Hållbarhet
9.07.2020

Botanisk hållbarhet – tre arter som kan forma vår framtid

Richard Pallardy

 

 

Människan har använt sig av växter så länge mänskligheten har funnits. Under hela vår historia har de gröna organismerna försett oss med mat och skydd. När jordbruket blev vår främsta näringskälla övergav vi förfädernas liv som jägare och samlare, för att istället lägga grunden till dagens komplexa samhällen. På så sätt har vårt förhållande till växterna bokstavligt talat påverkat vår evolution.

Nu när världen plågas av klimatförändringar och luftföroreningar vänder vi oss än en gång till de urgamla organismerna för att få hjälp. I mer än ett årtionde har vi arbetat för att minska vårt beroende av fossila råmaterial genom att istället använda förnybara alternativ, där växtbiomassa är en viktig del. På senare år har fokus allt mer börjat ligga på biomassa från växter som inte konkurrerar med livsmedelsproduktionen. VI har börjat utforska andra källor, till exempel växtavfall och biprodukter från både jord- och skogsbruk samt arter som växer där vi inte odlar mat.

Alger är ett av de mest lovande alternativen till fossila råmaterial. På ett sätt har de pyttesmå och 1,2 miljarder år gamla organismerna redan länge varit en del av vår energiförsörjning, eftersom en stor del av den fossila oljan kommer från just uråldriga alger. Idag vet forskarna hur de ska styra processen och transformera algerna till en fungerande råmaterialkälla för bränslen, kemikalier och polymerer. Det som en gång tog årtusenden tar nu några dagar, eller till och med timmar.

 

 

Alger kallas ofta för framtidens mat. Snart kanske de också kan kallas för framtidens råvara.

 

Biobaserade råmaterial har många fördelar. Ett exempel på det är bränslen och produkter som tillverkas av biomassa som ger lägre utsläpp av växthusgaser jämfört med råoljebaserade produkter. Fördelen med växter och biobaserade produkter är att de  själva fångar in koldioxid medan de växer, vilket är anledningen till att Neste och andra pionjärföretag under mer än ett årtionde har investerat i forskning och utveckling inom området.

En amerikansk studie har visat att växtavfall och grödor som huvudsakligen odlas för bränsleproduktion skulle kunna ge sammanlagt 1,5 miljarder ton biomassa per år bara i USA. Det skulle räcka för att ersätta upp till 30 procent av den energi man i nuläget får från råolja.

Låt oss därför titta lite närmare på några av de mer lovande kandidaterna för produktion av biobränslen, biobaserade polymerer och kemikalier samt andra biomassebaserade produkter. Vi talar om de gröna organismerna, i ett spann från pyttesmå gröna prickar till imponerande höga träd.

 

Mikroalger – små minimirakel

 

Mikroalger är encelliga organismer som ibland bildar kolonier och kan ses som en form av primitiva växter. De utgör inte bara grunden för alla näringskedjor i våra vatten utan producerar också en stor del av det syre vi andas. Större alger har redan använts av människan som livsmedel i tusentals år. Redan aztekerna skördade alger, och vissa arter anses fortfarande som en delikatess i Indien.

Algerna kallas ofta för framtidens mat, men de kan också bli en stor framtida källa till råmaterial. För närvarande studeras en lång rad arter för att ta reda på vilken potential de har som råmaterial inom olika områden. Alla har de snabb reproduktionshastighet och höga halter av kolhydrater och fett. Eftersom man dessutom uppskattar att det finns mellan 30 000 och över en miljon olika algarter kan många fler visa sig ha användbara egenskaper.

 

Vilka alger intresserar sig forskarna för just nu?

 

Botryococcus braunii är en kolonibildande alg som lever i söt- och bräckt vatten. Fossiler av arten återfinns ofta i kol- och oljeskiffer (en mjuk, sedimentär bergart som bildas av lera och andra mineraler och är full av fossil energi). Med ny teknik kan samma kolväten som finns i förhistoriskt kol och olja nu istället utvinnas ur levande Botryococcus, utan att man behöver utsätta den för värme och högt tryck under tusentals år.

Botryococcus är en av de alger som kan ”mjölkas” på kolväten och andra kemikalier. Processen skadar inte cellerna, som kan fortsätta att producera sina ämnen. Eftersom de utvunna produkterna oftast består av kolväten kan de enkelt raffineras till bränslen som bensin och diesel. De kan också användas som råmaterial för tillverkning av bland annat olika polymerer och kemikalier.

 

Algbaserade biobränslen kommer sannolikt bli något att räkna med under de kommande åren.

 

Chlorella vulgaris är en encellig alg som säkert är bekant för många som ett populärt näringstillskott. Den har en hög klorofyllhalt som ger smoothies en nästan elektrisk och mycket fotogenisk grön färg. Chlorellas potential sträcker sig dock långt utanför köket.

Med sina höga halter av både olja och kolhydrater kan algen användas för att tillverka en rad olika biobaserade produkter. Oljan, som kan utgöra upp till 50 procent av algens vikt, kan raffineras till diesel eller flygbränsle men också användas som råmaterial till polymerer och kemikalier. dess kolhydrater kan i sin tur jäsas till exempelvis etanol.

Chlorella är dessutom anmärkningsvärt motståndskraftig. Faktum är att odling under näringsfattiga förhållanden kan ge en mer energirik alg än om den odlas under ”optimala” förhållanden. Det innebär att vi skulle kunna bygga upp Chlorella-odlingar som nyttjar näringen i olika billiga källor, som hushållens avloppsvatten.

 

Kommer algodlingar att bli ”mainstream”?

 

Eftersom alger kan odlas på mark som annars inte går att använda för jordbruk behöver de här miniorganismerna inte konkurrera med några livsmedelsgrödor. En del uppskattningar pekar på att man på omkring ett halvt hektar mark kan producera 5 000 gallons olja eller mer. Det motsvarar nästan 19 000 liter, vilket är betydligt mer än andra oljegrödor kan ge. Eftersom alger dessutom binder stora mängder koldioxid kan farmerna byggas nära fabriker för att kompensera för en del av utsläppen från fabrikernas fossila energi.

Genom att dels använda genetisk modifiering för att optimera algernas produktion av bränslekomponenter och dels utnyttja spjutspetsteknik i utvinningsprocessen, kommer algbaserade biobränslen sannolikt att kunna göras allt mer konkurrenskraftiga framöver. ”Kolhydrater som utvinns ur alger är ett mycket bra material för tillverkning av etanol och biogas, medan oljan istället lämpar sig utmärkt för diesel och flygbränsle”, bekräftar Aino-Maija Lakaniemi, senior forskare på Neste.

Bränslen är inte heller det enda användningsområdet man tittar på. Alger kan också användas för att producera biobaserade polymerer och kemikalier, eller varför inte grundmaterial till biologiskt nedbrytbara textilier där utvecklingen ser lovande ut. På Victoria and Albert Museum i London kan man för övrigt se en ”levande ljusstake” som använder sig av alger inneslutna i plastlöv för att ta upp koldioxid och rena luften.

 

Majs – en energimässig guldgruva

 

Majs härstammar från vildgräset teosinte, men domesticerades i Mexiko för ungefär 10 000 år sedan. En studie från 2001 visade att de majskolvar som hittades i en mexikansk grotta är 6 250 år gamla, och därmed världens äldsta. Fröna hos vild teosinte är dock små och inte särskilt smakliga.

Efter flera århundraden av selektiv förädling har vi istället fått fram de gigantiska kolvar som vi idag lägger på grillen eller använder i annan matlagning. Processen, som genomfördes långt innan människan egentligen visste något om genetik, visar den tidiga människans påhittighet. Redan John Lawson, en upptäcktsresande på 1600-talet, kallade majsen för ”världens mest användbara sädesslag”. Han verkar ha vetat vad han talade om – idag är majs det sädesslag som används i den allra största delen av världens alla sädesbaserade livsmedel.

 

Majs ger inte bara bränsle åt kroppen

 

Vid majsproduktion uppstår det stora mängder avfall, som vi tack och lov har hittat användningsområden för. ”Majs är en mycket intressant växt. Den har en riktigt effektiv biomassaproduktion, växer otroligt snabbt och tar upp koldioxid ur luften på ett mycket effektivt sätt”, berättar Perttu Koskinen, VP för Innovation, Discovery, and External Collaboration på Neste entusiastiskt.

 

Med modern teknik kan majsproduktionen göras nästan helt avfallsfri.

 

Nästa stora steg i utvecklingen blir att nyttja odlade grödor fullt ut, så att de delar av till exempel majsen som inte används till livsmedel istället blir till råmaterial. Med modern teknik kan majsproduktionen på så sätt göras nästan helt avfallsfri.

Ett exempel är sädesresterna, som kan användas som djurfoder. Majs är dessutom den största enskilda råvaran för etanolbränsle, som i vissa områden står för upp till 10 procent av drivmedelsbehovet. Vid etanolproduktionen uppstår en biprodukt som innehåller proteiner och olja – en värdefull resurs i sig. Oljan, teknisk majsolja eller så kallad TCO, är oätlig men kan separeras och bearbetas vidare till förnybar diesel, flygbränsle eller råmaterial för polymerer och kemikalier. Den proteinrika resten blir till djurfoder.

Förnybar diesel är ett lovande alternativ till traditionell, fossil diesel. ”Den förnybara dieseln kan användas direkt i dagens dieselfordon och befintliga distributionsinfrastruktur, samtidigt som den har en renare förbränning eftersom den är en så väldigt ren kolväteprodukt”, förklarar Koskinen. ”Den innehåller inte de aromatiska föreningar som finns i traditionell diesel. Därför används vår produkt också av många bussbolag i stadstrafik. Genom att byta från konventionell fossil diesel kan användarna minska sina transportrelaterade utsläpp av växthusgaser, samtidigt som den lokala luftkvaliteten blir bättre.”

 

Hur är det med majsbaserad plast?

 

Likt den algbaserade oljan kan teknisk majsolja också användas för att producera råmaterial till biobaserade polymerer och kemikalier. Majsbaserad plast har visat goda resultat som biologiskt nedbrytbart alternativ till konventionell råoljebaserad plast. Till och med majsens stjälk- och bladrester (på engelska kallat ”stover”) innehåller användbara ämnen, som i framtiden kommer att kunna konverteras till bränsle.

Kolhydraterna i stjälk- och bladresternas cellulosa och hemicellulosa kan jäsas för att utvinna ytterligare etanol. Till och med ligninet kan nyttjas som vid förbränning bildar energi som kan användas i olika produktionsprocesser. Ett annat alternativ är att med termokemisk teknik, till exempel förgasning, konvertera stjälk- och bladrester till produkter som diesel eller flygbränsle. I framtiden kommer en kombination av olika tekniker att göra det möjligt att använda hela majsplantan.

 

Tall – ett gammalt och användbart träd

 

Barrträd är en levande fossil – dagens granar och tallar fanns redan på dinosaurernas tid. Det äldsta barrträdsfossilet är 140 miljoner år gammalt och det finns till och med individer idag som har levt längre än den moderna människan har funnits. Jordens äldsta levande träd är en ”bristlecone pine” i Kalifornien som uppskattas vara nästan 5 000 år gammal. Barrträden försåg den tidiga människan med föda och material till olika verktyg. Vid en utgrävning som gjordes nyligen hittades rep som neandertalare tillverkat av barken från barrträd.

 

Skogsbruket producerar miljarder ton rester, som kan användas för att generera förnybara bränslen, kemikalier och material

 

Barrträden har också mytologisk och kulturell betydelse. Den mest kända är kanske kelternas och romarnas sätt att använda barrträdsgrenar som en symbol för beständighet och förnyelse under deras firande av vintersolståndet. Traditionen övertogs senare av de kristna, men det är våra hedniska förfäder vi har att tacka för den barrträdsdoft som fortfarande är en del av julen.

 

Användning av tallrester är kostnadseffektivt och en vinst för alla

 

Tallen är en av de trädarter som intensivodlas och skördas för att i första hand producera trä. Världens skogsbruk producerar sammanlagt flera miljarder ton skogsavfall per år. Avfallet består av toppar och grenar från avverkning, men också av industriella rester som bark och sågspån. Alltihop kan användas för att tillverka förnybara bränslen, kemikalier och olika material.

”Kostnaden för resterna vid källan är mycket låg. Den kompensation som betalas ut till skogsägaren står bara för några få procent av råvarans totala kostnad. Det mesta av totalkostnaden uppstår istället vid aktiviteter i olika delar av leveranskedjan, till exempel vid uppsamling och transport”, berättar Petteri Nuolivirta, Technology Manager på Neste med fokus på lignocellulosa.

De väldoftande kådämnen som utsöndras av tallar har utvecklats för att skydda träden mot insektsangrepp. Idag vet vi hur vi ska konvertera den klibbiga massan till kolväten eller olika biobaserade kemikalier och material. Nya, spännande framsteg har också gjort att forskarna idag kan använda tallens cellulosa och hemicellulosa för att genom jäsning bilda etanol.

Ett amerikanskt företag är ett av flera som har börjat sälja ett tallbaserat biobränsle som tillverkats genom förgasning. Det är en metod där vedrester värms upp tills de släpper ifrån sig en gas som därefter raffineras till diesel eller flygbränsle. Bränslet kommer att användas av Southwest Airlines och den amerikanska militären. John Muir, en av USA:s första och mest kända naturskyddsförespråkare, hävdade att det mellan varje par tallar finns en dörröppning till en ny värld. Med ny teknik har vi istället kunnat öppna dörren till den nya världen full av löften och potential, inuti själva träden.

 

Växternas roll i framtiden

 

I likhet med den första människa som en gång satte sig ner och började vässa en trädgren för att skapa ett verktyg håller vi nu på att finslipa vårt sätt att använda växter, inklusive deras avfall och biprodukter. Och vi gör det på ett allt mer sofistikerat sätt. De förnybara alternativ som växterna förser oss med skapar ett realistiskt hopp i vår kamp för att bryta beroendet av fossil olja. Genom att gå ner på cellnivå kan vi förvandla olika växtmaterial till en hel uppsättning användbara ämnen, som tillsammans gör planeten grönare och mer beboelig för alla former av liv.

Richard Pallardy är vetenskapsskribent och har arbetat som redaktör för Encyclopedia Britannica. Hans texter har också kunnat läsas i olika National Geographic Learning-publikationer, på Earth.com och i Areo Magazine.

Share article