Kan vi udnytte bioaffald smartere?

Hvert eneste år producerer vi mere end 100 millioner ton bioaffald i EU, og i USA når de op på det dobbelte. Omkring 40 pct. af dette bioaffald ender på lossepladser, hvor det omdannes til bl.a. metan. Lossepladser er på den måde den næststørste menneskeskabte kilde til metan, der er en langt mere potent drivhusgas end CO₂, som vi normalt betragter som den store klimasynder.

I Danmark brænder vi vores bioaffald af for at producere varme og elektricitet. Men det betyder samtidig, at vi gennem afbrændingen danner CO₂, og så er vi tilbage ved klimaproblematikken. Det samme er tilfældet, når man omdanner halm og andet bioaffald til ethanol, som tilsættes benzin. 

Vi må kunne gøre det bedre, tænkte lektor ved DTU Martin Nielsen og fik ansat Sakhitha Koranchalil i et ph.d.-projekt, som skulle undersøge, hvordan man kunne få mere ud af bioaffald.

Fik øje på GVL

”Jeg har svært ved at forstå, hvorfor man skal brænde noget af, som naturen giver os gratis – og som ovenikøbet indeholder en kemisk kompleksitet. Hvorfor ikke bibeholde kompleksiteten?” spørger Martin Nielsen.

En kompleks organisk forbindelse er typisk kulstofkæder med flere atomer end de simple. Den kan potentielt indgå i mange flere sammenhænge end en simpel forbindelse, og dermed er der flere anvendelsesmuligheder. Og det stof, som Martin Nielsen i projektet fik øje på, var gamma-valerolactone, som i daglig tale går under forkortelsen GVL. 

GVL er et naturligt produkt, der opstår, når biomasse nedbrydes. Det kan anvendes til en lang række formål – f.eks. som opløsningsmiddel og til produktionen af lægemidler. Det kan desuden indgå i plastproduktion og fremstilling af akrylfibre. Det kan også tilsættes brændstoffer på samme måde som ethanol. En intern markedsanalyse, foretaget af DTU, peger derfor også på GVL som et af fremtidens værdifulde grønne stoffer.

Men selvom GVL er blevet blåstemplet som en mulig deltager i den grønne omstilling, eksisterer der endnu ingen egentlig GVL-industri. Og det er der en særlig grund til. 

Den måde, industrien i øjeblikket er i stand til at fremstille GVL på, er nemlig temmelig ineffektiv. Hvis man vil fremstille GVL ud fra biomasse som f.eks. træ, græs eller halm, så vil det kun være muligt at omdanne biomassens indhold af cellulose. Cellulose udgør sammen med hemicellulose og lignin hovedbestanddelen af alt grønt plantemateriale. I den samme proces er det derimod ikke muligt at omdanne indholdet af hemicellulose, som udgør 15-35 pct. af biomassen. Desuden stopper processen med at omdanne cellulosen ved en organisk forbindelse, der hedder levulinsyre, som så skal gennem en ny proces for at blive omdannet til GVL. 

”Det bliver voldsomt dyrt, og meget dyrere end det, vi skal ned på for at gøre det kommercielt gangbart,” fortæller Martin Nielsen.

Innovativ metode

Den metode, som hidtil har været anvendt til fremstilling af levulinsyre og GVL, benytter en katalysator, der består af et fast stof, som blandes i det materiale, man vil udvinde levulinsyre og GVL af. Det sætter nogle begrænsninger, og dem vil Martin Nielsen snyde sig uden om ved at anvende en innovativ tilgang, som DTU har valgt at patentere.

”Vores metode adskiller sig især på to måder. Den ene er, at vi bruger det, man kalder en molekylær katalysator. Den anden er, at vi anvender fosforsyre,” fortæller Martin Nielsen.

Det specielle ved en molekylær katalysator er, at den bliver opløst i den væske, som skal omdannes. Det medfører, at det er langt nemmere at styre processen. Katalysatorens opgave i denne specifikke sammenhæng er at sørge for, at der bliver tilføjet hydrogen (H₂) i de sidste trin af processen. Fosforsyren skal til gengæld sørge for, at der bliver tilføjet protoner (H⁺) til en lang række trin under processen.

Katalysatoren, som DTU-forskerne valgte at benytte til forsøgene, går under det ikke særlig mundrette trivialnavn Ru-MACHO-BH med den kemiske formel C29H34BNOP2Ru.

”Det fundamentale spørgsmål var, om vores molekylære katalysator kunne hydrogenere – altså aflevere brint til et organisk molekyle – under sure betingelser, for det er aldrig tidligere blevet påvist,” forklarer Martin Nielsen.

Hvis det kunne lade sig gøre, så var det – teoretisk set – muligt at gå hele vejen fra bioaffald til GVL i en og samme proces.

En gryderet

Processen, som Sakhitha Koranchalil tog fat på i sit ph.d.-projekt, er en såkaldt batchproces. Martin Nielsen sammenligner det med en gryderet, hvor alt bliver blandet sammen fra starten, og hvor kokken så ender med en færdig ret uden at tilsætte noget undervejs. Her er det biomasse, fosforsyre, hydrogen, vand og katalysator, som er gryderettens ingredienser. Processen forløber så under et hydrogentryk på 30 bar og ved en temperatur på 140 °C.