UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP (Bio)teknologiske utfordringer i produksjon av bioetanol

Transkript

1 (Bio)teknologiske utfordringer i produksjon av bioetanol Vincent Eijsink & Svein Horn Universitet for Miljø- og Biovitenskap, Institutt for Kjemi, Bioteknologi og Matvitenskap 1

2 Førstegenerasjons bioetanol Sukkerrør Mais Sukker (-polymerer) Fermenterbare enkeltsukkere Sukkerpolymerer Etanol Hydrolyse Fermentering (gjærsopp) Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 2

3 Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap Annen generasjons bioetanol 3 Cellulose er ikke lett tilgjengelig og det er vanskelig å bryte det ned.

4 Somerville et al, Science Dec 24;306(5705): Cellemembran Inne i plantecellen Cellemembran Inne i plantecellen Cellulose fiber Planters cellevegg: et svært kompleks, tett og robust nettverk av sukkerpolymerer; lignin kommer i tillegg Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 4

5 bioetanol & (bio)teknologiske utfordringer GMO planter 1. FORBEHANDLING 2. HYDROLYSE (-> enkeltsukkere) 3. FERMENTERING 4. DESTILLASJON Biomasse med sukker bundet opp som sukkerpolymerer Prosesstekn.; proteiner? Syre eller enzymer Optimaliserte mikrober Prosesstekn.; membraner 5 Etanol

6 Bioteknologiske aspekter - kunnskapsstatus GMO planter Nytt, risikofylt; Norge har ledende kompetanse (UMB) Nøkkelteknologi; Norge har bra kompetanse (UMB) Stort potensiale, mange satsinger; ikke i Norge Prosesstekn.; proteiner? Syre eller enzymer Optimaliserte mikrober Prosesstekn.; membraner 6

7 Anvendt enzymologi er vannlig ved UMB Kitin Proteiner mm Proteiner og sukker Bioaktive kitinfragmenter (medisin, plantevernmiddel) Hydrolysater & Ingredienser Hydrolysater, bioaktive komponenter 7 Sukker Bioetanol

8 Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 8

9 Bioteknologiske aspekter - kunnskapsstatus GMO planter Nytt, risikofylt; Norge har ledende kompetanse (UMB) Nøkkelteknologi; Norge har bra kompetanse (UMB) Nøkkelteknologi; Norge har bra kompetanse (NTNU /SINTEF) Stort potensiale, mange satsinger; ikke i Norge Prosesstekn.; proteiner? Syre eller enzymer Optimaliserte mikrober Prosesstekn.; membraner 9

10 Hva gjør vi ved UMB? FORBEHANDLING: Kjemisk-fysisk (syre, trykk, høy temperatur); proteiner? HYDROLYSE: syre eller enzymer 10 Krystallinsk utgangsmateriale er utilgjengelig Forstyrring av pakkingen gjør polymerkjedene tilgjengelige... Nedbryting til enkeltsukkere

11 Funn 1: Prosessivitet hjelper, men gjør enzymer trege 0,00001 mm Svein J. Horn et al., Proceedings of the National Academy of Sciences USA 103: (2006) Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 11

12 Funn 2: Hjelpeprotein ( CBP21 ) ChiG + CBP21 ChiG Gustav Vaaje-Kolstad et al., Journal of Biological Chemistry 280: & 280: (2005) + Patent søknad Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 12

13 Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 13

14 Pluss Anvendelse av kommersielle enzymer for å bryte ned lignocellulose, sammen med en industriell partner. Oppbygging av relevant infrastruktur, f eks til steam explosion. Concentraion [g/l] Degradation of 50 g/l steam exploded wood chips FPU Glc Xyl 14 Leting etter nye hjelpeproteiner og mer effektive enzymer ( bioprospektering ). Forbedring av eksisterende enzymer og hjelpeproteiner gjennom enzym engineering. Fermenteringsteknologi, anvendt mikrobiologi.

15 Aktuelle bioteknologiske forskningsoppgaver (basert på at Norge ikke kun vil følge men virkelig vil bidra) 1. Leting etter fermenteringsstammer, stamme utbedring ( metabolic engineering ), fermenteringsteknologi 2. Forbehandling og anvendt enzymologi core business ved UMB. 3. Grunnleggende enzymologi core business ved UMB. 4. Enzym optimalisering core business ved UMB. 15

16 Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap Aktuelle bioteknologiske forskningsoppgaver (basert på at Norge ikke kun vil følge men virkelig vil bidra) 5. Bioprospektering enorme muligheter også på land; store synergieffekter med plante- og skogspatologien på Ås campus (Bioforsk, Skogoglandskap)! Fra bioetanol til biorefinery Her er det mye å gjøre...

17 Finansiering Vi vil bruke FUnksjonell GEnomikk, SYSTEMS BIOLOGI og BIOTEKNOLOGI for å utvikle teknologi i NANOskala til å lage framtidens Rene ENERGI systemer basert på SKOG, TREvirke og annen biomasse som opptar store AREALer, og dette i et TVERRFAGLIG campus samarbeid som etter hvert kan tjene DISTRIKTS- POLITIKKEN ved å skape nye muligheter for LANDBRUKET. I dagens situasjon gir dette 17 ikke forskningsmidler

18 18 Vi trenger: Infrastruktur (pilotannlegg) Forskningsmidler (Folk) NFR allokerer lite til bioenergi, og: NFR finansierer ikke lenger klassisk bioteknologi. FUGE og FRIBIO er lite interessert i biomasse og landbruk. RENERGI har lite bio og betjener dessuten kun en del av de norske miljøene. For mye forskningsmidler knyttes opp mot bedriftsdeltagelse -> gir umulige konkurranseforhold og allokeringer på feil grunnlag (og mangel på innovasjon?)