Collier verantwoordelijk voor het vervoeren van vaten bevroren Braziliaans suikerrietsap naar het laboratorium van Amyris in Californië, zo'n 10.000 kilometer verderop. Daar hebben wetenschappers gewone gistcellen genetisch herbedraden om caldo de cana, zoals het sap wordt genoemd, te verteren en het om te zetten in farneseen, een geurige olie waarvan Amyris heeft aangetoond dat het kan worden omgezet in dieselbrandstof. In het snel veranderende veld van synthetische biologie - een discipline die het DNA van micro-organismen wil herschrijven alsof het computercode is - worden de Californische laboratoria van Amyris als state-of-the-art beschouwd. Onderzoekers creëren en testen elke week tienduizenden gemanipuleerde giststammen. Het bedrijf heeft bijna net zoveel doctoraatsgistgenetica in dienst als alle universiteiten in Brazilië.

Grondstof: Een suikerrietplantage nabij de stad Campinas. Elke hectare levert genoeg suikerrietsap op om 3.000 liter ethanol te maken.

Maar Brazilië biedt Amyris één cruciaal voordeel ten opzichte van de Verenigde Staten: de economische omstandigheden daar lenen zich om de technologie commercieel te exploiteren. Brazilië is de meest efficiënte suikerproducent ter wereld. Enorme hopen ervan stapelen zich op bij de 420 suikerrietraffinaderijen van het land. Met zijn tropische weer en agressieve zakencultuur domineert het land de wereldwijde suikerhandel. En enorme voorraden goedkope suiker zijn de sleutel om de technologie van Amyris praktisch te maken.

De reden om naar Brazilië te gaan was vrij duidelijk; het is de goedkoopste en gemakkelijkst beschikbare suikerbron om het technologieplatform van stroom te voorzien, zegt Keasling, een professor in biochemische technologie aan de University of California, Berkeley, die ook aan het hoofd staat van het Joint BioEnergy Institute, een inspanning van $ 135 miljoen gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie om suikers te winnen uit houtsnippers, gras en ander goedkoop plantaardig materiaal. Over 10 tot 15 jaar zou zijn werk ervoor kunnen zorgen dat suikermoleculen in de VS net zo goedkoop te verkrijgen zijn als momenteel in Brazilië. Voorlopig blijft de Amerikaanse biobrandstoffenindustrie echter ethanol maken door de glucose in maïskorrels te vergisten. En maïs is een relatief dure suikerbron, zoals de Amerikaanse ethanolindustrie tot haar verdriet heeft ontdekt. Ondanks subsidies van belastingbetalers zijn Amerikaanse fabrikanten er niet in geslaagd om consistente winsten te maken.

Het verhaal is anders in Brazilië, waar suikerrietfabrieken goedkope ethanol produceren sinds de regering in de jaren zeventig een streven naar brandstofonafhankelijkheid lanceerde. De autovloot van het land verbruikt nu meer ethanol dan benzine. Bijna 90 procent van de in Brazilië geproduceerde auto's kan op biobrandstof rijden. De industrie heeft zich gerealiseerd dat geografie het lot is, zegt Mark Bunger, onderzoeksdirecteur bij Lux Research, een New Yorks bedrijf dat de commercialisering van opkomende technologieën bestudeert. Volgens Bunger hebben slechts een paar plaatsen op de planeet de regen, de zon en de landmassa die nodig zijn om biobrandstoffen te maken met een schaal en een prijs die een reële impact kan hebben. Het begrip waartoe we komen, is dat het op sommige plaatsen nooit zal gebeuren, zegt hij, en Brazilië is de eerste plaats waar de economie zinvol is.

Amyris kwam ongeveer drie jaar geleden tot een vergelijkbare conclusie, vandaar de identieke fermentatielaboratoria in Emeryville en Brazilië. Wetenschappers in Californië sleutelen aan gist om suiker sneller om te zetten in farneseen; dan worden de bugs naar het zuiden gestuurd om te testen onder tropische omstandigheden. Dit jaar is Amyris van plan om te beginnen met de bouw van een torenhoog fermentatiecomplex in de Braziliaanse staat Goiás. Als het klaar is, zou het 100 miljoen liter moeten kunnen produceren

groene dieselbrandstof per jaar.

Net als ethanol wordt de brandstof van Amyris gemaakt door suiker te vergisten. Maar bedrijfswetenschappers hebben gist opnieuw ontworpen zodat de microben het verwerken tot brandbare koolwaterstoffen in plaats van alcohol. Dat betekent dat de concurrentie voor zijn groene brandstof niet ethanol is, maar diesel gemaakt van aardolie en ook biodiesels gemaakt van plantaardige olie of dierlijk vet. Amyris zegt dat zijn brandstof een aantal voordelen heeft ten opzichte van beide. In tegenstelling tot fossiele brandstoffen is het gemaakt van een hernieuwbare bron. Het draagt ​​ook minder broeikasgas bij aan de atmosfeer: het bedrijf berekent dat zijn in Brazilië gemaakte diesel ongeveer 80 procent minder broeikasgas zal uitstoten dan conventionele diesel. En vergeleken met andere biodiesels zal de op suiker gebaseerde brandstof goedkoper te maken zijn en zullen de motoren die deze gebruiken beter kunnen draaien. De CEO van Amyris, een voormalig oliedirecteur genaamd John Melo, heeft onderhandeld met bedrijven die op zoek zijn naar een groene brandstof, waaronder Federal Express, Virgin Atlantic en General Electric.

Gistfabriek: In de demonstratiefaciliteit van Amyris in Brazilië worden koolwaterstoffen geproduceerd in een fermentatietoren.

Voor veel synthetisch biologen is diesel nog maar het begin. Ze geloven dat ze in principe micro-organismen kunnen creëren om vervangingen voor elk aardolieproduct te produceren. Maar er zijn enorme risico's. De giststammen van Amyris zijn onverwacht kwetsbaar gebleken. En net als bij andere biotechnologische processen die afhankelijk zijn van levende micro-organismen, kan niemand zeggen of de productie van groene diesel economisch kan worden opgeschaald ten opzichte van de batches van 1000 liter die tegenwoordig worden geproduceerd. Alle voorspellingen zijn gebaseerd op schaalefficiëntie voor processen die nog nooit op die schaal zijn uitgevoerd, zegt Noubar Afeyan, CEO van Flagship Ventures in Cambridge, MA, en medeoprichter van LS9, een concurrerende startup op het gebied van synthetische biologie. Een grote uitdaging is dat het honderden miljoenen dollars kost om het te bewijzen, zelfs op middelgrote schaal.

Negen jaar geleden was de technologie van Amyris nog een bench-project in het Berkeley-laboratorium van Keasling. Onderzoekers waren op zoek naar manieren om micro-organismen over te halen om commercieel bruikbare producten te produceren. Door DNA van planten en bacteriën toe te voegen, ontwierp Keaslings lab uiteindelijk nieuwe bacteriën en gistcellen die grote hoeveelheden isopentenylpyrofosfaat konden maken. Met zijn vijf koolstofatomen is de chemische stof een soort legoblok van de natuurlijke wereld; daaruit bouwen planten en dieren isoprenoïden, leden van een grote klasse moleculen die het kankermedicijn taxol, vitamine E en geuren zoals die van grapefruit en de feromonen van vrouwelijke kakkerlakken bevatten.

Keasling wist dat de uitvinding waardevol was en in 2001 diende hij de eerste octrooiaanvraag van zijn carrière in. We wilden de tools toepassen op een echt probleem, zegt hij. De kans kwam in 2004, toen de Bill and Melinda Gates Foundation besloot om $ 42,6 miljoen te doneren aan een project dat het antimalariamedicijn artemisinine zou produceren met behulp van de op bestelling gemaakte microben van Keasling.

Artemisinine wordt momenteel afgeleid van de zoete alsemplant, die voornamelijk in Afrika en Azië wordt gekweekt. De levering van het medicijn is onstabiel en de prijzen schommelen wild; ze bereikten in 2006 $ 1.100 per kilogram. Door genetisch gemodificeerde gist te gebruiken om het uit suiker te produceren, beloofde de benadering van Keasling het leveringsprobleem op te lossen en de prijs drastisch te verlagen. Met de kans om duizenden – misschien wel miljoenen – mensen te redden die anders aan malaria zouden overlijden, is het project een symbool geworden van het potentieel van synthetische biologie om de wereld ten goede te veranderen. Het Gates-geld betaalde voor de snelle expansie van Amyris, die Keasling en drie van zijn postdocs oprichtten om het malariaproject uit te voeren. Eind 2005, zegt de technisch directeur van Amyris, Neil Renninger, waren sommigen van het bedrijf nachten en weekenden aan het nadenken over welke andere problemen hun technologie zou kunnen oplossen.

In een vergister metaboliseert genetisch gemodificeerde gist suiker en produceert farneseen, een geurige koolwaterstofolie.

Amyris schat dat de isoprenoïdenfamilie zo'n 50.000 verschillende soorten moleculen omvat, dus het was verre van duidelijk waar we ons vervolgens op moesten concentreren. Toen we de VC's begonnen te pitchen, zeiden we dat er enkele medicijnen zijn waarvan we denken dat ze interessant zijn, en nutraceuticals en zelfs brandstoffen - wat denk je? herinnert Renninger zich. Maar het was moeilijk om een ​​project te vinden dat zo betekenisvol was voor de wetenschappers van Amyris als malaria. Dit was echt een cultuur van mensen die levens willen redden en niet veel geld willen verdienen, zegt hij. Dus als je grapefruitsmaak voor ze gooit, nou, dat is niet zo interessant.

Halverwege 2006 begonnen de zaken te veranderen, toen twee van de bekendste durfkapitaalbedrijven in Silicon Valley, Kleiner Perkins Caufield en Byers en groene-energiespecialist Khosla Ventures, aanboden om $ 20 miljoen in het bedrijf te investeren. Het Amerikaanse Congres had in 2005 mandaten voor hernieuwbare brandstoffen aangenomen, wat een golf van speculatieve investeringen in allerlei soorten biobrandstoffen op gang bracht. Geoffrey Duyk, een directeur bij TPG Biotech, die ook geld in het bedrijf stopte, herinnert zich dat toen Amyris de fondsen accepteerde, de investeerders binnenkwamen en de focus op brandstoffen verlegden.

De investeerders begonnen Melo, toen hoofd van de Noord-Amerikaanse brandstofactiviteiten van British Petroleum, het hof te maken om de CEO van Amyris te worden. Melo runde wat hij noemt een aardig bedrijfje met enorme vrachtwagenvloten en tientallen terminals, en genereerde 34 miljard dollar aan inkomsten. Toen een recruiter hem voor het eerst belde over een biotechbedrijf met een malariaproject, herinnert hij zich: mijn reactie was: 'Je maakt een grapje. Ik ben een brandstofman,

dus wat kan het mij schelen?'

Toen hij meer leerde over synthetische biologie en de wetenschappelijke staf van Amyris ontmoette, veranderde Melo van gedachten. Brandstoffen zijn qua omzet de grootste van alle bedrijven, maar als percentage van de winst geven oliemaatschappijen slechts kleine bedragen uit aan R&D en bijna niets aan fundamenteel onderzoek. Melo besloot dat zijn oude industrie rijp was voor verandering. Het vermogen om microben te modificeren [betekent] dat we de Microsoft van brandstoffen en chemicaliën kunnen zijn, waar we in feite de software schrijven die in de fermentatietank gaat, zegt hij. Dat was voor mij spelveranderend. Melo gaf het bedrijf opdracht om te werken aan diesel, 's werelds meest gebruikte transportbrandstof en een die vaak schaars is. Het produceren van het juiste type molecuul bleek verrassend eenvoudig. Binnen zes weken hadden de wetenschappers een enkel enzym in hun artemisinine-producerende insecten omgezet en begonnen ze farneseen te produceren, de olie die ze hadden geïdentificeerd als een potentiële voorloper van diesel.

Het lijken heel verschillende projecten - het ene is een medicijn en het andere is een brandstof - maar de metabolische route is vergelijkbaar, zegt Collier. Dat was de grote opmars van Amyris. Farneseen is een aangenaam ruikende olie die gedeeltelijk de geur van appelschillen veroorzaakt. Door één extra chemische stap, hydrogenering, uit te voeren, kan Amyris het door gist geproduceerde farneseen omzetten in farnesaan, een zeer brandbare brandstof met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van diesel.

Giststammen worden getest op efficiëntie.

Als een koolwaterstof zoals diesel en benzine, zal farnesaan niet onderhevig zijn aan de problemen die andere biobrandstoffen hebben getroffen, gokt Amyris. Ethanol kan zich bijvoorbeeld vermengen met water, wat problemen kan veroorzaken wanneer water in benzineleidingen terechtkomt. Plantaardige biodiesels bevatten daarentegen onzuiverheden en kunnen motoren verstoppen bij lage temperaturen. Farnesane daarentegen kan eenvoudig in het bestaande brandstofdistributienetwerk worden gedropt. Het heeft zelfs een voordeel ten opzichte van gewone diesel: het bevat geen vervuilende zwavel.

Maar het project heeft alleen effect als het op grote schaal kan worden ingezet. En niemand weet nog zeker hoe goed synthetische biologie op dergelijke schaal zal werken. Synthetic Genomics, een bedrijf dat is opgericht door gen-sequencingpionier J. Craig Venter, bereikte vorig jaar een overeenkomst van $300 miljoen met ExxonMobil om brandstofproducerende algen te ontwikkelen. Maar Exxons vice-president voor onderzoek en ontwikkeling, Emil Jacobs, vertelde de New York Times dat hij de kansen van het project niet wilde verbloemen. Als je voor transportbrandstoffen niet kunt zien of je een technologie kunt opschalen, moet je je afvragen of je er überhaupt bij betrokken moet zijn, zei hij.

Het vermogen om brandstoffen in verbazingwekkende hoeveelheden te maken is niet het enige dat nodig is om een ​​realistische optie te worden. Het zijn ook goederen die tegen bodemprijzen worden verkocht. Het product van de aardolie-industrie, liter voor liter, is de helft van de prijs van Coca-Cola. Waar zouden de belangrijkste kosten zitten in het productieproces van Amyris? Als de gemiddelden van de ethanolindustrie zouden kloppen, zou de suiker waar de gist zich mee voedt meer dan de helft van de uiteindelijke prijs vertegenwoordigen voor het maken van farnesaan.

Die berekeningen waren onderdeel van wat Melo ertoe bracht de vlag stevig in Brazilië te planten, herinnert investeerder Duyk zich. Amerikaanse maïs, hoewel dichtbij, zou een slechte gok zijn geweest. In 2007 had de bloeiende Amerikaanse ethanolproductie de maïsprijzen zo hoog doen stijgen dat tienduizenden Mexicanen demonstreerden over de kosten van tortilla's. Toen de olieprijzen in 2008 daalden en de maïsprijzen op recordniveaus bleven, konden veel Amerikaanse ethanolproducenten geen winst meer maken.

Een arbeider houdt flessen van het eindproduct van Amyris, diesel, vast.

Schaal, kosten en concurrentie met voedselvoorziening zijn niet de enige problemen voor biobrandstoffen. Amyris wilde zijn diesel op de markt brengen als goed voor het milieu; zijn brochures beweren dat zijn No Compromise-brandstoffen 80 procent minder koolstofdioxide in de atmosfeer zullen afgeven dan fossiele brandstoffen. Tegenwoordig is Braziliaans suikerriet het enige gewas dat de groene marketing van Amyris kan ondersteunen. Braziliaanse studies zeggen dat ethanol uit suikerriet ongeveer 7 tot 10 keer zoveel energie oplevert als nodig is om de brandstof te produceren; daarentegen levert ethanol gemaakt van maïs net iets meer op dan het verbruikt. Hoewel de milieu-impact van het verbouwen van suikerriet in het geding blijft, is het duidelijk dat het proces minder energie vereist dan het verbouwen van maïs. Bovendien zijn de Braziliaanse biobrandstofproducenten efficiënter dan die in andere landen, deels omdat veel Braziliaanse fabrieken suikerrietafval verbranden om hun brekers en distilleerders van stroom te voorzien, waardoor het gebruik van fossiele brandstoffen wordt verminderd.

Als markt kan Brazilië ook andere voordelen bieden. De vraag naar diesel in het land is groot, dus Amyris zou een respectabel bedrijf kunnen opbouwen zonder ooit een druppel te exporteren. Brazilië heeft ook ruimte om de productie te verhogen: suikerriet wordt nu geplant op ongeveer 3 procent van het Braziliaanse bouwland, maar het gewas zou kunnen uitbreiden naar meer dan 100 miljoen hectare die momenteel wordt gebruikt voor grazend vee. Je zou de suikerrietproductie waarschijnlijk kunnen verviervoudigen of vervijfvoudigen, zegt Bill Haywood, de CEO van LS9 en voormalig directeur van een oliemaatschappij. Dat wordt door de rest van de wereld slecht begrepen. Ik denk dat Brazilië de geboorte zal zijn van hoge kwaliteit

groene diesel, net als voor ethanol.

In december bereikte Amyris een overeenkomst voor de bouw van zijn eerste farneseenfabriek, een fabriek van 100 miljoen liter per jaar die zal worden gebouwd in de nieuw gebouwde Boa Vista-suiker- en ethanolfabriek in Goiás. Als onderdeel van de transactie stemde Amyris ermee in om een ​​belang van 40 procent in de fabriek te kopen van de eigenaar, Grupo São Martinho. Volgens de president van São Martinho, Fábio Venturelli, was de totale betaling, ongeveer $ 80 miljoen in contanten en aandelen, de hoogste prijs die ooit is betaald voor maalcapaciteit in Brazilië. Amyris wilde controle over de bouw van zijn eerste grote fabriek, om ervoor te zorgen dat het soepel zou verlopen. Maar uiteindelijk is het bedrijf van plan om zijn technologie te ruilen voor toegang tot suikerrietsap, een goedkopere aanpak. Het idee is om de Braziliaanse suikerfabrieken te laten betalen om hun fabrieken om te bouwen, terwijl Amyris haar genetisch gemodificeerde gist bijdraagt. Amyris zou dan de farneseen verkopen en de winst met de molen verdelen.

Hoewel de commerciële voorwaarden misschien ingewikkeld zijn, is de basispitch die Amyris maakt dat niet: in een industrie die in veel opzichten low-tech is (meer dan de helft van het Braziliaanse suikerriet wordt nog steeds gehackt door dagloners die met machetes zwaaien), belooft het maak van fabrieken futuristische bioraffinaderijen die chemicaliën en brandstoffen kunnen opleveren die waardevoller zijn dan suiker of ethanol. Veel Braziliaanse bedrijven denken in dezelfde lijn. Toen Venturelli in 2008 CEO van São Martinho werd en voor het eerst de blauwdrukken voor de Boa Vista-fabriek zag, merkte hij dat iemand een notitie op een leeg gebied had geschreven. Er stond: Deze ruimte voor toekomstige chemicaliën op basis van suikerriet.

Er blijven echter nog genoeg vragen over. Al onze bedrijven streven ernaar een voortrekkersrol te spelen op de brandstofmarkt en ze zien in Amyris de kans op technologieoverdracht, zegt Alfred Szwarc, technisch adviseur van UNICA, de grootste suikerrietvereniging van Brazilië. Maar aangezien we de prijs of de operationele kosten niet kennen, is het voorlopig veel speculatie.

De grootste onzekerheid is hoe de gist van Amyris zal presteren onder industriële omstandigheden. Het zal een van de eerste keren zijn dat synthetische biologie een dergelijke schaal heeft bereikt, en het proces zal zeker technische problemen opleveren waar geen enkel ander bedrijf eerder mee te maken heeft gehad. Eén zorg: wilde giststammen kunnen samen met het suikerrietsap in de fermentatietanks terechtkomen. Bij steriele laboratoriumexperimenten is dat geen probleem. Maar in een suikerrietmolen kan gist die geen farneseen maakt, de in het laboratorium gecreëerde variëteit gemakkelijk overweldigen.

Recente ontwikkelingen in het artemisinine-project suggereren ook dat de kosten een probleem kunnen zijn. Geneesmiddelenmaker Sanofi Aventis, die ermee instemde om de commerciële productie van het antimalariamiddel voor zijn rekening te nemen, zegt dat het onverwachte obstakels tegenkwam en is nu van plan het medicijn te produceren voor $ 350 tot $ 400 per kilo. Dat ligt dicht bij de gemiddelde prijs van de plantaardige versie, maar het is drie tot vier keer zo duur als Keasling beloofde in interviews met de media.

In Brazilië moeten de dromen van Amyris om de wereldwijde brandstofbusiness te transformeren misschien worden uitgesteld, in ieder geval voor een tijdje. De eerste fabriek van het bedrijf produceert farneseen misschien niet goedkoop genoeg om het tegen diesel op te nemen. In plaats daarvan zal het farneseen dat door de fabriek in São Martinho wordt geproduceerd, in eerste instantie worden verkocht aan de markt voor consumentenproducten, waar het prijzen kan hanteren die veel hoger zijn dan wat voor diesel wordt betaald. (Het kan onder andere worden gebruikt als vochtinbrengend middel voor lippenstift of anti-aging crèmes.)

Dat betekent dat de wetenschappers van Amyris misschien nog even moeten wachten om de wereld te veranderen. Maar Melo zegt dat het bedrijf zich niet heeft teruggetrokken voor zijn doel om een ​​belangrijke speler op de brandstofmarkt te worden. Het gaat ons allemaal om impact, zegt hij. Duizenden kinderen redden is impact. Met brandstoffen is het schaal. Als we onze bijdrage aan CO2 [emissies] of groene productie niet kunnen schalen, zijn we irrelevant.

Antonio Regalado is een bijdragende correspondent voor Wetenschap in Latijns-Amerika en voormalig redacteur bij TR. Hij is gevestigd in Sao Paulo.

zich verstoppen