En av de största utmaningarna i vår strävan mot en ekologiskt hållbar energi- och bränsleförsörjning, är att hitta ersättningar för de fossila bränslen som idag används för produktion av av energi, fordonsbränslen och petrokemiska produkter.
Behov av nya drivmedel
Behovet av energi i form av värme, kyla och el kommer i framtiden till stor del kunna tillgodoses med förnyelsebara energikällor (vatten-, vind-, sol- och vågkraft), fasta bränslen i form av växtbiomassa och, i en övergångsperiod, energi från kärnkraftverk. För energi till transporter av människor och varor med bil, flyg och båt kommer vi dock även i framtiden att ha ett stort behov ett transportabelt bränsle i form av exempelvis en vätska eller en gas. Åtminstone tills dess att nya billiga och miljövänliga transportabla energikällor har utvecklats, som exempelvis lätta miljövänliga batterier med hög kapacitet.
En rad förnyelsebara vätske- eller gasbaserade biobränslen, exempelvis bioetanol, biodiesel och biogas, produceras redan idag och används i stället för fossila bränslen. Men mängden av de förnyelsebara bränslen som vi producerar räcker enbart till för att täcka några få procentandelar av världens samlade behov av bränslen för transporter. Enligt färska beräkningar så går i dag så mycket som 30 procent av den totala energiförbrukningen inom EU åt för olika typer av vägtransporter. Mer än 98 procent av denna energi kommer från fossila bränslen. EU:s övergripande mål är att innan 2030 skall så mycket som 25 procent av all den energi som används för vägtransporter inom unionen komma från förnyelsebara källor och produceras på ett ekologiskt hållbart sätt. Med detta i åtanke inser man att det i dag finns ett mycket stort behov av att drastiskt och på ett ekologiskt hållbart sätt öka produktionen av förnyelsebara transportabla bränslen i Sverige och övriga Europa.
Ökad satsning på bioetanol
Stora vetenskapliga och ekonomiska satsningar görs i Sverige och många andra länder för att snabbt öka produktionen och användningen av bioetanol som drivmedel. Bara i USA satsas årligen mer än en miljard dollar på forskning och teknikutveckling för produktion av etanol från förnyelsebar växtråvara, t.ex. växtrester från USA:s stora produktion av majs.
Bioetanol framställs idag huvudsakligen från sockergrödor (sockerrör, sockerbetor) och stärkelsegrödor (vete och majs). Produktionen har i en rad länder expanderat kraftigt under senare år, framförallt från stärkelsegrödor, vilket har lett till en hårdnande konkurrens om råvaran. En etisk debatt har inletts om det moraliska i att värdefull jordbruksmark används till produktion av grödor för fordonsbränsle i stället för livsmedel åt jordens växande befolkning. Därför riktas nu allt större intresse mot att utnyttja cellulosarik växtbiomassa, framförallt restprodukter från jord- och skogsbruk, som råvara vid produktion av bioetanol.
Växtbiomassa – en stor energiresurs
Växbiomassa är den största förnyelsebara organiska råvarukällan vi har tillgång till på jorden idag. Omsättningen av växtmaterial är en process av gigantiska mått. Det uppskattas att växter varje år fixerar cirka 15 procent av all den koldioxid som finns i atmosfären och årligen produceras 40 miljarder ton växtmassa.
Energin i växtbiomassa är huvudsakligen bunden i olika typer av polysackarider i växternas cellväggar, främst i form av cellulosa, hemicellulosa (upp emot 50 procent av växtbiomassan) och lignin (upp emot 25 procent av växtbiomassan). Cellulosan består av långa kedjor av glukosmolekyler som är kopplade till varandra. Dessa långa kedjor är i sin tur tätt sammanpackade i mycket stabila kristallina strukturer i växternas cellväggar, strukturer som man i dagligt tal kallar cellulosafibrer.
I Sverige är en rad fabriker för produktion av bioetanol från cellulosarik växtbiomassa under byggnad eller planering (till exempel i Örnsköldsvik, Karlshamn, Sveg och Sala). Intresse finns också för att anpassa nuvarande stärkelsebaserade produktionsanläggningar för cellulosarik råvara. Det finns även planer på att bygga om delar av redan existerande pappersmassafabriker i Sverige till etanolfabriker och därmed få så kallade energikombinat som kombinerar produktion av pappersmassa, drivmedel, värme och el inom samma anläggning.
För att bli ekonomiskt och ekologiskt bärkraftiga behöver de planerade nya bioetanolfabrikerna komma upp till ett nära 90-procentigt utbyte av växtbiomassans cellulosafraktion. För att uppnå detta höga utbyte finns det ett stort behov att studera hur man kan optimera produktionsprocessen.
Enzymer – naturens egna ”maskiner”
Tredimensionell bild av Cel7A, ett av de cellulosanedbrytande enzymen från svampen Hypocrea jecorina. En bit av en cellulosakedja, färgad i rött och grönt, syns bundet i den aktiva ytan på enzymet.
Foto: Roger Svensson
För att kunna tillverka bioetanol ur cellulosa måste man först bryta ner, hydrolysera, polysackariderna i växtbiomassan till lösliga och fermenterbara sockerarter. Processen kallas försockring. Nedbrytning av de mycket stabila cellulosafibrerna till glukosmolekyler kan göras med hjälp av starka syror, som ur ett miljöperspektiv inte är så attraktivt, eller med hjälp av cellulosanedbrytande enzymer – naturens egna små ”maskiner”, som på naturlig väg bryter ned växter för att på så sätt frigöra och återcirkulera den energi som finns i dessa.
Växtnedbrytande enzymer i naturen produceras främst av mikroorganismer, exempelvis svampar och bakterier, som bryter ned växter för att använda dessa som näringskälla. Man känner i dag till ytterst lite om alla de olika växtnedbrytande mikroorganismerna, trots att de finns i en överväldigande mängd på vår jord. Än mindre känner man till om alla de växtnedbrytande enzymer dessa producerar. Många forskningsprojekt pågår därför nu i världen för att kartlägga vilka växtnedbrytande mikroorganismer som finns och vilka växtnedbrytande enzymer som dessa producerar, för att därigenom identifiera nya effektiva enzymer som vi kan använda i framtiden för att bryta ned växtbiomassa.
Inom industrin används huvudsakligen växtnedbrytande enzymer från svampen Hypocrea jecorina. Denna svamp bryter i naturen ned döda växter som har samlats på marken. När svampen odlas med cellulosa som enda kolkälla utsöndrar den i riklig mängd en lämplig blandning av enzymer som effektivt bryter ner cellulosa och andra komponenter i växtbiomassa till lösliga sockerarter.
Höga kostnader
Trots att framställningen av växtnedbrytande enzymer är relativt enkel och billig, utgör i dag ändå kostnaden för själva enzymnedbrytningen av växtbiomassa en betydande del (ca 20 procent) av den totala produktionskostnaden av bioetanol från cellulosarik växtbiomassa. En minskning av kostnaderna för enzymerna är därför nödvändig för att göra etanol framställd från växtbiomassa ekonomiskt mer konkurrenskraftig gentemot fossila bränslen.
Tekniska utmaningar
Ett problem med att använda cellulosarik växtbiomassa som råmaterial för etanolproduktion är att växternas cellväggar har en så komplex och kompakt struktur. För att enzymerna skall komma åt att hydrolysera cellulosan på ett effektivt sätt krävs någon form av mekanisk och termokemisk förbehandling som först bryter upp den komplexa strukturen i cellväggen innan det enzymatiska hydrolyssteget. Utan en termomekanisk förbehandling av biomassan före den enzymatiska hydrolysen frigörs bara 10–20 procent av den totala mängden socker som finns bundet i cellulosan i biomassan inom en rimlig tidsrymd. Det är mycket viktigt att ta fram väl fungerande metoder för termomekanisk förbehandling av den tänkta råvaran för bioetanolproduktion. En lyckad metod kan innebära att så mycket som 90 procent av de sockermolekyler som finns bundna i växternas cellväggar, och som man teoretiskt kan producera etanol av, kan frigöras vid den efterföljande enzymatiska hydrolysen.
Idag har vi en ganska lite kunskap om hur man producera bioetanol från cellulosarik växtbiomassa med ett högt utbyte. Mycket forskning kommer därför att krävas framöver för att vi på ett ekologiskt och kostnadseffektivt sätt skall kunna producera bioetanol från denna för oss rikligast förekommande förnyelsebara råvara.
Även om vi framöver lyckas med storskalig produktion av bioetanol från cellulosarik växtbiomassa på ett ekologiskt bärkraftigt sätt, så kommer den bioetanolen som vi producerar inte räcka för att täcka hela vårt behov av biobränsle i framtiden. En kombination av en rad olika förnyelsebara bränslen kommer att krävas för att täcka vårt totala behov av transportabla energikällor.