Reality check voor biotech

Het is even over 7 uur 's ochtends bij GEA's Application and Technology Center voor nieuw voedsel en biotech. Alle alarmen zijn verholpen en het systeem met zijn bioreactor van 500 liter loopt voor het eerst op rolletjes. Het team is de hele nacht bezig geweest om de besturing te verfijnen. Het display toont nu een waarde die niemand had verwacht.

Het organisme in de reactor genereert bijna drie keer zoveel warmte dan in experimenten in het lab. Het koelsysteem kan het nauwelijks bijhouden. GEA-testengineer Sofija Milošević houdt bij de terminal het hoofd koel, controleert de sensoren en stelt de besturingsparameters af.

Vervolgens vat ze het doel van deze test samen: "Het is maar goed dat dit hier gebeurt en niet in een fabriek".

Waarom Europa een praktijktest nodig heeft

GEA's nieuwe Application and Technology Center (ATC) in Sarstedt, ten zuiden van Hannover, is geen showroom, maar ook geen vervanging voor een lab. Het is een plek voor testen, gegevensverzameling en vroege besluitvorming. Hier wordt duidelijk of een biologisch concept kan uitgroeien tot een robuust industrieel proces. Die stap is groter dan die lijkt. 

Een groot gedeelte van de voedingsstoffen die in de Europese veeteelt worden gebruikt, die bepaalde aminozuren en vitaminen bevatten, komen momenteel uit China. In principe is dat niet omdat Europa die niet zelf kan produceren, maar omdat er een kloof bestaat tussen ontdekking in het lab en productie in de fabriek. Tot dusverre hebben maar weinigen die overbrugd.

Wat op het eerste gezicht een klein detail lijkt, kan directe economische gevolgen hebben. Als de toeleveringsketen zou wankelen door politieke spanningen, handelsbarrières of stijgende transportkosten, zou de Europese voedselketen de gevolgen daarvan ondervinden.

De wetenschap achter alternatieven is al lang beschikbaar: in laboratoria, onderzoeken en financieringsprogramma's. Om in Europa goedkeuring voor een nieuwe stof te krijgen, moeten bedrijven steeds vaker niet alleen de molecuul, maar ook het (in het lab geteste) proces daarachter beschrijven: het organisme, de individuele processtappen, het hygiëneconcept, de besturingspunten en de reproduceerbaarheid. Voor die laatste stappen is een testcentrum exact wat nodig is om onderzoek om te zetten in een proces dat betrouwbaar, reproduceerbaar en economisch werkt.

"Europa financiert de wetenschap en wacht af, terwijl elders schaalvergroting plaatsvindt", aldus Frederieke Reiners, Vice President New Food & Biotech, GEA. "Daar begint nu verandering in te komen. Maar Europa heeft een infrastructuur nodig, niet alleen goede bedoelingen". 

Vier productiestadia

De vierdelige weg van het lab naar de fabriek begint bij vragen in het lab: Werkt de biologie? Produceren de organismen de doelsamenstelling? Groeit de cellijn? Houdt het basisidee stand? 

In de tweede stap controleert een testcentrum, zoals GEA's ATC, of het proces op industriële schaal zou werken. Een product moet met een stabiele kwaliteit terug kunnen worden gewonnen via een solide downstream route.

Daarna kunnen eerste batches in een demonstratie-installatie onder omstandigheden worden geproduceerd die overeenkomen met latere voedselproductie. Dit maakt productontwikkeling en markttests mogelijk. Pas in de industriële installatie wordt duidelijk of het gehele proces op grote schaal haalbaar is.

Elk stadium heeft zijn eigen logica. Elk stadium vereist andere apparatuur, gegevens en beslissingen. Elk stadium maakt het volgende stadium mogelijk.

Marcel Oogink stelt met steun van GEA de Biotechnology Fermentation Factory (BFF) in Ede, Nederland, op. De open demonstratiefaciliteit biedt bedrijven de kans om na het ATC-stadium te blijven testen onder voedselveilige omstandigheden. Voor hem is de weg van het lab naar de fabriek niet één grote sprong, maar een keten van beslissingen, die ieder afzonderlijk bewezen moeten worden. 

Tot op heden komt deze keten nog maar zelden voor in de industrie.

Wat uit praktijktests blijkt

Laten we teruggaan naar de fermentor en de onverwachte warmtebelasting. De overtollige warmte uit de experimenten is niet zomaar een foutje, maar cruciale informatie. Voor het bedrijf dat met deze organismen werkt, is zojuist een vaste vereiste ontdekt. Op industrieel niveau moet het koelsysteem van het begin af aan anders worden ontworpen.

Deze realisatie vereist extra werk en bezorgde de nodige kopzorgen. In een voltooide fabriek had het echter miljoenen gekost of was het hele project stilgelegd.

Momenten als deze gebeuren regelmatig bij het ATC, in verschillende vormen. In een ander geval onthulde een kleine voorbereidende test enorme schuimvorming. Op grotere schaal zou dit vrijwel niet onder controle te krijgen zijn geweest. Het besturingssysteem kan nu nauwkeuriger worden ontworpen dan gepland en de toevoeging van voedingsstoffen kan worden aangepast.

Een andere klant stond voor een zeer praktische vraag: Hoe kunnen eiwitten uit gistcellen worden onttrokken? Hiervoor moesten de celwanden eerst worden geopend. Bij het ATC onderzochten engineers verschillende voorbehandelingen en procesomstandigheden met gebruik van een hogedrukhomogenisator. Het doel was om zoveel mogelijk eiwitten vrij te geven terwijl het energieverbruik binnen de perken werd gehouden.

Daaropvolgende stappen voor concentratie en zuivering boden ook belangrijke inzichten. Door scheiding en filtratie te vergelijken, kon het team de geschikte scheidingstechnologie voor het proces kiezen. In een van de geteste stappen behaalde het team eiwitopbrengsten van meer dan 90%.

Klaus Stojentin, lid van de Raad van Bestuur van GEA, verantwoordelijk voor de Nutrition Plant Engineering Division, is zich terdege bewust van de kloof tussen resultaten behaald in een laboratorium en installatie-omstandigheden in de praktijk. "De spannendste technologie is alleen van belang als alles er omheen werkt", vertelt hij. "En in het lab leer je niets over 'alles er omheen'".

Een vroege 'nee' beschermt tegen de verkeerde 'ja'.

Niet elke test leidt tot een weg vooruit. Dat klinkt misschien als een tegenslag. Maar duidelijkheid is waardevol zolang veranderingen nog betaalbaar zijn.

In proeven met één klant werd duidelijk dat het organisme gewoon niet productief genoeg was. De opbrengst was veel lager dan wat economisch haalbaar zou zijn. Geen optimalisering van de installatie of aanpassing van het proces zou dat kunnen hebben verholpen. Het bedrijf herzag zijn onderzoek en keerde terug naar stamontwikkeling.

"Soms is het beste resultaat van een test een 'nee'", aldus Reiners. "Een 'nee' die vroeg genoeg komt, beschermt tegen de verkeerde 'ja'".

Hierachter gaat de nuchtere logica van het ATC schuil: bedrijven die vroeg kunnen testen, kunnen ook vroeg van koers veranderen. Bedrijven die te laat, of helemaal niet, testen, zouden kunnen investeren in een aanname die in de praktijk niet werkt.

Deze kennis wordt niet verkregen achter een bureau. Die komt voort uit praktijkervaring onder omstandigheden die de industriële werkelijkheid benaderen.

Zogenaamde 'regulatory sandboxes', die steeds uitvoeriger worden besproken in Europa, volgen dezelfde logica: bedrijven en autoriteiten bouwen samen begrip op voordat de daadwerkelijke toepassing voor goedkeuring wordt ingediend. Het ATC is op zichzelf geen regulerend instrument. Maar het biedt de soort gegevens die dergelijk begeleid leren zoveel betekenisvoller en robuuster maakt.

Van proef tot fabriek

Solar Foods toont wat op schaal mogelijk is. Het Finse bedrijf produceert Solein®, een microbiële eiwit die van CO2, waterstof en mineralen wordt gemaakt. Ze gebruiken hernieuwbare energie, die niet afhangt van landbouwgrond, weer of seizoen.

GEA bouwde de eerste commerciële installatie van Solar Foods als een turnkey-project en is nu bezig met de planning van Factory 02 (de eerste grootschalige industriële eiwitinstallatie) die in Lappeentranta, Finland, zal worden gebouwd.

Solar Foods bewijst dat de keten kan werken, als elke stap met zorg wordt genomen.

Proceskennis wordt productiegereedheid

De ochtend in Sarstedt is al lang voorbij. Milošević stelde de besturing af en herzag de toevoerstrategie; de installatie draait nu stabiel. De onverwachte warmtegeneratie is een concrete richtlijn voor de volgende schaalvergroting geworden.

De resultaten bieden nu een solide basis voor besluitvorming. Ze bevestigen of valideren het onderzoek, verduidelijken de haalbaarheid van productie en bieden investeerders vertrouwen. Het bedrijf dat dit systeem ontwikkelde, weet nu wat het nodig heeft voor de volgende installatie. Het kent de kansen en beperkingen. 

"Dat is het echte product van ons ATC", aldus Milošević. "We werken met batches en protocollen, maar uiteindelijk draait het allemaal om het begrip dat de volgende stap mogelijk maakt".

Europa is sterk in wetenschap. Duitsland is sterk in techniek. Wat de industrie nodig heeft, zijn plekken waar beide samenkomen onder omstandigheden die de industriële werkelijkheid genoeg benaderen om van belang zijn. 

Sarstedt is nu een van die plekken.