Makroalger som karbonkilde for mikrobiell produksjon av drivstoff og kjemikalier

Transkript

1 Makroalger som karbonkilde for mikrobiell produksjon av drivstoff og kjemikalier Inga Marie Aasen SINTEF Materialer og kjemi Teknologi for et bedre samfunn 1

2 Industriell bioteknologi ved SINTEF Mikrobielle produksjonsprosesser Prosessutvikling - produkter Enzymer Antibiotika Biodrivstoff (etanol, butanol) Biopolymerer Aminosyrer Stammeutvikling Klassisk mutagenese og screening "Metabolic engineering" Syntetisk biologi Bioprospektering Antibiotika, anticancer, ω3-pufa, pigmenter Teknologi for et bedre samfunn 2

3 Fra gen til produkt ved SINTEF Stammeutvikling Dyrking i brønnplater Fermentorer for prosessoptimalisering Pilotanlegg Robotisert koloniplukking og væskebehandling "High-throughput screening" og analyser Produktisolering og rensing Teknologi for et bedre samfunn 3

4 Brunalger som karbonkilde Attraktive egenskaper Høyt karbohydratinnhold ( 60 % av ts) Ikke lignin Krever ikke landareal eller ferskvann men også ulemper og utfordringer Høyt vanninnhold Store sesongvariasjoner Andre karbohydrater enn i landbasert biomasse Kunnskap ikke overførbar Teknologi for et bedre samfunn 4

5 Aktuelle produkter Motivasjon: Erstatte fossile råstoff med biomasse Drivstoff Bulkkjemikalier Seaweed biorefinery Biofuels Currently petrochemical based: High-volume, low price Andre produkter: Bedre lønnsomhet Alternative kilder til mat og fôr Food and feed ingredients Bulk chemicals Platform chemicals / building blocks Currently biobased: Medium volume, medium price High-value products Current biotech-products: Low-volume, high price Teknologi for et bedre samfunn 5

6 Produkter fra fermentering av karbohydrater Drivstoff Etanol Velkjent og veletablert prosess Produseres fra rørsukker (Brasil) og maisstivelse (USA) Produksjon fra lignocellulose er satt i drift Butanol Høyere energitetthet enn etanol Ikke (el. i liten grad) blandbar med vann, kan benytte samme infrastruktur som bensin, og høyere innblanding i bensin er mulig FoU pågår, foreløpig lave produktiviteter... Mer avanserte drivstoff Høyere alkoholer, hydrokarboner, fettsyrer FoU innen stammeutvikling pågår Teknologi for et bedre samfunn 6

7 Plattformkjemikalier 3-hydroksypropionsyre Itakonsyre Adipinsyre Fôringredienser Aminosyrer (også relevant som plattformkjemikalier) ω3-pufa Høyverdiprodukt Alle typer produkter som produseres ved fermentering, forutsatt minst like god produktivitet som fra glukose Teknologi for et bedre samfunn 7

8 FoU-utfordringer Seaweed biomass Uavhengig av produkt Storage Pre-treatment - Milling - Release of polysaccharides Bioprocessing Enzymatic hydrolysis Fermentation of mono- and oligomers Separation Product Teknologi for et bedre samfunn 8

9 Årstidsvariasjoner Laminaran og mannitol er opplagsnæring som akkumulerer vår og sommer, med maksimum i septemberoktober => Lagring nødvendig Høyt vanninnhold, lett utsatt for mikrobiell degradering (FMC konserverer med formalin) => Alternativ teknologi er nødvendig Komponent Innhold [% av tv] Laminaran 5-30 Mannitol 0-20 Alginat Andre karbohydrater 5-10 Samarbeidsprosjekt SES SINTEF Statoil Eller er løsningen et produksjonsanlegg som kan håndtere flere typer råstoff, f. eks. både tare og lignocellulose? Teknologi for et bedre samfunn 9

10 Forbehandling og hydrolyse Frigjøring av polysakkaridene Laminaran er vannløselig Alginat er viskøst! Delvis hydrolyse nødvendig som del av forbehandlingen? Hydrolyse (separat, simultan, eller "kombinert" ("consolidated")) Laminaran: β-1,3-glukanaser Alginat: Lyaser med forskj. spesifisitet Drar nytte av mange års alginatforskning ved NTNU / SINTEF Konsernsatsing SINTEF (og søknader FR) Teknologi for et bedre samfunn 10

11 Andre karbohydrater enn i landbasert biomasse Landbasert biomasse: Sukrose, stivelse Cellulose og hemicellulose (pentoser) Brunalger Laminaran => Glukose, dvs. kan fermenteres av alle relevante mikroorganismer til alle relevante produkt Mannitol Aerob omsetning: Utbredt - omsettes av mange organismer Anaerob omsetning: Færre organismer. Utbytter og produkttyper begrenses av krav til red-ox-balansering Teknologi for et bedre samfunn 11

12 Brunalger forts. Alginat (og alginat oligo- og monomerer) Aerob omsetning: Utbredt i marine mikroorganismer, men ikke i industrielle produksjonsorganismer Anaerobt: Enda færre organismer. Utbytter og produkttyper begrenses av krav til red-ox-balansering Strategier Modifisere alginatdegraderende bakterier til å produsere ønsket produkt Klone lyaser, opptakssystem og enzymer for videre omforming i organisme som produserer ønsket produkt Klone "alt" i en robust, industriell produksjonsorganisme (syntetisk biologi) Teknologi for et bedre samfunn 12

13 Framtid Tror vi på dette? Råstoffkostnadene er den største utfordringen prosesseringen er billigere enn for lignocellulose Volum og areal 100 km 2 -> tonn sukker -> tonn etanol eller ω3-pufa tilsv tonn fiskeolje For sammenligning: km 2 produktiv skog i Norge - Det tas ut 3 mill tonn tv trevirke årlig (ca. 40 % av tilveksten), tilsvarende ca. 2 mill. tonn sukker Norsk forbruk av bilbensin: 1,4 mill m 3 (1 mill. tonn) -> 1600 km " autodiesel: 3,6 mill m 3 (3 mill. tonn) -> 5000 km 2 (Vestfold: 2200 km 2 ; Østfold: 4200 km 2 ) Teknologi for et bedre samfunn 13 13