Industrien bruker store ressursar på å omdanna enkle molekyl med hydrogen og karbon til viktige råvarer for nyttige produkt, som plast og tekstilar. Klarer det internasjonale forskarteamet CUBE (Unravelling the secrets of Cu-based catalysts for C-H activation) å finna katalysatorar som gjer prosessen enklare, kan det spara miljø og ressursbruk globalt svært mykje.
NMBU og professor Vincent Eijsink er ein av fire partnarar i prosjektet CUBE som European Research Council (ERC) har tildelt rundt 100 millionar kroner over ein seksårsperiode for å sjå om dei kan finna slike katalysatorar.
Løyvinga er eit såkalla «Synergy»-stipend som støttar banebrytande grunnforsking på grenseflata mellom ulike fagfelt.
– Eg er veldig glad for og stolt over at CUBE-prosjektet har fått denne støtta. Det er eit prosjekt i ekte NMBU-and, der samarbeid med eksterne aktørar, framifrå og tverrfagleg forsking er stikkorda. CUBE-prosjektet er grunnforsking som kanskje verkar fjern for mange utanfor forskarverda, men dette er pionerarbeid for eit meir berekraftig samfunn. Ofte tenkjer vi på berekraftige løysingar som ferdige produkt for vanlege forbrukarar. Faktum er at dei løysingane er avhengige av forskingsprosjekt som dette – og ikkje minst av forskarar som vågar seg inn i ukjente landskap. At prosjektet har fått ERC-støtte, er eit tydeleg teikn på kor viktig det er, seier rektor Sjur Baardsen ved NMBU.
Svært komplisert kjemi
Metan er eit godt eksempel. Det er eit svært enkelt hydrokarbon med fire hydrogenatom (CH4) som kvar for seg er bunde til eit karbonatom.
Ved å byta ut eitt av desse hydrogenatoma med eit anna grunnstoff eller molekyl, som ei oksygen-hydrogen-gruppe (OH), blir det danna metanol. Metanol er ei kjemisk sambinding som blir nytta i store mengder i industrien.
Utfordringa er at denne omdanninga frå metan til metanol er ressurs- og energikrevjande. På verdsbasis er det snakk om hundretusenvis av tonn med kjemikalium som blir utsette for eller er eit resultat av kontrollert aktivering av ein eller fleire karbon-hydrogen-bindingar.
– Kontrollert aktivering av karbon-hydrogen-bindingar verkar nok abstrakt, men har svært mykje å seia i det daglege. Denne typen reaksjonar ligg ikkje berre til grunn for ein stor del av den petrokjemiske industrien, men er også viktige i for eksempel betre utnytting av biomasse og nedbryting av plast. Forskinga i CUBE er ikkje berre av stor vitskapleg interesse, men kan også vera eit viktig bidrag til det grøne skiftet, seier Vincent Eijsink, som leiar eitt av dei fremste forskingsmiljøa i verda innan enzymologi og enzym-engineering.
Professor Eijsink er leiar for arbeidsgruppa for CUBE på NMBU, som elles består av professor Morten Sørlie og forskar Åsmund Røhr Kjendseth.
CUBE handlar om å utvikla kjemiske og biokjemiske katalysatorar
Kontrollert aktivering av karbon-hydrogen-bindingar er blant dei vanskelegaste kjemiske prosessane som finst. CUBE handlar om å utvikla både kjemiske og biokjemiske katalysatorar for å utføra kontrollert aktivering.
– Alle veit at det er lett å forbrenna metan (CH4) til vatn (H2O) og kabondioksid (CO2). Men det å modifisera metan delvis, altså utan å brenna metan heilt opp, er svært vanskeleg. Reint kjemisk betyr det å aktivera berre ei av dei fire karbon-hydrogen-bindingane i metan. Det å omdanna metan til metanol (CH3OH) er altså mykje vanskelegare enn å brenne metan heilt opp. Og det er denne prosessen den kjemiske industrien treng, forklarer Eijsink, som understrekar at kontrollert aktivering av metan berre er eitt, og det mest ambisiøse, dømet på dei kjemiske reaksjonane som CUBE-prosjektet skal sjå på.
Startar ikkje på berr bakke
I naturen finst det nokre veldig få enzym som faktisk klarer å katalysera omdanninga av metan til metanol på kontrollert vis. Inspirert av naturen har kjemikarar i årevis arbeidd med å utvikla syntetiske katalysatorar, såkalla zeolittar, som klarer det same, men resultata så langt har ikkje vore gode nok.
Dei siste ti åra har vi sett to utviklingar som har vore viktige for denne problemstillinga, forklarer Eijsink:
– Kjemikarar har utvikla ein ny type syntetiske katalysatorar, såkalla «metal organic frameworks» (MOFs) og gjer det mogeleg å designa «enzym-liknande» katalysatorar på ei rad nye måtar . Med MOFs kan vi etterlikna naturen mykje betre enn med zeolittar. Her er forskarar ved Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo, som koordinerer CUBE-prosjektet, verdsleiande. Ein av dei mest lovande typane MOF har blitt utvikla i Oslo, påpeikar Eijsink.
Biokjemikarar ved NMBU har på si side oppdaga ein ny type enzym, som vi kallar «lytiske polysakkarid-monooksygenasar» (LPMOar) som bryt ned cellulose gjennom kontrollert aktivering av karbon-hydrogen-bindingar. LPMOer liknar litt på dei naturlege enzyma som kan omdanna metan til metanol.
– Dei naturlege LPMOane kan ikkje modifisera metan eller bryta ned plast, men vi trur at det er mogeleg å endra LPMOane slik at dei kanskje blir i stand til det, seier Eijsink.
Han forklarer at CUBE-prosjektet i stor grad er basert på desse to oppdagingane som begge har blitt gjort i Noreg, ved Universitetet i Oslo og NMBU, to av dei fire partnarane i CUBE.
Samlar forskingsmiljø med utfyllande kompetanse
For betre å forstå de katalysatorane som vi i dag alt har (zeolittar, MOFs, LPMOar), og for så å kunne utvikla betre katalysatorar, treng vi svært avanserte spektroskopiske analysemetodar. Vi treng massevis av spesialistkompetanse og tilgang til avansert utstyr. Heldigvis har vi klart å få med to leiande europeiske grupper som kan dette, og til saman har vi greidd å utvikla eit forskingsprosjekt som har vunne fram i ein svært tøff konkurranse, seier Eijsink.
I CUBE skal altså fire grupper med utfyllande kompetansar arbeida saman (sjå faktaramme). To av gruppene er norske, ei er tilknytt NMBU og ei til UiO.
– NMBU skal bygga vidare på den sterke posisjonen vi har innan enzymologi, og spesielt LPMOane som ble oppdaga ved NMBU i 2010. Professor Morten Sørlie og forskar Åsmund Røhr Kjendseth ved vårt fakultet skal også ha leiande roller i prosjektet, avsluttar Eijsink
Om ERC-prosjektet CUBE:
European Research Council (ERC) har tildelt teamet rundt 100 millionar NOK over ein seksårsperiode. I tillegg kjem bidrag fra vertsinstitusjonane. To av dei fire gruppene som deltar, er frå Noreg, leia av professor Vincent Eijsink frå NMBU og professor Unni Olsbye frå Kjemisk institutt ved UiO.
Dei fire gruppene som deltar i prosjektet er:
- Ei gruppe innan syntetisk katalyse som er verdsleiande innan MOFs. Leiar er professor Unni Olsbye, UiO
- Ei gruppe innan syntetisk katalyse som er verdsleiande innan zeolittar. Leiar er professor Silvia Bordiga, Universitetet i Torino, Italia.
- Ei gruppe innan spektroskopi som er verdsleiande innan utvikling og bruk av avanserte analysemetodar og som både kjenner språket til kjemikarane og språket til enzymologane. Leiar er professor Serena DeBeer, Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion, Muelheim, Tyskland
- Ei gruppe innan enzymologi og enzymengineering som er verdsleiande innan LPMOar. Leiar er professor Vincent Eijsink, NMBU
ERC-«Synergy»-stipend
Løyvinga til CUBE er eit såkalla ERC-«Synergy»-stipend, som er blant dei mest prestisjefylte prosjekta forskarar kan få. Berre dei aller beste forskarane, som klarer å finna saman, gjerne over tradisjonelle faggrenser, for å gjera banebrytande grunnforsking, greier å vinna ERC-prosjekt.