Celler skal omdanne affald til bleer, baglygter og kosmetik

De fleste kemikalier, som bruges til at producere produkter som plastik, maling, nylon og bleer, kommer i dag fra olie og bidrager dermed til klimaændringerne.

Derfor har vi brug for at udvikle nye metoder til at fremstille kemikalier, så vi kan producere disse materialer på en mere bæredygtig måde.

I et projekt ved navn COPL arbejder vi på at producere kemikalier fra biologisk affald (biomasse). Det kan for eksempel være hø, halm og papir, hvilket gør os i stand til at spare på olien og få en bæredygtig kemikalie-produktion.

På den måde designer vi bakterier til at nedbryde og omdanne halm og træ-affald til bio-kemikalier, der kan indgå i maling, bleer, kosmetik, iPads, møbler, cykellygter og fladskærme.

Bæredygtige bleer og kosmetik på vej

I dag kan mikroorganismer omdanne biomasse til ethanol (ren husholdningssprit), der kan bruges som brændstof til biler. Produktionen sker i kæmpe bio-reaktorer, hvor for eksempel halm forbehandles, så mikroorganismer kan fermentere (gære) det til ethanol.

Ethanol er dog billigt, og derfor vil det både økonomisk og miljømæssigt være smart at anvende mikroorganismer til at omdanne affald til dyrere og mere avancerede bio-kemikalier.

Et eksempel på et bio-kemikalie er akrylsyre, der blandt andet bruges til bleer. Et andet eksempel er methacrylsyre, som kan bruges som byggesten i produktionen af en række materialer såsom plexiglas.

Akrylsyre kan dannes fra stoffet 3-HP, mens methacrylsyre blandt andet kan dannes fra isobutyrsyre.

Disse er to eksempler på stoffer, som specialdesignede mikroorganismer allerede nu er relativt gode til at lave.

LÆS OGSÅ: Cirkulær økonomi: Vejen til et bæredygtigt forbrug?

Mikroorganismer lider stille død i forbehandlet biomasse

Andre lovende stoffer er såkaldte langkædede fedtsyrer. Disse fedtstoffer kommer i dag fra palmeolie og bruges – udover til mad – i kosmetikindustrien til sæbe og cremer. De kan derudover eksempelvis omdannes til alkaner, der blandt andet kan bruges som brændstof for fly.

Produktion af palmeolie er en milliardindustri, men den belaster naturen, fordi den kræver store arealer. For at skaffe disse landbrugsarealer til at plante palmer, fælder man regnskoven, hvilket truer sjældne dyr og planter.

Forskere fra blandt andet The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability (DTU Biosustain) har allerede udviklet cellefabrikker, der kan producere langkædede fedtsyrer, isobutyrsyre og 3-HP i mikroorganismer i relativt store mængder.

Den store udfordring er dog, at mikroorganismerne generelt er bedst til at spise rent sukker, når de skal producere disse stoffer. Mikroorganismerne lider nemlig en stille død, hvis man forsøger at putte dem ned i forbehandlet biomasse, da der under den kemisk/fysiske forbehandling af biomasse også bliver frigivet en række stoffer, der er giftige for mikroorganismerne.

Derfor skal de på træningslejr i laboratoriet for at lære at spise affald.

På jagt efter robuste mikrober med 'smidige' genomer

For at få mikroorganismer til at omdanne biomasse-affald til bio-kemikalier, skal de således 'lære' at indtage en bred pallette af sukkerstoffer og håndtere forskellige giftige stoffer i biomassen.

Vi forskere er derfor på jagt efter mikrober, som både er robuste, kan tåle den hårde kost og let kan optimeres genetisk til at producere bio-kemikalier.

Udfordringen er, at de organismer, der kan tåle den forbehandlede biomasse, ikke kan genmodificeres effektivt. Omvendt kan de organismer, som vi kan genmodificere effektivt, ikke tåle den forbehandlede biomasse.

LÆS OGSÅ: Tror du, at en vindmølle er bæredygtig?

Nye metoder skal gøre affald let spiseligt

Det kan nemt tage tre år eller mere at få udviklet effektive metoder til at genmodificere nye ukendte mikroorganismer. Vi prøver derfor i øjeblikket i stedet at udvikle nogle velkendte organismer til at tolerere den forbehandlede biomasse.

Men vi har brug for at udvikle metoder, der gør os i stand til lettere at gå fra rent sukker til forbehandlet biomasse.

I vores projekt arbejder vi netop på at genmodificere nogle velkendte og industrielt relevante mikroorganismer til at kunne omdanne bio-affald som for eksempel træ, hø og halm. Netop træ, hø og halm er svært at genanvende, fordi træfibre er så svært nedbrydelige.

Affaldet brændes derfor ofte, selvom man kunne have brugt molekylerne mere optimalt. Det overordnede mål er derfor på sigt at udvikle en metode, så værdifulde bio-kemikalier hurtigere kan blive produceret fra biomasse i stedet for fra rent sukker. På den måde kan vores biomasse blive 'guld' værd.

LÆS OGSÅ: Det skal vi gøre, hvis vi vil have cirkulær økonomi for fødevarer

Kemi og biologi går hånd i hånd

Mikroorganismer er dog ikke den eneste løsning på klimaudfordringen. Både mikrobiologer, kemikere og ingeniører arbejder eksempelvis også på at indfange den kulsyre (CO₂), som kommer fra skorstenenes røg og fra stålindustrien og cementindustrien.

Sammen med grøn brint fra vindmøller kan kulsyren bindes i forskellige kemikalier via såkaldt biologisk eller kemisk katalyse.

Katalyse er generelt en igangsætter eller accelerator i en kemisk proces. Dette kan enten ske ved hjælp af for eksempel uorganiske metaller (kemisk katalyse) eller via enzymer enten indeni eller udenfor en celle (biologisk katalyse). Du kan læse mere om de to katalyseformer i boksen under artiklen.

Man bør derfor både se mikroorganismer, enzymer og kemisk katalyse som en del af en integreret løsning i forhold til at sikre et bæredygtigt forbrug og bæredygtige produktionsformer.

Den grønne omstilling kræver samarbejde

Flere af os forskere ser også den grønne omstilling fra olieproducerede kemikalier til mikrobielt producerede kemikalier som et samarbejde mellem forskere og kemikalieindustrien.

Men der skal være et incitament til at udvikle teknologierne.

Man bliver med andre ord nødt til at prioritere at udvikle teknologier, hvor inputtet er affald – for eksempel hø, halm, alger og græsser – hvis vi skal stoppe klimaforandringerne.

Når olieprisen er så lav som nu, kan det desværre bedre betale sig for kemikalieindustrien at udvinde kemikalierne fra olie på traditionel vis i stedet for fra affald. Man må derfor skabe et økonomisk incitament, så det kan betale sig at være bæredygtig.

I dag vil grønne kemikalier som for eksempel 3-HP og akrylat (produceret med sukker) typisk være en del dyrere end de olieproducerede varianter, hvilket gør det svært at komme på markedet.

Målet på sigt er derfor, at mikroorganismerne skal kunne spise affald, og at de samtidigt bliver så effektive, at prisen på bio-kemikalier falder til stort set det samme niveau som oliebaserede kemikalier.

COPL-projektet står for 'Consortia based production of biochemicals from lignocellulosic biomass'. Projektet er finansieret af Danmarks Frie Forskningsfond.

LÆS OGSÅ: Kødforbrug, ferierejser og biler: Handler vi efter vores klimaværdier?

LÆS OGSÅ: Forskere forsøger at lave et miljøvenligt bruttonationalprodukt

LÆS OGSÅ: Sådan kan du hjælpe klimaet derhjemme og på arbejde