En relativt färsk analys som initierades av European Climate Foundation, ECF, har visat ett antal möjliga vägar till ett grönare Europa med minskat beroende av fossilt kol fram till år 2050. Den vanligast förekommande förnybara råvaran på jorden är växtmaterial, som till exempel lignocellulosa, och det är det mest självklara valet att ersätta fossila råvaror med.
Lignin är en mycket vanligt förekommande polyaromatisk råvara som man relativt enkelt kan utvinna ur biomassa. Det är till exempel en billig biprodukt vid framställning av pappersmassa och biobränsle, vilket gör ligninet till ett utmärkt startmaterial för att producera komplexa aromatiska organiska föreningar.
Från träd till högteknologiska molekyler
Lignocellulosa består av cellulosa (35 – 50 procent), hemicellulosa (20 – 35 procent) och lignin (15 – 25 procent). Medan cellulosa- och hemicellulosafraktionerna kan omvandlas till pappersmassa eller biobränslen, betraktas ligninet som en biprodukt och används främst för att generera värme genom förbränning. Det är synd, eftersom den stora mängden lignin som erhålls i lignocellulosaprocesserna har ett potentiellt högre värde och skulle kunna användas på ett mer kostnadseffektivt sätt i ett så kallat ”multi-produkt-bioraffinaderi”. Sålunda skulle hållbarheten för hela processen från träd till produkter öka. Exempel på mervärdesprodukter från lignin är kolfibrer, lim, plast, aktivt kol samt dispergeringsmedel som hjälper till att finfördela olika ämnen.
En annan möjlig användning, där ligninet kommer till sin rätt som en oslagbar källa, finner vi inom produktion av finkemikalier. Den stora tillgången av lignin tillsammans med dess komplexa polyaromatiska struktur gör det till ett idealiskt val av utgångsmaterial för att producera aromatiska finkemikalier.
Biokatalys sparar steg. En trend inom processkemi är att bygga processer där flera reaktionssteg kan utföras samtidigt i samma reaktor (så kallade ”one-pot” processer). En mer miljövänlig variant av detta är ”one-pot”-biokatalys. Detta innebär att att reaktionerna drivs av koordinerade enzymkaskadsystem på ett sätt som liknar det som sker inuti biologiska system där ett stort antal reaktioner är kopplade i ett metaboliskt nätverk. Ill: Magnus Carlqvist
Färre steg med biokatalysator
Trots stor potential saknas dock fortfarande effektiva metoder för flerstegsomvandling av enskilda molekyler i depolymeriserat lignin till mer värdefulla substanser.
Under de senaste åren har biokatalys rönt stort intresse som alternativ till kemisk katalys, och det har utvecklats till en etablerad vetenskap kring den metoden.
Fördelar med att använda biokatalysatorer för kemiska reaktioner är framförallt hög kemo-, regio- och stereoselektivitet. Med kemiselektivitet menas att reaktionen är specifik för en viss funktionell grupp. Regioselektivitet innebär att enzymet kan skilja på samma sorts funktionella grupp även om det sitter två likdana på olika ställen på en molekyl; endast en reagerar.
Stereoselektivitet betyder att de funktionella grupperna ser likadana ut och har samma kemiska egenskaper, men de kan inbinda enzymer olika, på samma sätt som en höger handske inte passar vänster hand.
De här egenskaperna är viktiga för att få rätt förening med hög renhet utan efterföljande uppreningssteg. Den höga selektiviteten innebär också att behovet av skyddande grupper som annars är nödvändiga vid klassisk organisk syntes försvinner och antal syntessteg därmed minskar. Biokatalysatorer verkar också under milda förhållanden i vatten. Därför minskar behovet av lösningsmedel, vilket gör metoden användarvänlig och leder till låg miljöbelastning.
Inbyggd förmåga. Bakjäst – Saccharomyces cerevisiae – är en välkänd mikrobiell biokatalysator som har använts med för att producera flera komplexa kolföreningar. Foto: Gunnel Bergström
"One-pot"-biokatalys
Varje steg i organisk syntes ökar behovet av arbetskraft, material, logistik samt omhändertagande av avfallsprodukter.
En trend inom processkemi är att bygga processer där flera reaktionssteg kan utföras samtidigt i samma reaktor (så kallade ”one-pot” processer) vilket leder till ökad strömlinjeformning och processekonomi. En mer miljövänlig variant av detta är ”one-pot”-biokatalys. Detta innebär att att reaktionerna drivs av koordinerade enzymkaskadsystem på ett sätt som liknar det som sker inuti biologiska system där ett stort antal reaktioner är kopplade i ett metaboliskt nätverk. För att kunna göra flerstegssyntes i ”one-pot” krävs alltså att enzymerna verkar tillsammans och att det finns system för regenerering av nödvändiga elektrontransportmolekyler, vilket kan medföra dyra och komplicerade lösningar.
En enkel lösning för detta är att utnyttja den inbyggda förmågan hos mikroorganismer för att samordna biokemiska reaktioner. Saccharomyces cerevisiae, eller bakjäst som det är mer känt som, är en välkänd mikrobiell biokatalysator som har applicerats med framgång för produktion av flertalet komplexa kolföreningar. Dess genom är helt sekvenserat och erbjuder en avancerad molekylärbiologisk verktygslåda för att enkelt kunna producera de nödvändiga enzymerna.
Dessutom har bakjäst uppvisat en enastående förmåga att tolerera tuffa bioprocessförhållanden, bland annat vid produktion av bioetanol från lignocellulosahydrolysat. Tillsammans gör dessa egenskaper bakjäst till ett idealiskt val för biokatalytisk ”one-pot”- omvandling av depolymeriserat lignin till finkemikalier, vilket är precis vad som kommer att utforskas i detta projekt.
Lignin
Lignin kan delvis depolymeriseras till monomerer, genom att använda metoder såsom alkalisk oxidation, pyrolys eller enzymatisk nedbrytning. Depolymeriserat lignin är en heterogen blandning av höggradigt substituerade aromatiska föreningar vilket kan betraktas som ett naturligt bibliotek av föreningar med en mängd olika funktionaliteter. Många av dessa molekyler har själva biologisk aktivitet eller kan användas som utgångsmaterial för tillverkning av läkemedel, parfymer, livsmedelstillsatser m.m.
Författare
:
Magnus Carlquist
är forskare vid Avdelningen för Teknisk Mikrobiologi, Lunds Universitet.
Litteratur:
McKinsey & Company, KEMA, The Energy Futures Lab at Imperial College London, Oxford Economics & ECF, Vol. 1 http://roadmap2050.eu (European Climate Foundation (ECF), 2010).
Fernando, S., Adhikari, S., Chandrapal, C. & Murali, N. Biorefineries: Current Status, Challenges, and Future Direction. Energy & Fuels 20, 1727-1737 (2006).
Nordic Wood Biorefinery Conference Stockholm; (2011).
Nestl, B.M., Nebel, B.A. & Hauer, B. Recent progress in industrial biocatalysis. Curr Opin Chem Biol 15, 187-193 (2010).
Santacoloma, A., Sin G., Gernaey K.V. & Woodley, J.M. Multienzyme-catalysed processes: next generation biocatalysis. Organic Process Research and Development 15, 203-212 (2011).
Keasling, J.D. Manufacturing molecules through metabolic engineering. Science 330, 1355-1358 (2010).
Almeida, J.R.M. et al. Increased tolerance and conversion of inhibitors in lignocellulosic hydrolysates by Saccharomyces cerevisiae. Journal of Chemical Technology & Biotechnology 82, 340-349 (2007).
Sorrell, S., Speirs, J., Bentley, R., Brandt, A. & R., M. Global oil depletion: A review of the evidence. Energy Policy 38, 5290-5295 (2010).