Sådan udvinder man bedst kalorielet sukker fra hvedestrå

Miljø og bæredygtighed 3. mar 2022 3 min PhD Fellow Nikolaus Vollmer Skrevet af Kristian Sjøgren

Forskere peger på den bedste måde at forbehandle hvedestrå på, hvis man vil være i stand til at trække mest muligt kalorielet sukker ud af dem. Om det kan betale sig og er godt for miljøet er lidt mere usikkert.

Interesseret i Miljø og bæredygtighed? Vi kan holde dig opdateret helt gratis

Sukker er ikke bare sukker.

Nogle former for sukker indeholder færre kalorier end andre og er derfor attraktive at putte i fødevarer. Det gælder eksempelvis sukkertypen xylitol (kendt som birkesukker), som kan produceres fra blandt andet træer og planter.

I dag producerer man dog xylitol kemisk, men i et nyt studie viser forskere, hvordan man bedst kan forarbejde hvedestrå, så gærceller efterfølgende kan fermentere stråene med et højt udbytte af den eftertragtede sukker.

Forskningsarbejdet er præsenteret i Chemical Engineering Journal.

”Tanken er, at vi i stedet for at bruge en kemisk produktionsproces som udgangspunktet for at lave xylitol kan bruge en bioteknologisk proces, som potentielt kan være billigere og mere bæredygtig. Det kræver dog, at vi kender til alle omkostningerne forbundet med processen og den indflydelse, som processen har på miljøet. Det er de parametre, som vi har udregnet i denne og to senere studier,” fortæller en af forskerne bag studiet, ph.d.-studerende Nikolaus Vollmer fra DTU Kemiteknik ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

Syre er bedst til at forarbejde hvede før fermentering

Hvis sukkerproducenter skal lave xylitol ud af hvedestrå, involverer det i store træk tre processer:

  • For det første skal stråene forbehandles, så udgangsstoffet for xylitol, xylose, bliver gjort tilgængeligt i hvedestråene.
  • For det andet skal xylose fermenteres af gærsvampe, som laver xylose om til xylitol.
  • Til sidst, men ikke mindst, skal xylitol adskilles fra resterne fra fermenteringsprocessen.

I forskningsarbejdet har Nikolaus Vollmer undersøgt, hvordan man bedst behandler hvedestrå for at gøre indholdet af xylose tilgængeligt for gærsvampene.

Plantematerialet skal nedbrydes i mindre molekyler, og det kan man gribe an på to måder:

  • Den ene metode nedbryder hvedestråene i en højtrykskoger med tryk og høje temperaturer.
  • Den anden metode benytter tryk og lidt lavere temperaturer, men til gengæld tilsættes en svag svovlsyre for at katalysere processen.

Resultatet af Nikolaus Vollmers undersøgelser viser, at metoden med at tilsætte en svag svovlsyre er overlegen i forhold til at opnå et højt udbytte af xylose.

Ved brug af den første metode fik Nikolaus Vollmer kun mellem fem og 10 pct. af det potentielle udbytte af xylose ud af hvedestråene, mens den anden metode gav et udbytte på over 95 pct.

”Samtidig med det høje udbytte var der relativt få uønskede sidereaktioner, som producerer molekyler, der efterfølgende kan være giftige for gærsvampene eller af andre grunde skal fjernes inden fermenteringen,” forklarer Nikolaus Vollmer.

Ikke nødvendigvis bedre at fermentere xylitol

I de næste trin i forskningsarbejdet har Nikolaus Vollmer regnet på, om det overhovedet er en farbar vej at gå at få gærsvampe til at fermentere xylose for at få xylitol ud af det.

Spørgsmålet er nemlig ikke bare, om det kan lade sig gøre, men også om det er økonomisk og bæredygtigt fordelagtigt sammenlignet med de nuværende kemiske metoder at lave xylitol på.

I beregningerne har forskeren inkluderet alle trin i processen, og svaret på spørgsmålene vedrørende bæredygtighed og rentabilitet er indtil videre et "måske".

Nikolaus Vollmer fortæller, at mange forskellige usikkerheder angående procesudstyr og produktpriserne indgår i udregningerne, og at det derfor kan tippe begge veje afhængigt af valgte metoder til at komme fra hvedestrå til oprenset xylitol.

Blandt andet kommer det an på størrelsen på de tanke, som skal køre processen. Det har effekt på prisen, hvor der kan være en besparelse af hente ved at lave meget xylitol i store tanke sammenlignet med mindre mængder xylitol i mindre tanke.

50-50

En anden mulighed kan være at benytte biologisk optimerede gærsvampe, som har en højere effektivitet i fermenteringsprocessen eller en højere tolerance for de giftige molekyler.

Vedrørende påvirkningen af miljøet udleder den samlede proces fra hvedestrå til xylitol hverken mere eller mindre CO2 end den nuværende kemiske proces til at lave xylitol. Det kommer dog også an på, hvilken energiressource der benyttes til at forsyne processen med damp, køling og elektricitet. Det kommer også an på, hvordan man bortskaffer spildevandet fra processen, og hvordan man transporterer de store mængder hvedestrå hen til anlægget.

”Vi estimerer, at der er 50 pct. sandsynlighed for, at man kan lave en rentabel forretning ud af at benytte fermentering til at lave xylitol. Når det gælder påvirkningen på blandt andet den globale opvarmning, har selve fermenteringsprocessen en meget lav påvirkning, hvilket er rigtig godt. Men hvis man begynder at indregne eksempelvis, at der til vindmøller skal benyttes kobber, som udvindes ved minedrift med brug af giftige kemikalier, bliver billedet lidt mere mudret, og fermenteringen kan så potentielt set påvirke visse dele af miljøet mere end de rent kemiske processer,” forklarer Nikolaus Vollmer.

Model development for the optimization of operational conditions of the pretreatment of wheat straw” er udgivet i Chemical Engineering Journal. Novo Nordisk Fonden gav i 2018 Bjarke Bak Christensen støtte til projektet ”A Research Based World-Class Joint Education Programme in Fermentation Based Biomanufacturing” og i 2020 til Solange Mussatto til projektet ”Establishing a Biomass Research Platform at DTU Bioengineering”.

My research spans around the intersection of industrial biotechnology and process systems engineering, integrating also concepts and ideas from relate...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020