Fremtidens klimavenlige produktion vil høste solens stråler og forbruge CO2

ScienceViews 5. maj 2021 7 min Professor Birger Lindberg Møller Skrevet af Birger Lindberg Møller

Hvorfor ikke gentænke vores industrielle produktionssystemer? I stedet for at være afhængige af fossile brændstoffer og frigivelse af ufatteligt store mængder CO2 til atmosfæren skal de baseres på høst af solens energi og forbrug af CO2. Dét vil være langt bedre for klimaet – og det er faktisk en realistisk mulighed.

Interesseret i ScienceViews? Vi kan holde dig opdateret helt gratis

Klimaforandringerne og deres indvirkning på vores hverdag er tydelige for os alle. Heldigvis kan vedvarende energikilder som sol- og vindenergi nu levere økonomisk konkurrencedygtig elektricitet. Alligevel er 80 % af vores samlede energiforbrug stadig baseret på fossile brændstoffer. Det hæmmer i høj grad forsøg på at reducere den globale CO2-udledning. Der er derfor alvorligt brug for udvikling af helt nye klimavenlige produktionssystemer, ikke for lappeløsninger. Vi må tage fat om ondets rod – tænke helt nyt.

Vi må bevæge os fra den nuværende antropocæne æra – hvor menneskets aktivitet har afgørende indvirkning på Jordens økosystem – til den planta-algaecene æra, som er planternes og algernes tidsalder. Her vil sollysdrevet produktion af biomasse og naturstoffer baseret på CO2 blive hverdag, og selve grundlaget for en cirkulær bioøkonomi.

Fotosyntesens fortræffeligheder

Men hvordan vender vi produktionen på hovedet? Som plantebiokemiker gennem et langt liv er jeg gang på gang kommet til den erkendelse, at hvis vi leder de rigtige steder i naturen – og for mig er det især i planternes verden – så finder vi det, vi søger. Det gælder også i dette tilfælde og ligger i virkeligheden lige til højrebenet! Den produktionsproces, vi leder efter, foregår nemlig lige for øjnene af os: I fotosyntesen.

Fotosyntesen er basis for det liv, som vi har her på Jorden. Ved brug af sollysets energi og CO2 fra omgivelserne er organismer som cyanobakterier (bakterier, der kan lave fotosyntese), grønalger og planter i stand til at være selvforsynende organismer gennem fotosyntese og optag af mineralske salte.

En fossilfri skattekiste

Den nye type fossilfri produktion skal dels producere de stoffer, vi allerede har og bruger i vores hverdag, og dels nye typer f.eks. medicinske stoffer og nye typer biologisk nedbrydelige polymerer.

Mange af stofferne kender vi allerede fra vores hverdag såsom smagsstoffer og krydderier (vanilje, kanel og humle), farvestoffer (karmin og indigo), stimulanser (koffein, cannabinoider), sundhedsfremmende stoffer (flavonoider, resveratrol), vitaminer og medicinske stoffer (morfin og paclitaxel).

Derudover er der produktion af mængdemæssig vigtig biomasse og biobrændstof, som skal understøtte vores industrielle omstilling.

Vi skal høste Solens stråler

Solen er uden sammenligning vores største vedvarende energikilde. Mængden af solenergi, som rammer Jordens overflade, er per tidsenhed 5.000 gange større end menneskehedens samlede energiforbrug.

Det giver os nogle muligheder. Dem kan vi udnytte på en god måde, hvis vi forstår naturens mangfoldighed og udvikler fotosyntetiserende organismer til ”grønne gærceller”, som kan producere både biomasse og værdifulde naturstoffer. Alt sammen drevet af udelukkende af solenergi og – allerbedst – ved at forbruge i stedet for at udlede CO2.

Højværdistoffer er alfa og omega

For blot få generationer siden var brugen af materialer og stoffer stammende fra planter en mere integreret del af hverdagen. Den situation skal vi tilbage til, således at produktion via fotosyntese bliver det naturlige førstevalg, også når det drejer sig om højværdistoffer, som planter kun producerer i små mængder, og som vi derfor i dag producerer kemisk ud fra fossile udgangsmaterialer.

Hvis vi kombinerer produktionen af højværdistoffer og biomasse, kan vi for alvor revolutionere fremtidens produktionssystemer. Det er alfa og omega! Med en effektiv, parallel produktion af f.eks. værdifulde medicinske stoffer og råstoffer som f.eks. olier er der reel mulighed for at gøre overgangen til en sollysdrevet produktion økonomisk rentabel inden for det næste årti.

Højværdistofferne vil kunne bidrage til at opveje de direkte omkostninger, der er forbundet med etableringen af et helt grønt produktionssystem – og samtidig kan det øge den bæredygtige produktion af billige olieholdige biobrændstoffer.

Ligesom vi har set det i udviklingen af vindmøller og solceller, er de banebrydende forsøg med at anvende planter og alger som biomasse til en kommercielt bæredygtig produktion af biobrændstoffer tidligere blevet oversolgt og mødt af alvorlige tilbageslag.

Men nu har vi langt mere viden, det der skal til for at kunne gå ind i en vellykket udviklingsfase.

Brikkerne i puslespillet

Den gode nyhed er, at vi nu kender mange af brikkerne i dette puslespil. Forskningen har nemlig knækket mange af koderne til, hvordan vi kan gøre det på en relevant, økonomisk rentabel og miljørigtig måde – i tæt samarbejde med naturen selv.

Fra naturens hånd har cyanobakterier, alger og højere planter iboende evner, som gør dem til verdens bedste kemikere. De bruger solenergi til at producere alt, hvad de selv har brug for; fra store mængder kulhydrat, olie eller protein til små mængder af tusindvis af forskellige bioaktive naturstoffer, som planten selv bruger til at opretholde livet og afværge angreb fra skadevoldere. Disse naturstoffer ophobes ofte i komplekse blandinger i planten. Det gør dem vanskelige og miljøbelastende at isolere. Desuden kræver det ofte et enormt antal planter – og dermed landbrugsjord – at producere de mængder af stofferne, som vi har brug for. I den henseende tænker planterne ikke rigtig på os mennesker! Derfor anvender man i dag fossile udgangsmaterialer til kemisk syntese af stofferne. Det belaster miljøet.

I vores forskning er vi specialiserede i at opklare, hvordan sådanne naturstoffer bliver dannet i naturen. Den viden bruger vi til at udvikle specifikke cyanobakterie- og algestammer til at producere stofferne, som en bæredygtig erstatning for de miljøbelastende metoder, der anvendes i dag.

Fremtidens fotosyntetiske verden

Også hér kan vi læne os op ad naturen. Cyanobakterier, alger og planter producerer nemlig også alle udgangsstofferne, såsom aromatiske aminosyrer, isoprenoider og fedtsyrer, som mange af naturstofferne bliver dannet fra. Vi kan derfor bruge de samme udgangsstoffer til at syntetisere de nye naturstoffer, vi ønsker og har brug for.

Selve den fotosyntetiske produktionen finder sted i cyanobakterier og i algers og planters grønkorn. Det kræver, at vi bruger genteknologi til at indføre de ekstra gener, der koder for dannelsen af det bioaktive naturstof, vi ønsker at producere. På denne måde bygger vi videre på det iboende syntesepotentiale i cyanobakterier og i algers og planters grønkorn.

Så langt, så godt. Men skal dette batte noget, skal vi kunne arbejde i stor-skala. Det kræver nøje overvejelser omkring valget af produktionsorganismer, dyrkningsmetoder, opskalering og oprensning – og om vi skal anvende planter, alger eller cyanobakterier.

Vores blå planet skal gøres til en grøn verden

Hvor skal produktionen så foregå? I stedet for at bruge frugtbar landbrugsjord vil det være optimalt at placere den grønne produktion på havet og gøre brug af alger og cyanobakterier. Mere præcist kan produktionen foregå i kystnære områder i glasindesluttede bassiner, som er konstrueret på flydende platforme på ca. tre hektar hver.
Brug af saltvand som dyrkningsmedie er afgørende. Det reducerer risikoen for, at dyrkningsbassinet bliver forurenet med andre cyanobakterier og alger, da de fleste arter lever i ferskvand. Det er også vigtigt at vælge cyanobakterier og alger, der fra naturens hånd producerer store mængder protein, kulhydrat eller olier. Eksempelvis vil biomasse med højt olieindhold kunne bruges som skibsbrændstof og dække den globale skibsfarts brændstofbehov uden kostbar forarbejdning.

Her vil en ideel alge være Nannochloropsis oceanica, som har et olieindhold på over 60 % af tørstoffet. Sammenlignet med andre grønne oliekilder kan disse alger årligt producere 60 gange mere olie pr. arealenhed end sojabønner og ca. fem gange mere end oliepalmer.

Parallel produktion af stoffer med høj og lav værdi

Et afgørende kriterium er, at de udvalgte cyanobakterier eller alger udvikles til at kunne producere store mængder af det højværdistof, der ønskes produceret. Selve dyrkningen af algekulturerne vil foregå ved kontinuerligt at aftappe den grønne algesuppe med samme hastighed, som frisk filtreret havvand føres ind i bassinet. På den måde opnår man produktion af både biomasse og højværdistoffer.

Biomassen i den aftappede algesuppe vil man efterfølgende kunne isolere og bruge som skibsbrændstof eller som proteinkilde. Højværdistofferne kan isoleres og adskilles ved brug af to-fase-systemer og FLASH-kromatografi. Samtidig kan hele platformen være koblet til vindmøller, som kan drive centrifuger og andet udstyr til ekstraktion. Derudover kan vindenergien omsættes til varme og bruges til pyrolyse og termokemisk forgasning af algebiomassen til produktion af brandbare gasser og motorbrændstof.

Indkapslingen af de flydende platforme under et tætsluttende glasoverdække vil sikre, at produktionssystemet er miljømæssigt indesluttet og imødekommer alle EU-standarder for dyrkning af genetisk modificerede organismer.
Alt efter hvilke højværdistoffer, der bliver produceret, kan tilføres mineralsalte eller endda filtreret spildevand til bassinet. Det vil tilføje næringsstoffer, der giver endnu hurtigere vækst og dermed mere biomasse.

De direkte – og indirekte – omkostninger ved fossile brændstoffer

De direkte produktionsomkostninger, som er forbundet med alge-baseret produktion af biobrændstoffer på flydende pontoner, er højere end den nuværende salgspris for fossile brændstoffer. Den lave fossilpris afspejler dog ikke omkostningerne ved deres negative miljømæssige påvirkninger. En kulstofafgift må derfor implementeres som et uundværligt redskab i den globale strategi for at reducere CO2-emissioner på en effektiv måde og til at kickstarte en miljøvenlig bioproduktion.

Danmark har knowhow - nu skal der investeringer til

Internationalt vil denne udvikling kræve betragtelige investeringer i de næste 10-15 år. I Danmark står vi godt rustet til at være med i denne udvikling. Vi har tradition for en stærk skibsværftsindustri og verdensførende marine designkompetencer. Det kan vi benytte til konstruktionen af de havplacerede produktionsplatforme, som er koblet til vindmøller – og samtidig skabe mange arbejdspladser i Danmark uden for de store byer.

For at opnå en robust forretningsmodel, er det vigtigt, at vi anvender avancerede tekno-økonomiske modelsystemer i udviklingsfasen. Det vil sikre løbende systemoptimering og reducere risikoen forbundet med opskalering. Ledsaget af pilotforsøg vil det mindske risikoen for store fejlinvesteringer.

For at få succes er det nødvenligt med internationalt samarbejde. Vores samarbejdspartnere i bl.a. Australien og USA har enestående og stærke kompetencer inden for udvælgelse og udvikling af optimale cyanobakterier og alger. Derudover har de banebrydende viden om brugen af avancerede teknoøkonomiske modelsystemer til styring af omstillingen til grøn produktion. Vi er samtidig blandt de verdensførende inden for forskning i syntesebiologi og kan bane vejen for produktionen af mange af de højværdistoffer, der kan produceres af cyanobakterier og alger.

Så lad os komme i gang med de langsigtede investeringer!

Beslutningen om at udvide Danmark ved at bygge en energi-ø, der ligger 80 kilometer ude i Nordsøen, er et skridt i den rigtige retning.

En sådan energi-ø kunne være omgivet af et stort antal bassiner, på hver flere hektar, fyldt med særdeles produktive cyanobakterier og alger. Det vil skabe grundlaget for en bæredygtig fremtid, både økonomisk og miljømæssigt. Vi er klar!

Alt dette vil kunne levere økonomiske, sociale og miljømæssige fordele til Danmark. Globalt set vil det støtte det internationale samfunds mål for bæredygtig udvikling og medvirke til at opbygge cirkulære økonomier, der er i stand til at operere inden for vores planets grænser.

I 2019 tildelte Novo Nordisk Fonden en bevilling til professor Birger Lindberg Møller, Plant Biochemistry Laboratory, Institut for Plante- og Miljøvidenskab, Københavns Universitet til forskningsinitiativet "The Black Holes in the Plant Universe", der berører centrale spørgsmål i grøn produktion.

We carry out basic research across the spectrum of plant biochemistry – from the single molecule level to the field – and translate the findings into...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020