Gjennombrudd i biogass- og bioraffineriforskningen Vincent Eijsink Det nye bioenergibildet, 10.10.2013 The Future Role Of Biomass Energy In Norway - An Interdisciplinary Technological, Economical And Environmental Research Program

Dette foredraget Hvilken utfordringer har vi? Hvordan blir gjennombrudd til? – litt historie fra egen forskning Framgang innen enzymteknologi Mer historie: strategiske utviklinger på Ås campus Framgang innen biogass Bioraffinering; utfordringer og muligheter framover

Biomasse

Bioenergi fra trevirke Varme Bio-oljer, Jet-fuel, diesel via termokjemiske prosesser Sukker (-> etanol) + lignin (Biogass)

Nedbryting av trevirke (lignocellulose)

Biomassen er komplisert - sukkere

Biomassen er komplisert - sukkere

Biomassen er komplisert - lignin

Enzymenes utfordring Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Et gjennombrudd ved UMB i 2010 Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Vårt arbeid på kitin og kitinaser + spin-off (1993; start som forsker i Norge) 1996 – 1999; EU prosjekt; grunnleggende enzymologi av kitinaser 2001 – 2005; SUP på «bioraffinering» av kitin 2005; Gjennombrudd CBP21 Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Kitin nedbryting av Serratia marcescens Chitobiase, family 20 GH ChiA 3 family 18 chitinases, with one or two CBMs ChiC ChiB Suzuki et al, 1998 CBP21, family 33 CBM Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

2005: CBP21 (a CBM33) is a ”substrate-disrupting” protein, boosting chitinases Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her. Vaaje-Kolstad et al., JBC 280: 11313 -11319 & 280:28492-28497 (2005)

Vårt arbeid på kitin og kitinaser + spin-off 1993; start som forsker i Norge 1996 – 1999; EU prosjekt; grunnleggende enzymologi 2001 – 2005; SUP på «bioraffinering» av kitin 2005; Gjennombrudd CBP21 2005 – 2008; EU prosjekt på bioraffinering av mask 2005 – 2008; Nesten ingen finansiering til CBP21 oppfølging 2008 - 2013: SUP ! Fra 2009: «eksplosjonsartet> vekst, biogass, lignocellulose og kitin 2010: Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Et gjennombrudd ved UMB i 2010 Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Helt nye enzymer……… Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Et gjennombrudd ved UMB i 2010 Stor oppmerksomhet Solgte patenter Flere prosjekter, inkl. EU; mer bedriftsinteresse; bedre tilgang til utstyr Bedre rekruttering Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Og alt dette pga interessen i kitin (og et SUP prosjekt) Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her. Trends in Biotechnology, 2008

2013 - Etanol fra lignocellulose er en realitet (?) Crescentino, Italia

Strategiske gjennombrudd – Ås campus 2008 2009 2010 -> …… Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her. 2010- 2012

Analyse (utstyr og personer) Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Biogass Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Biogass Komplekse bakterielle samfunn omdanner biomasse til metan Anaerob fermentering vil være en del av nærmest en hvilken som helst bioraffineri Kompatibel med resirkulering av næringsstoffer Kan nedskaleres Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Biogass - utfordringer Reaktor teknologi, resirkulering, kontaminanter, lekkasje Det går ”for sakte”, i hvert fall for noen råstoffer Manglende stabilitet, råstoffvariasjon ”Black box” prosess Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Biogass - Utviklinger Organisasjonsmessig: Nye laboratorierer og utstyr, utstrakt samarbeid og en integrert tilnærming på Ås campus Faglig: Nye forbehandlingsteknologier, varme (Cambi AS) og eller enzymer Fleksible råstoffer; optimalisering Resirkulering av næringsstoffer er i fokus Fra ”black box” fermentering til systembiologi til full kontroll og mer fart? Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Biogass - Utviklinger Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Biogass - Utviklinger Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrterer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her. Phil Pope: "Interpreting the irrecoverable microbiota in digestive ecosystems"

Framtidens bioraffinering - utfordringer og muligheter Mål: Å bruke alle komponenter i all tilgjengelig biomasse, med tilstrekkelig verdiskapning og med tilstrekkelig resirkulering av næringsstoffer. Noen nøkkeltema: Enzymteknologi: bedre, billigere og med et bredere nedslagsfelt Fermentering / syntetisk biologi Nye produkter og prosesser (lignin!), som aksepteres i markedet Integrert tenkning, integrerte prosesser, kobling av verdikjeder Resirkulering av næringsstoffer Venstre bildet illustrerer de nye enzymene som sto i Science i 2010 (de nye enzymene er de røde pyramidene som bryter opp krystallinske overflater slik at de kjente, klassiske enzymene i gul slipper letter til) Høyre bilde illusrerer at dett letes etter nye enzymer på ”særnorske steder”, slik som her i tarmen til reinsdyr på Svalbard. Det letes også i varme brønner på havbunnen (Bergen) og i arktiske strøk (Tromsø). Biotek 2021 har nettopp bevilget et stort nasojnalt prosjekt som UMB leder hvor all disse bioprospekteringskreftene forenes). Når det gjelder enzymer finnes det fremdeles masse som ikke er oppdaget og Norge er godt rustet til å bidra her.

Nye produkter

Hva bør Ås campus bidra med Det vi allerede gjør Helhetstenkning: kombinere ”grønt” og ”blått” i både input og output. Nedskalerbare (kombinasjons)prosesser. Ny prosessteknologi, tre- og ligninkjemi. Produktutvikling!!! Andre punkt: produksjon av etanol skjer gjennom fermentering av sukker. I prinsippet kan sukkeret anvendes til å produsere mye annet (SINTEF ser blant annet på dette) og da vil man som oftest også bruke fermenetringstrinn. Alle disse fermenteringer trenger nitrogen. Tredje punkt: Sukkeret og særlig den (hemicellulose baserte) C5 sukkertrømmen som ikke så lett lar seg fermentere til etanol kan brukes til å dyrke fram mikrober som kan danne protein- og lipidrik mat til fisk, inkl. laks. Man kjenner til ”Bioprotein” satsingen i Norge. Her kan det tenkes mange varianter, f eks dyrkning av lipidrike gjær arter som vokser bra på C5 sukker. Dette er altså en meget avansert metode for å mate fisk med planter! Det er viktig å understreke at noe som dette tredje punktet ikke gir biodrivstoff, men at det kan være essensiell for å gjøre biodrivstoff mulig (pga overall prosessøkonomi)

Strategiske grep, deriblant SUP prosjektet, og faglig framgang i de siste fem årene gjør at Ås campus kommer til å spille en viktig rolle i videre utvikling av Bioraffineringsbildet Andre punkt: produksjon av etanol skjer gjennom fermentering av sukker. I prinsippet kan sukkeret anvendes til å produsere mye annet (SINTEF ser blant annet på dette) og da vil man som oftest også bruke fermenetringstrinn. Alle disse fermenteringer trenger nitrogen. Tredje punkt: Sukkeret og særlig den (hemicellulose baserte) C5 sukkertrømmen som ikke så lett lar seg fermentere til etanol kan brukes til å dyrke fram mikrober som kan danne protein- og lipidrik mat til fisk, inkl. laks. Man kjenner til ”Bioprotein” satsingen i Norge. Her kan det tenkes mange varianter, f eks dyrkning av lipidrike gjær arter som vokser bra på C5 sukker. Dette er altså en meget avansert metode for å mate fisk med planter! Det er viktig å understreke at noe som dette tredje punktet ikke gir biodrivstoff, men at det kan være essensiell for å gjøre biodrivstoff mulig (pga overall prosessøkonomi)