Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Ny opdagelse baner vej for industri-relevant produktion af køreklare biobrændstoffer

Ved hjælp af et usædvanligt, lys-afhængigt enzym og en nyopdaget enzymatisk proces har forskere fra Aarhus Universitet og Massachusetts Institute of Technology muliggjort en højtydende biologisk syntese af klimaneutrale drop-in-brændstoffer fra bioaffald.

18.12.2020 | Jesper Bruun

Laboratorie-opsætning af lys-inkubator. Her ses to forskellige eksperimentelle opsætninger med blåt lys. Foto: Jingbo Li, MIT.

Et særligt lys-afhængigt enzym, som først blev opdaget for cirka tre år siden, er omdrejningspunktet i en ny videnskabelig opdagelse, der muliggør en højtydende produktion af såkaldte ’drop-in’ biobrændstoffer fra biomasse.

I et studie, der nu er offentliggjort i Nature Communications, har ingeniører fra Aarhus Universitet og Massachusetts Institute of Technology (MIT) bevist, at den oprindelige antagelse om den enzymatiske proces i denne form for biomasse-til-biobrændstof-reaktion faktisk er forkert.

Med den nye viden har forskerne succesfuldt syntetiseret grønne biobrændstoffer i mængder på 1,47 gram per liter glukose, hvilket gør teknologien relevant for industriel produktion.

Den rette reaktant

Det lys-afhængige enzym, der oprindeligt stammer fra mikroalger, har den særlige egenskab, at det med blåt lys som eneste energikilde kan dekarboxylere fedtsyrer til alkaner (og derved omdanne cellulosisk biomasse til grønne drop-in brændstoffer).

Ved at indsætte enzymet i cellerne på gærsvampen ’Yarrowia Lipolytica’ omdanner forskerne svampens metabolisme. Svampen syntetiserer glukose fra biomasse til lipider – specifikt til frie fedtsyrer og molekylet ’fatty acyl-CoA’ – som derefter omdannes til alkaner af enzymet i en metabolisk reaktion kaldet ’fedtsyre foto-dekarboxylase’, forkortet FAP.

Lige siden enzymet blev opdaget, har man antaget, at det er de frie fedtsyrer, som er enzymets foretrukne reaktant i FAP-processen, og at en overflod af frie fedtsyrer således ville resultere i højere udbytte i produktionen af biobrændstoffer.

Men det har nu vist sig at være forkert.

”I vores forsøg har vi bevist, at det er molekylerne fatty acyl-CoA – og ikke de frie fedtsyrer – som er den foretrukne reaktant for det lys-afhængige enzym. Og vi har benyttet dette resultat med stor succes i vores undersøgelse til at omdanne 89 pct. af disse molekyler til alkaner, hvilket giver et udbytte på 1,47 g/l glukose,” siger Bekir Engin Eser, adjunkt ved Aarhus Universitet.

Biosyntese af brændstoffer

I dag fremstilles oleokemisk-baserede drop-in-brændstoffer (biobrændstoffer, som kan benyttes i samfundets allerede eksisterende infrastruktur) generelt ved at omdanne 'konventionelle' oleokemikalier, såsom vegetabilske olier, brugte madlavningsolier, talg og andre lipider, til kulbrinter (hovedsagelig alkaner) ved hjælp af en energi-intensiv kemisk behandling.

At indsamle alle disse mere eller mindre bæredygtige fedtstoffer til så lave omkostninger, at det i sidste ende resulterer i en rentabel produktion af biobrændstoffer, er imidlertid en stor udfordring, som kraftigt begrænser udbredelsen af ​​denne type produktionsplatform. Og som i øvrigt konkurrerer med fødevareproduktion.

Biosyntese er derimod en billig og bæredygtig løsning, hvor produktionen er baseret på omdannelse af cellulosisk biomasse, som er den mest udbredte, bæredygtige, biologiske ressource, der findes på jorden.

Endnu højere udbytte i fremtiden

Biologisk syntese af alkaner fra fedtsyrer er dog ikke en naturlig og foretrukken metabolisk proces for gærsvampen, da alkaner er giftige for dens celler. Derfor bruger forskerne enzymer med specielle evner til netop dette formål og koder de rette gener ind i gærcellerne.

Den nye opdagelse er et muligt gennembrud i biosyntese af de såkaldte drop-in biobrændstoffer, da forskerne dermed - for første gang nogensinde i denne proces – har syntetiseret grønne brændstoffer på et niveau, der er relevant for fremtidig industriel produktion:

”Tidligere studier med udgangspunkt i denne proces har sigtet mod at maksimere koncentrationen af de frie fedtsyrer, der dannes i cellerne. Men nu, med denne opdagelse, ved vi, at det er mængden af molekylet fatty acyl-CoA, der skal maksimeres. Det er en vigtig opdagelse for anvendelsen af biologisk syntese, og vi kan nu begynde at maksimere processen yderligere, for at opnå endnu højere udbytte i fremtiden,” siger lektor Zheng Guo fra Aarhus Universitet.


Kontakt

Lektor Zheng Guo
Mail: guo@eng.au.dk
Tel.: +45 87155528

AU Engineering, Institut for Bio- og Kemiteknologi