Banebrydende: Haldor Topsøe klar med alternativ til fermentering

Forskere fra Haldor Topsøe og DTU har taget det første afgørende skridt mod mere effektiv og mindre energikrævende produktion af stoffer, som i dag produceres med fermentering og bruges i industrien i vid udstrækning. Eksempelvis mælkesyrer som bruges i bionedbrydeligt plastik og miljøvenlige opløsningsmidler.

Det er lykkedes forskerne at få en katalysator til at efterligne biologiske processer og omdanne sukker til mælkesyre, hvilket ellers kun har kunnet lade sig gøre med biologisk fermentering. Tanken er, at det kan udvides til mange andre stoffer.

Resultaterne er altså kun første skridt på vejen, men meget afgørende, understreger hovedforfatteren.

SEM (scanning electron microscope) billeder af katalysatorkrystallerne. Med det blotte øje ligner det et hvidt pulver, men zoomer man ind og ser på det med SEM ses disse små krystaller og zoomes der yderligere ind ses mikroporerne i krystallerne som er 0.5-0.7 nm og på størrelse med sukkermolekyler. Det er inde i disse mikroporer at den katalytiske aktivitet finder sted. Her ses zeotyperne; A: Sn-Beta, B: Ti-Beta og C: Zr-Beta. Foto: Haldor Topsøe Illustration: Haldor Topsøe

»Det er første gang man har været i stand til at lave en katalysator, der kan det samme som de biologiske processer. Det er et paradigmeskift for indtil videre har fermentering været den eneste måde, man har kunnet lave noget selektivt ud af kulhydrater, men vi kan nu gøre det samme med en katalysator. Og på længere sigt kan man måske få udvikle nogle processer baseret på katalyse, der er mere økonomisk rentable og mere produktive end fermentering,« siger Esben Taarning, der er forsker ved Haldor Topsøe og hovedforfatter på artiklen.

Resultaterne bliver publiceret i det videnskabelige tidsskrift Science fredag.

Erstatte oliebaseret plastik

Det første bevis på, at forskerne kan få en katalysator til at gøre som biologien, er produktionen af mælkesyre (2-hydroxypropansyre), som bruges mange steder i industrien og er en nødvendig ingrediens, hvis den oliebaserede plastik, som bruges i dag, skal erstattes med et alternativ.

»Mælkesyre kan man bruge til at lave biologisk nedbrydelig plastik og opløsningsmidler, som ikke er giftige. Plastikken har også en masse gode egenskaber og har et potentiale til at erstatte en stor del af den plastik, der bliver produceret fra fossile ressourcer i dag,« siger Esben Taarning.

Han har samarbejdet med forskere på DTU om projektet, som især har handlet om at modificere katalysatoren.

»Katalysatoren, som vi bruger her, er af det samme materiale, som man bruger til at omdanne olie til benzin, men ved at ændre på den har vi også fået den til at omdanne sukker til mælkesyre. Zeolitten er en fast katalysator, som består af en hel masse bittesmå porer, så den har en kæmpe stor overflade, hvor molekyler kan diffundere ind, reagere og komme ud igen,« forklarer Esben Taarning.

Omdanner glukose

Arbejdet startede for næsten to år siden, hvor DTU forskede i at få umodificeret zeolit til at omdanne simple sukre, som kun består af tre kulstofatomer, såkaldte C3-sukre, hvilket godt kan lade sig gøre.

Men det er langt bedre at kunne bruge C6-sukre - kendt som glukose, som er mere udbredt og interessante at kunne omdanne. Og det kan denne katalysator. Katalysatoren kan derfor fodres med kulhydrater fra biomasse ligesom fermenteringen, hvor man især bruger glukose, der er hydrolyseret fra majsstivelse.

Der skulle dog justeres på katalysatoren før den kunne trylle glukosen om til mælkesyre.

»Vi har ændret på zeolitten ved at udskifte nogle af de metaller, der sidder inde i porerne, med f.eks. titan, zirconium og tin. Dette mildnede zeolittens syreegenskaber og det gjorde det muligt for den at katalysere de meget skrøbelige sukkermolekyler til nogle produkter, som den ellers ikke var i stand til,« fortæller Haldor Topsøe-forskeren.

Der sker det, at katalysatoren isomeriserer glukose til fruktose, hvorefter den spalter fruktose til dihydroxyacetone og glyceraldehyd, som den efterfølgende omdanner til methyllaktat (mælkesyre methylester). Dette kan destilleres og oprenses til ren mælkesyre. Det er den samme reaktionsvej som biologiske processer også benytter sig af og som der f.eks. sker i musklerne, når de mangler ilt og 'syrer til'.

Slutproduktet er methyllaktat, da processen bliver udført i methanol og Esben Taarning påpeger, at det faktisk er en fordel. Ved fermentering er resultatet mælkesyre, men her omdanner man det efterfølgende til methyllaktat for at kunne oprense det, men dette trin slipper man for med katalysatoren, da man slutter med methyllaktat.

Herudover er der den fordel ved katalysatoren, at den ikke er sårbar overfor syren. De levende bakterier, som bliver brugt i fermenteringen, kan derimod ikke tåle al den syre, de producerer, fortæller Esben Taarning. I fermenteringen neutraliserer man derfor med calciumhydroxid for at beskytte mod syren, hvilket resulterer i, at man i industrien producerer et ton calciumsulfat for hver ton mælkesyre man laver. Dette slipper man altså også for med katalysatoren.

Udbyttet skal øges
De trin der kan undgås med katalysatoren, vil højst sandsynligt betyde, at der også kan spares energi. De trin der kan undgås med katalysatoren vil højst sandsynligt betyde, at der også kan spares energi. Men Esben Taarning understreger, at projektet stadig er på forskningsstadiet og at det præcise energiforbrug endnu ikke er fastslået.

Haldor Topsøe overvejer at lave den nye proces med mælkesyreproduktion i storskala, men der stadig en masse praktiske ting, der skal på plads.

»Udbyttet fra katalysatoren kan heller ikke hamle op med fermenteringen på nuværende tidspunkt. Vi kan få et udbytte på 70 pct., mens fermenteringen giver et udbytte på 95 pct. Det betyder noget, når man skal gøre det industrielt, så der er stadig et stykke før katalysatoren kan udkonkurrere de biologiske processer,« siger Esben Taarning, men fortsætter:

»Men får man øget udbyttet tror jeg, mælkesyren kan laves mere økonomisk ved hjælp af katalyse end ved fermentering,« siger Esben Taarning.

Han påpeger, at 90-95 pct. af alle processer til omdannelse af olie er baseret på katalyse og at det er processer, som er blevet gjort effektive over årtier.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Bare de dog ville bruge deres fine "atommikroskop" til at forstå, hvad dynamiske magnetfelter kan hjælpe til med i processerne. Mærkværdigt at fremskridt stadig er baseret på "HOVSA NU VIRKER NOGET nogenlunde som vi ønsker".

  • 0
  • 0

Hvordan vil du bruge SEM til at se på dynamiske magnetfelter, og hvordan havde du tænkt dig de skulle have indflydelse på de katalytiske processer?

  • 0
  • 0

Hvordan vil du bruge SEM til at se på dynamiske magnetfelter,

Dét kan man IKKE, men man kan følge atomernes koblinger, som man gjorde da man opdagede at katalysatorprocessen var særdeles anderledes end man troede. Jeg vil formode en hurtigere korrekt kobling kan observeres, hvis man er interesseret heri - og det er måske problemet!

og hvordan havde du tænkt dig de skulle have indflydelse på de katalytiske processer?

Tja, der er jo en del elektroner, der via deres bevægelser danner nogle elektromagnetiske poler, der kan orienteres ønskværdigt, hvorved tendensen til at "udlåne" elektronerne øges - det er vist dét der befordrer bindingerne i molekyler - Ikk! Hvis man stirrer på hvad katalysatoren laver, er det måske netop noget lignende der foregår. Nå men dét overlader jeg til FORSKERNE at forstå, hvis de har lyst til dét. Stikord er måske "spinvinkler" og "tandhjul" ;-D

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten