Ugent ontwikkelt nieuwe microbiële processen om circulariteit in de ruimte en op aarde in te schakelen

Over enkele jaren plant The European Space Agency (ESA) een ruimtemissie waarin gedurende 40 dagen een experiment zal plaatsvinden. In het Centrum voor Microbiële Ecologie en Technologie (CMET) van de UGent wordt dat ruimteproject mee voorbereid. Er wordt volop geëxperimenteerd met microbiële processen die de afvalstromen op bemande vluchten in het heelal moeten zuiveren en recycleren. Het project moet ook een inspiratie zijn voor de aarde. Het moet een performanter gesloten circulair systeem op aarde mogelijk maken. We hadden een gesprek met professor Ramon Ganigué, gespecialiseerd in milieubiotechnologie.

Professor Ramon Ganigué is sinds enkele jaren verbonden aan de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen van de Universiteit Gent, waar hij eveneens docent ‘milieubiotechnologie’ is. Daarvoor deed hij nog onderzoek naar microbiële processen en waterzuivering aan de Universiteit van Girona (Spanje) en het beheersen van rioolcorrosie en -geuren Universiteit van Queensland (Australië). Dat onderzoeksproject werd bekroond met de innovatieprijs ‘International Water Association Global 2014’. Vandaag de dag werkt hij in Gent aan een groots ruimteproject. Enkele universiteiten, waaronder de Universiteit van Antwerpen en Mons, zijn onder leiding van de UGent betrokken bij het MELiSSA-project, het regeneratieve levensondersteunende systeem voor bemande ruimtevluchten dat wordt ontwikkeld door de European Space Agency (ESA). Dit ambitieuze programma heeft tot doel om voedsel, zuurstof en water te produceren uit het afval van de missie. Urine is hierbij van groot belang door het hoge gehalte aan stikstof. Nitrificatie van urine is de geprefereerde behandelingstechnologie, omdat het een stabiele vloeistofstroom produceert die rijk is aan nitraat en arm is aan biologisch afbreekbare organische stoffen. Deze stroom kan in latere fase dienen als meststof voor planten.

Spannend project

In de laboratoria van het Centrum voor Microbiële Ecologie en Technologie (CMET) aan de Coupure in Gent zijn professor Ramon Ganigué en zijn team druk aan de slag. Ze ontwikkelen nieuwe bioprocessen die tijdens de ruimtereis bepaalde afvalstoffen moeten recycleren, waaronder dus urine. “Het zijn dezelfde bacteriën die we ook in waterzuiveringsstations hier op aarde gebruiken”, zegt Ganigué. “Waar hier op aarde verschillende bacteriën dezelfde omzetting uitvoeren mogen we in de ruimte maar gebruik maken één bepaalde bacterie per functie. De ESA moet ook exact weten welke bacteriën we mee aan boord nemen. Het wordt een spannend project. We weten nog niet hoe die micro-organismen gaan reageren op de andere omgevingscondities in de ruimte. Zo kennen we bijvoorbeeld het effect van een omgeving zonder zwaartekracht nog niet en zullen we onder andere ook onderzoeken welke impact de straling in het universum op de bacteriën zal hebben. Experimenten toonden al aan dat bepaalde soorten in het heelal kunnen overleven, dus ik geloof erin dat ook dit experiment zal lukken.” Er wordt ook technologie ontwikkeld om dergelijke experimenten in de ruimte uit te voeren, alsook instrumenten en methoden om de resultaten ervan te analyseren.

In het universum draait alles om een zeer gesloten circulair systeem waar hergebruik centraal staat. In de ruimtevaart neemt water 90% van de totale massa in beslag. Om langdurige ruimtemissies te kunnen organiseren, is het cruciaal om een aantal levensnoodzakelijke kringlopen te sluiten. Door drinkbaar water uit afvalwater te produceren en urine te zuiveren, wordt de mens in het heelal zelfstandiger en zijn langere ruimtevluchten mogelijk. “In de ruimte mag je niets verliezen want het is zeer duur om nieuwe materiaal of grondstoffen te transporteren waardoor alles hergebruikt moet worden”, zegt Ganigué. Hij hoopt dat de visie van dit ruimteproject ook naar de aarde wordt doorgetrokken. “Ik ben erg begaan met het milieu. Dit circulair project moet inspirerend werken voor de mensen op aarde. Wat in het de ruimte kan, moet ook meer dan ooit op aarde gebeuren. Onze maatschappij moet naar een volledig circulair systeem waar nutriënten, CO₂ en water zo veel mogelijk hergebruikt worden. Ik ben ervan overtuigd dat bacteriën een sleutelrol kunnen spelen om die doelstellingen te bereiken.”

Waardevolle componenten

De opgedane kennis in de ruimte moet dus ook op aarde van pas komen. De professor hoopt dat de nieuw ontwikkelde processen ook voor gelijkaardige gesloten circulaire systemen op aarde worden ingezet. “De bacteriën die we in het heelal inzetten, zullen we nadien ook op aarde gebruiken”, zegt Ganigué. “Ze zullen in staat zijn om op een meer gecontroleerde manier in diverse omgevingen te worden gebruikt. De bacteriën moeten sneller en efficiënter werken en problemen in complexe situaties oplossen. Met dit ruimteproject wil ik nog beter begrijpen hoe deze microbiële processen werken.” Microbiologische processen kunnen volgens de professor veel betekenen. “Met bacteriën kunnen we een bepaalde waarde creëren”, zegt Ramon Ganigué. “Het is de beste manier om organische materialen af te breken en te zuiveren. Dat is moeilijk om te doen met fysico-chemische technologieën. Ik onderzoek ook de valorisatie van organische componenten. Uit organische materialen in afvalwater kun je waardevolle componenten halen. Bacteriën kunnen afvalstromen transformeren naar waardevolle componenten, zoals vetzuren en alcoholen. Die kun je dan weer gebruiken als grondstoffen voor de chemische industrie. Het zijn waardevolle moleculen die je kunt gebruiken voor verschillende toepassingen, zoals bioplastics, antimicrobiële stoffen, enzovoort…. Vanuit bepaalde afvalstromen kunnen tegenwoordig ook eiwitten gevaloriseerd worden.”

Nieuwe organismes en reactoren

De UGent heeft nog andere projecten om afvalstromen te herwaarderen. Dan denken we natuurlijk aan Capture (Centre for Advanced Process Technology for Urban Resource), een onderzoekscentrum naar het hergebruik van grondstoffen. Capture is een platform waarbij kennisinstellingen samen met de bedrijven de uitdagingen van morgen aangaan. Binnen Capture wordt intens samengewerkt met UAntwerpen, VITO en Vrij Universiteit Brussel. Ganigué is lid van Capture. Zijn hele onderzoek zit bij Capture. “Binnen het Capture consortium wordt onder meer onderzoek gedaan om stikstof te verwijderen uit met nieuwe thermofiele technologieën”, zegt Ganigué. “Deze nieuwe technologieën zijn maar één voorbeeld. Het is een unieke samenwerking met veel andere partners.” Daarnaast, zet Capture en de UGent ook in op andere nieuwe processen. Zo komen er, bijvoorbeeld, nieuwe reactortechnologieën voor de productie van vetzuren. “Er bestaan geen grote reactoren of installaties voor de vetzuurproductie”, zegt Ganigué. “We willen kleine, energiezuinige reactoren ontwikkelen met een hoge capaciteit voor de conversie van organische materialen naar vetzuren. Voor water- en nevenstromen kun je een granulaire technologie gebruiken. Dit zorgt uiteindelijk voor lagere kosten. De productie van vetzuren is ook een manier om aan waterzuivering te doen. Onze reactoren moeten snel werken en een aantal stappen van het zuiveringsproces kunnen overslaan.”

De bedoeling van Capture is om academici en bedrijven met een zware ecologische voetafdruk samen te brengen en onderzoek te laten doen naar het hergebruik van grondstoffen. Dat onderzoek zal onder andere uitgevoerd worden in een nieuw onderzoeksgebouw in Zwijnaarde, dat momenteel wordt gebouwd. Rond de onderzoekstafel zullen ook private spelers aanschuiven. Het project lijkt in die doelstelling al te slagen. Positief is ook dat het bedrijfsleven meer en meer aansluiting vindt bij Capture. Er bestaat een bedrijfsplatform van 19 bedrijven om samen te werken met de water onderzoekers. Recent is het bedrijfsplatform rond CO₂-valorisatie van start gegaan met 4 bedrijven in de schoot van CAPTURE.

Microbiologische waterkwaliteit

Binnen het Capture platform wordt ook onderzoek gedaan naar de kwaliteit van het drinkwater. Om deze kwaliteit te blijven garanderen, sloegen het Centrum voor Microbiële Ecologie en Technologie (CMET), de Vlaamse koepel van drinkwaterbedrijven en Aquaflanders de handen in elkaar. Ze werken samen aan een groot vergelijkend onderzoek van sensoren voor een continue bewaking van de microbiologische waterkwaliteit. Momenteel worden aan de UGent, aan de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen, innovatieve sensoren getest die de kleinste verontreinigingen in stromend water waarnemen. Hiermee kan men snel bacteriële besmetting of andere vervuiling op het spoor komen. “Enzymatische methoden, optische toestellen en flow cytometers werden letterlijk naast elkaar in een productiecentrum van drinkwater getest,” vertelt promotor Prof. Bart De Gusseme. “Met deze apparatuur kunnen we online bacteriën tellen in drinkwater. Zo kunnen we snel zien of er ernstige verstoringen zijn door een bacteriële besmetting of andere vervuiling. Dergelijk toegepast onderzoek is uniek in omvang en een primeur in de samenwerking tussen UGent en de drinkwaterbedrijven.” De kwaliteit van het leidingwater wordt streng gecontroleerd. In Vlaanderen worden er jaarlijks zo’n 11.000 stalen genomen bij klanten aan de kraan die worden geanalyseerd op 42 kwaliteitsparameters. Bovendien worden er controles uitgevoerd bij alle productiecentra, reservoirs en watertorens, waarbij het mogelijk is om honderden verschillende stoffen te meten.

Professor Ramon Ganigué:

“De bacteriën die we in het heelal inzetten, zullen we nadien ook op aarde gebruiken.”

Professor Ramon Ganigué:

“Met bacteriën kunnen we een bepaalde waarde creëren.”

Professor Ramon Ganigué:

“De productie van vetzuren is ook een manier om aan waterzuivering te doen.”