Skörd2.0 – Utvinning av nya biomaterial genom förädling av restprodukter från jordbruk

The main purpose of this interdisciplinary project is to generate renewable advanced materials from biomass through green technologies. Harvest2.0 focuses on valorizing furans extracted from agricultural by-products in combination with polymer technologies based on incorporation of the climate gas CO2. This green upcycling will yield valuable, advanced and “climate smart” materials. To reach these goals, the project integrates chemistry, biotechnology and material science within an international collaboration between academia (KTH/SciLifeLab), research institutes (RISE and VTT), raw material suppliers (Lantmännen) and Swedish basal industry represented by Perstorp. Harvest2.0 thus addresses the whole value chain in the emerging bioeconomy – from side-streams to renewable product. The project has a high potential to enhance the competitiveness of Swedish farmers by enabling green synthesis of novel sustainable polymers from biomass, which would reduce climate impact and emission of CO2.

Huvudsyftet med detta interdisciplinära projekt är att generera förnybara avancerade material från biomassa genom gröna teknologier. Skörd2.0 fokuserar på att utvinna och vidareförädla furaner från vall, kombinerat med polymerisationsteknologi baserat på inkorporering av klimatgasen CO2, vilket kommer att resultera i avancerade och ”klimatsmarta” gröna material med högt förädlingsvärde. För att uppnå dessa mål integrerar projektet kemi, bioteknik och materialvetenskap i en internationell gränsöverskridande samverkan mellan akademi (KTH/SciLifeLab), forskningsinstitut (RISE och VTT), råvaruproducenter (Lantmännen) och svensk basindustri representerat av Perstorp. Projektet adresserar således hela värdekedjan i den snabbt växande bioekonomin - från sidoströmmar från lantbruk till förnybar produkt. Skörd2.0 har en stor potential att öka det svenska lantbrukets konkurrenskraft genom grön syntes av förnybara polymerer från biomassa vilket skulle minska klimatpåverkan och utsläpp av CO2.

Detta projekt har etablerat 2-furonsyra från hemicellulosa som en mångsidig grön byggsten. Mot detta mål visade vi att autohydrolys är en kemikaliefri, effektiv och miljövänlig extraktionsmetod för xylaner. Konstruerade jäststammar innehållande ytterligare enzymer användes för att framställa xylonsyra, med utgångspunkt från fraktionerad xylan med ursprung från vetehalm. Projektet identifierade vidare ett biokatalytiskt system för effektiv valorisering av 2-furonsyra, genererad från xylonsyra, till 2,5-furandikarboxylsyra genom enzymatisk koldioxidinbindning under milda förhållanden. Detta gröna kemiska steg gav en nyckellänk mellan C5-furaner och funktionaliserade C6-monomerenheter lämpliga för polymersyntes. Projektet resulterade i tre nya biomaterial som härstammar från hemicellulosa, alla vilka hade koldioxid inbyggt i ryggraden. Sammantaget har detta projekt cementerat betydelsen av jordbruksbiprodukter vid framställning av 2-furonsyra som en grön plattformskemikalie.

Huvudsyftet med detta projekt var att generera förnybara avancerade material från biomassa genom gröna teknologier. Att adressera detta ämne är av avgörande betydelse för att nå de globala hållbarhetsmålen för en bättre värld 2030, eftersom den nuvarande materialekonomin, som är av grundläggande betydelse för vår vardag och vårt samhälle, endast består av 2% förnybara polymerer. Idag används ca 350 megaton fossila byggstenar varje år för att framställa syntetiska material som utgör en del av produkter av hög relevans för industri och samhälle. Att initiera ett cirkulärt systemskifte är av yttersta vikt då marknaden för polymer- och kemi- industrin förväntas dubbleras inom ett par decennier. Den snabbt växande fossilberoende kemiindustrin är idag associerad med stora årliga utsläpp motsvarande mer än 1 miljard ton CO2 ekvivalenter. För att ta itu med dessa stora utmaningar fokuserade Skörd2.0 på att utvinna och vidareförädla furaner från vetehalm och vall, kombinerat med polymerisationsteknologi baserat på inkorporering av klimatgasen CO2.

Vetehalm och vall är viktiga potentiella råvaror för kemi- och material- industrin då de innehåller hemicellulosa rika på xylaner (femkolssocker). Tidigare arbeten fokuserade på att generera C6 hydroxymetylfurfural som byggsten från cellulosa, samt dess vidare oxidation till den kommersialiserade monomeren furandikarboxylsyra (FDCA). Projektet har inom en internationell gränsöverskridande samverkan mellan akademi (KTH/SciLifeLab), forskningsinstitut (RISE och VTT) och råvaruproducenter (Lantmännen) etablerat C5 2-furonsyra som en förnybar plattformskemikalie för framställning av avancerade och ”klimatsmarta” gröna material. Projektet integrerade kemi, bioteknik och materialvetenskap för att adressera hela värdekedjan i den snabbt växande bioekonomin - från sidoströmmar från lantbruk till förnybar produkt. Vi kunde framgångsrikt påvisa ett bioraffinaderi i labbskala (gram) enligt projektets strategi: från jordbruksbiprodukt hela vägen till biopolymerer. Projektet resulterade i tre stycken nya biomaterial med intressanta egenskaper i form av smältpunkt och glasövergångstemperatur.

Projektet har varit relevant för följande globala hållbarhetsmål : ”genomförande och partnerskap” (mål 17), "bekämpa klimatförändringarna” (mål 13), "rent vatten och sanitet för alla" (mål 6), "hållbar industri, innovationer och infrastruktur" (mål 9), "hållbar konsumtion och produktion" (mål 12) och "ekosystem och biologisk mångfald" (mål 15). Resultaten från projektet belyste både utmaningar inom processteg såsom löslighetsproblematik samt möjligheter, exempelvis framställandet av nya biomaterial med både en och två CO2 molekyler inbundna per repeterande enhet. Projektet har en stor potential att öka svenska lantbruks konkurrenskraft genom grön syntes av förnybara polymerer från biomassa vilket skulle minska klimatpåverkan och utsläpp av CO2.