Bakterier har potentialet til at kunne omdanne syngas – en blanding af kulmonoxid (CO), hydrogen (H2) og hyppigt kuldioxid (CO2) – til flydende brændstof til passager- og kommerciel transport i alt fra biler til fly. Men først skal forskere komme over en hurdle, som en dansk forsker nu har været med til at identificere mekanismen bag.
At være i stand til at konvertere den resterende energi fra forskellige affaldsstrømme til transportbrændstoffer er en langsigtet drøm. De fleste affaldsstrømme er svært nedbrydelige, og en mulighed er at forgasne affaldet til syngas og omdanne denne gas til brændstof ved hjælp af en-kulstof (C1)-kemi.
Kemisk gas-til-væske-konverteringsteknologi, såsom Fischer-Tropsch-processen, er blevet efterstræbt i næsten 100 år, men den er relativt følsom over for gassammensætning og kræver en meget stor skala. I modsætning hertil er biologisk konvertering ved anvendelse af gasfermentering mindre følsom over for forurenende stoffer og produktionsskala.
”Vi vil gerne kunne benytte bakterier til at omsætte gasser til flydende brændstof. I den sammenhæng har vi observeret, at bakteriernes produktion oscillerer, når de skal konvertere kulmonoxid og hydrogen til ætanol. Vi har nu identificeret, hvorfor produktionen oscillerer,” forklarer Scientific Director ved Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU) Lars Keld Nielsen.
Forskningen er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.
Acetogener konverterer gasser til brændstof
Forskningen drejer sig specifikt om en acetogen mikroorganisme, Clostridium autoethanogenum.
Acetogener er i stand til at omsætte en lang række substrater, herunder forskellige gasser, til acetat, der spiller en vigtig næringsmæssig rolle for ikke bare bakterierne selv, men også for de værtsorganismer, som acetogenerne ofte bosætter sig i.
Ud over acetat kan bakterierne også lave det kommercielt interessant ætanol, som kan videreraffineres til flybrændsel eller benzin til bilen. Forskere har udviklet acetogener til at lave mere ætanol i forhold til acetat, så de producerer mere af det, som vi gerne vil have, og mindre af det, som vi ikke rigtig kan bruge til noget.
”En stor del af vores forskning har fokuseret på at forstå de processer, som får systemet til at virke, når acetogenerne laver ætanol. Hvilke proteiner er i spil, og hvordan ser deres metabolisme ud?” siger Lars Keld Nielsen.
Bakterier har en livret
Selvom acetogener kan vokse på mange forskellige former for ”føde”, har de nogle livretter, og en af disse livretter er gassen syngas, der består af en kombination af kulmonoxid og hydrogen og hyppigt kuldioxid.
Acetogenerne kan konvertere syngas til ætanol, men forskere har i lang tid identificeret en irriterende begrænsende faktor for en fuldstændig kommerciel succes.
Forskerne kan i deres opblandingstanke med acetogener godt opblande mere og mere syngas og få acetogenernes produktion af ætanol til at stige og stige, men på et tidspunkt begynder processen at oscillere, og så stiger outputtet ikke mere, men begynder at falde igen.
Efter det er faldet, stiger det igen, og sådan fortsætter det op og ned i faste taktslag, uanset hvor meget mere syngas forskerne putter i blandingen.
En oscillation varer i omegnen af 180 timer, og der kan være op imod to gange forskel i produktionen fra højeste produktion til laveste produktion.
Det går ikke, hvis det skal være kommercielt attraktivt.
”Vi troede, at vi ville nå et niveau, hvor produktionen ikke steg mere, men stabiliserede sig, når mængden af gas i væsken med acetogener blev den begrænsende faktor. Det har dog indtil videre været ukendt, hvorfor de her oscillationer opstår, når vi putter lidt pres på systemet for at få mest muligt ud af det,” siger Lars Keld Nielsen.
Lars Keld Nielsen fortæller, at det samme faktisk også sker med bagegær, når den presses til at yde over evne.
Er stopklods for udviklingen
Da det åbenlyse problem er, at systemet er nødt til at være mere produktivt for at blive en kommerciel succes, ligger der en guldkrukke for enden af regnbuen til den forsker, som kan knække koden til at stabilisere acetogenernes produktion af ætanol.
Lars Keld Nielsen fortæller, at forskerne er nødt til at få mere ætanol ud af hver eneste liter bioreaktor, før det bliver et spændende alternativ til udvinding af klodens begrænsede ressourcer.
”Det er den begrænsende faktor, fordi vi kommer ikke videre, hvis vi ikke kan løse det her,” siger Lars Keld Larsen.
Eksplosiv vækst får slået bremsen i
Det første skridt i en løsning er som altid at identificere og analysere problemet, og det er netop, hvad Lars Keld Nielsen sammen med australske kollegaer har gjort.
Lars Keld Nielsens mange forsøg med acetogener i laboratoriet viser, at bakterierne starter med at vokse ved at bruge kulmonoxid som kilde til vækst.
På et tidspunkt, når koncentrationen af acetogener er tilpas højt, og kulmonoxid er lavt, begynder acetogenerne også at bruge hydrogen til at vokse, og derefter stiger deres vækst eksplosivt, og det er faktisk meget godt.
Men når niveauet af hydrogen falder, og acetogenerne skal tilbage til at vokse alene på kulmonoxid, begynder tingene at gå i ged, fordi det tager tid for acetogenerne at omstille sig til kun at benytte kulmonoxid som fødekilde.
Det leder til et fald i metabolismen, som fører til et fald i produktionen af ætanol.
”Systemet fungerer på den måde, at acetogenerne kan accelerere deres vækst og metabolisme hurtigt, når de kan vokse på hydrogen, men så tager det lang tid, før de kommer tilbage til udgangspunktet,” forklarer Lars Keld Nielsen.
Vil finde nye enzymer at putte ind i acetogenerne
Lars Keld Nielsen pointerer, at der er flere mulige løsninger på problemet med de oscillerende acetogener.
Forskerne kan prøve at manipulere systemet ved at benytte syngasser med forskellige forhold mellem kulmonoxid og hydrogen. Den løsning er dog ikke optimal, da det interessante ved acetogener er, at de kan vokse på forskellige former for syngasser, og det derfor ikke kræver helt specielle forhold at få dem til at vokse.
En anden – og mere attraktiv – mulighed er at manipulere acetogenernes gener, så de er bedre til at overkomme skiftet i metabolisme mellem kulmonoxid og hydrogen.
Et specifikt enzym, der hedder hydrogenase, spiller en vigtig rolle her, fordi dets aktivitet bliver begrænset af kulmonoxid i høje mængder. Det hæmmer hele processen, når hydrogenase bliver begrænset og ikke kan konvertere hydrogen til ætanol.
”Vi skal finde andre hydrogenaser, der ikke bliver begrænset af kulmonoxid i for høje mængder, men kan blive ved med at bruge hydrogen igennem hele fermenteringsprocessen. Det vil kunne overkomme det her problem og bringe muligheden for at bruge acetogener skridtet videre mod større kommercielt potentiale,” siger Lars Keld Nielsen.
"Redox Controls Metabolic Robustness in the Gas-Fermenting Acetogen Clostridium autoethanogenum” er udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences. Lars Keld Nielsen er Scientific Director på Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability.
