Slik kan gjenstridig, norsk gran bli til plast, drivstoff og biokjemikalier

– Mye av biomassen i Norge er rett og slett vanskelig å omdanne til drivstoff og andre produkter. Det er et stort potensial som ennå ikke er tatt ut i produksjonen av biodrivstoff laget på lokale restråstoffer, sier den danske stipendiaten.

De første variantene av biodrivstoff ble laget av planter som mais, raps og sukkerrør. Dette var det en god grunn til. De er forholdsvis enkle å hente ut energien fra og bruke som drivstoff i transport og industri.

Problemet er at disse plantene også brukes til mat og dyrefôr. Hvis bøndene begynner å dyrke matplanter for bruk til biodrivstoff kan det gå ut over matproduksjonen globalt. Lang transport kan også bidra til klimagassutslipp.

Derfor har forskere utviklet mer avanserte typer biodrivstoff for å kunne hente energi fra biologisk materiale som er lettere tilgjengelig lokalt og som ikke konkurrer med matproduksjon.

Norsk gran kan potensielt erstatte råvarer som mais og sukkerrør for produksjon av biodrivstoff, og kan også brukes til produkter som biobaserte kjemikalier og bioplast. Grantrærne finnes lokalt i store mengder, har høyt innhold av såkalte polysakkarider (sukker bundet opp i lange kjeder) og de konkurrerer i liten grad om dyrkbar jord.

Utfordringen er bare at det er mye vanskeligere å hente ut sukker fra det norske grantreet.

Her kommer Line Degn Hansens arbeid inn.

Doktorgradsstipendiat Line Degn Hansen undersøker en biomasse-prøve av oppmalt norsk gran i laboratoriet på NMBU.

Foto
Alexander Benjaminsen / NMBU

Biologisk nedbrytning "på steroider"

Hun har nylig skrevet doktorgrad ved NMBU og forskningssenteret Bio4Fuels om hvordan vi kan forbedre produksjonen av denne typen biodrivstoff.

For å gjøre det, har hun brukt naturlige enzymer fra sopp til å effektivisere prosessen. Enzymer er en type proteiner som fremmer kjemiske prosesser hos mennesker, dyr og planter. Det er for eksempel enzymer som gjør det mulig for cellene våre å trekke energi ut av maten vi spiser.

– Vi låner enzymer fra naturens egne nedbrytningsprosesser og forsterker disse ganske voldsomt inne på laboratoriet, forteller Hansen. 

Det første steget i prosessen foregår ved hjelp av dampeksplosjon. Da utsettes treverket for høye temperaturer inne i et lukket kammer, for å etterligne og speede opp prosesser som ellers tar mange titalls år i skogen. Denne forbehandlingen fører til at trefibrene rives fra hverandre og blir mer tilgjengelig for enzymatisk nedbrytning.

– Vi lager en slags biologisk nedbrytning på steroider, ler hun.

Dampeksplosjonen «låser opp» fibrene i treverket, slik at enzymene kan få tilgang til cellulosen. Denne utgjør hoveddelen av celleveggene i treet og er bygget opp av lange kjeder med sukkermolekyler.

Målet er å hente ut sukkeret fra fibrene i treverket. Disse sukkertypene kan igjen omdannes til biokjemikalier, bioplast og biodrivstoff ved å bruke ulike gjæringsprosesser.

NMBU-forskerne utsetter treverket for tøff behandling, slik at trefibrene rives fra hverandre og blir mer tilgjengelig for enzymatisk nedbrytning.

Foto
Alexander Benjaminsen / NMBU

Gjenstridig råmateriale

For å kunne bruke sukkeret som hentes ut fra treverket, må de lange kjedene med sukkermolekyler deles opp. Og det er vanskelig.

–Grantreet er et svært gjenstridig råmateriale. Det trenger en intens forbehandling for å gjøre cellulose tilgjengelig og ganske store mengder enzymer for å kunne lage sukker som kan gjæres til ønsket produkt. Grantreet er krevende å prosessere for å kunne brukes effektivt til biodrivstoff og i kjemisk industri, sier Degn Hansen.

Derfor har hun valgt en helt spesiell type enzym til jobben.

Hvorfor akkurat disse enzymene?

Enzymene hun bruker kalles LPMOer. De produseres av sopp og mikroorganismer, og ute i naturen er de en viktig brikke i nedbrytning av døde planter og dyr.

LPMO-enzymene ble oppdaget ved NMBU for elleve år siden.

– Sånn sett er de fortsatt ganske nyoppdaget. Vi har visst at LPMOer kan endre nedbrytningsprosesser i planter og at de har spesielle egenskaper overfor norsk gran, men vi vet ikke alt om hvordan de fungerer eller hvordan de gjøres mer effektive.

Dette har Degn Hansen undersøkt i sin doktorgrad.

– Jeg har vist hvordan vi kan gå inn med en mindre mengde enzymer og likevel få mer sukker ut i andre enden, sier hun.

Nye oppdagelser ved NMBU har vist at ved å tilsette kjemikaliet hydrogenperoksid (H2O2), kan forskerne gjøre LPMO-enzymene mer effektive og dermed øke sukkerutbyttet betraktelig.

Figuren viser prosessen fra råstoffet (treverket) blir behandlet med dampeksplosjon for å frigjøre granfiber, før LPMO-enzymer tilsettes for å hente ut sukkeret fra fibrene. Til slutt gjæres sukkeret og kan brukes til flere ulike produkter, som bio-plast, -drivstoff, og -kjemikalier.

Foto
Illustrasjon: NMBU / Shutterstock

Hansen har funnet måter å utnytte potensialet til LPMO-enzymene enda bedre. Dette omfatter nye måter å kombinere enzym- og gjæringsprosesser.

– Vi har vist at det er mulig å få mer verdi ut av norsk gran ved å utnytte vår spesialkompetanse på enzymer og ved å utvikle nye typer prosesser.  

Det norske grantreet er et gjenstridig råmateriale. Det er krevende å prosessere for å kunne brukes effektivt til biodrivstoff og i kjemisk industri, sier Degn Hansen.

Foto
Shutterstock

Det haster å finne løsninger

En viktig drivkraft i arbeidet hennes, er å finne nye løsninger for å redusere klimagassutslipp og å bidra til å bremse global oppvarming.

– Den siste rapporten fra FNs klimapanel er skremmende. Som samfunn er vi nødt til å ta i bruk ikke bare én, men flere løsninger samtidig. Vi må blant annet bruke mer lokale biomasseressurser, sier Hansen. 

Hun viser til at den største andelen av menneskeskapte CO2-utslipp det siste tiåret kommer fra forbrenning av fossilt drivstoff. Den sektoren hvor klimagassutslippene vokser raskest, er transport.

Varetransport og luftfart er mye vanskeligere å elektrifisere enn privat veitrafikk, og Hansen forteller at bruken av bioenergi er viktig for å få ned bruken av fossilt brennstoff.

– Vi må imidlertid være oppmerksomme på hvilken biomasse vi bruker og hvor denne kommer fra, slik at vi ikke setter produksjon av biodrivstoff i konkurranse med matproduksjon. 

– Det er kritisk at vi får bremset den globale oppvarmingen så fort som mulig. Som samfunn bør vi investere i, og oppskalere, lav-karbon teknologi som produksjon av biodrivstoff så snart som mulig, for å være med på å drive disse viktige endringene i energisektoren, sier Degn Hansen.

Drivkraften er å finne nye løsninger for å bidra til å bremse klimagassutslipp og global oppvarming, forteller stipendiat Line Degn Hansen. Hun disputerte 14. juni 2022 ved NMBU. Doktorgraden ble skrevet i samarbeid med forskningssenteret Bio4Fuels.

Foto
Alexander Benjaminsen / NMBU

 

Les mer:

2-Naphthol Impregnation Prior to Steam Explosion Promotes LPMO-Assisted Enzymatic Saccharification of Spruce and Yields High-Purity Lignin
Line Degn Hansen, Martin Østensen, Bjørnar Arstad, Roman Tschentscher, Vincent G. H. Eijsink, Svein J. Horn, and Anikó Várnai
ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2022 10 (16), 5233-5242
DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c00286

Relatert innhold
Nytt samarbeid skal gjøre plastavfall om til verdifulle ressurser

Nytt samarbeid skal gjøre plastavfall om til verdifulle ressurser

– Dette haster! Det er ekstremt viktig at vi som samfunn utvikler og tar i bruk ny teknologi for bærekraftig produksjon og resirkulering av alle typer plast, sier prosjektleder Gustav Vaaje-Kolstad, professor ved NMBU.

Slik kan vi bytte ut olje med planterester

Slik kan vi bytte ut olje med planterester

Zarah Forsberg viser hvordan verden kan bytte ut olje med trepinner. Hun har klart å bruke enzymer til å bryte ned planterester slik at de kan bli til energi og kjemikalier.

Forskere vil få mer ut av biogassen

Forskere vil få mer ut av biogassen

Mer bruk av biogass er et viktig klimatiltak i Norges omstilling til et lavutslippssamfunn. Ved Biogasslaboratoriet på Ås utvikler forskere fra NMBU og NIBIO nye løsninger for bedre utnyttelse av biogass.

Published 16. juni 2022 - 8:32 - Updated 21. juni 2022 - 18:37