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.

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.

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.

Degn 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 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.

Om doktorgraden

• Line Degn Hansen har skrevet doktorgrad ved NMBU – Norges miljø- og biovitenskapelige universitet og forskningssenteret Bio4Fuels, et forskningssenter for miljøvennlig energi.
• Tittel på avhandlingen hennes er Leveraging H2O2-fuelled activity of lytic polysaccharide monooxygenases in cellulase cocktails for improved bioprocessing of lignocellulosic biomass. Hun forsvarte avhandlingen 14. juni 2022.
• Ved NMBU er hun tilknyttet forskningsgruppen Bioprosessteknologi og bioraffinering (BioRef) ved fakultet for kjemi, bioteknologi og matvitenskap.
• Bio4Fuels driver forskning, innovasjon og utdanning innen produksjon av avansert biodrivstoff og andre bioraffineringsprodukter. Målet er å utvikle nye typer biodrivstoff som er bærekraftige i et miljøperspektiv, og som vil kunne produseres kommersielt.
• Bio4Fuels er finansiert av Norges forskningsråd og bruker- og forskningspartnerne.
• NMBU er vertsinstitusjon og SINTEF er prosjektleder. Øvrige forskningspartnere er NIBIO (Norsk institutt for bioøkonomi), NTNU (Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet), RISE- PFI, USN (Universitetet i Sørøst-Norge) og IFE (Institutt for energiteknikk).
• I tillegg har Bio4Fuels et stort antall brukerpartnere fra industri og forvaltning fra Norge og flere andre europeiske land.

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