Flygbränsle direkt från koldioxid, vatten och solljus

I jakten på att hitta fossilfria bränslen till flygplan, visar en ny studie att isopren skulle kunna vara en del av en framtida lösning. Isopren kan framställas av blågröna alger, cyanobakterier, utifrån solljus, vatten och vanlig koldioxid, och cyanobakteriernas produktivitet blir högre om man utsätter dem för violett ljus eller högre temperatur.

Det är resultatet i två olika studier från institutionen för kemi – Ångström, vid Uppsala universitet, som nu publiceras i Photochemical & Photobiological Sciences respektive Bioresource Technology.

– Vår studie visar att isopren faktiskt är ett idealt kolväte, och att den fotokemiska reaktionen kan optimeras för de förhållanden som också passar för fotobiologisk isoprenproduktion, säger Henrik Ottosson, universitetslektor i fysikalisk organisk kemi och huvudförfattare till den ena studien.

Hållbart flygbränsle, SAF, är en viktig del i utvecklingen av fossilfria flygbränslen, och i förlängningen minska flygets koldioxidutsläpp. Även om elflyg kan vara en annan lösning, speciellt för korta flygresor, så räcker dagens batterikapacitet inte för längre flygningar. Ett nytt sätt att skapa hållbart flygbränsle kan gå via solljusdriven framställning av kolväten genom fotosyntetiska mikroorganismer.

Två forskargrupper vid Uppsala universitet, som leds av Henrik Ottosson respektive Pia Lindberg har undersökt en kombinerad fotobiologisk-fotokemisk metod för produktion av syntetiskt hållbart flygbränsle. I sin forskning har de använt genmodifierade fotosyntetiska mikroorganismer, cyanobakterier, som genom genteknik har fått ett nytt enzym från eukalyptusträdet. Med enzymet kan cyanobakterierna med hjälp av solljus och vanlig koldioxid som finns i luften, tillverka kolvätet isopren.

I en tidigare studie, publicerad i november 2022, rapporterade samma forskare att isoprenet från cyanobakterierna kan dimeriseras fotokemiskt till större kolväten som efter hydrogenering är mycket lika de flygbränslen som används i dag. Metoden har potential att bli väldigt användbar, eftersom den använder solljus som energikälla för båda stegen. En fråga är dock om just isopren är det bästa startmaterialet för den fotokemiska reaktionen.

För att ta reda på om det är isopren eller om det finns andra kolväten som är bäst lämpade att producera ett hållbart flygbränsle har Henrik Ottossons forskargrupp undersökt en serie olika små kolväten, varav flera kan produceras bioteknologiskt. Resultaten av studien visar hur ett kolvätes molekylstruktur påverkar hur effektivt det genomgår den fotokemiska reaktionen.

Även om isopren alltså kan produceras av cyanobakterier, är mängden som bildas fortfarande mycket låg. Därför har Pia Lindbergs forskargrupp, i ett samarbete med bland andra Global Change Research Institute i Brno, Tjeckien, genomfört en studie för att undersöka vilka odlingsförhållanden som kan påverka produktiviteten.

– Vi kan visa att violett ljus eller högre temperatur kan ge högre produktivitet från cyanobakterierna. Det går också att se att isopren ger cyanobakterierna bättre värmetålighet så att de överlever vid högre temperaturer än normalt, vilket kan vara bra för produktion i större skala med hjälp av solljus, säger Pia Lindberg, universitetslektor i mikrobiell kemi och huvudförfattare av den andra studien.

Resultaten från de fotobiologiska och fotokemiska delstegen förbättrar möjligheterna att ersätta fossila källor för flygbränsle. Teknologin kommer att behöva utvecklas så att det slutliga målet om en etablerad industriell process tills 2040 kan realiseras.

Referenser:

Vajravel, S., Gomes, L. C., Rana, A., & Ottosson, H. (2023). Towards combined photobiological-photochemical formation of kerosene-type biofuels: Which small 1, 3-diene photodimerizes most efficiently? Photochemical and Photobiological Sciences, DOI: 10.1007/s43630-023-00418-0, https://link.springer.com/article/10.1007/s43630-023-00418-0

Rodrigues, J.S., Kovács, L., Lukeš, M., Hoeper, R., Steuer, R., Červený, J., Lindberg, P. and Zavřel, T. (2023). Characterizing isoprene production in cyanobacteria – insights into the effects of light, temperature, and isoprene on Synechocystis sp. PCC 6803. Bioresource Technology 129068, DOI: 10.1016/j.biortech.2023.129068, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129068

Rana, A., Gomes, L. C., Rodrigues, J. S., Yacout, D. M., Arrou-Vignod, H., Sjölander, J., Vedin, N.P., El Bakouri, O., Stensjö, K., Lindblad, P., Andersson, L., Sundberg, C., Berglund, M., Lindberg, P., Ottosson, H. (2022). A combined photobiological–photochemical route to C10 cycloalkane jet fuels from carbon dioxide via isoprene. Green Chemistry, 24 (24), 9602-9619.

För mer information:

Pia Lindberg, universitetslektor vid institutionen för kemi – Ångström, Uppsala universitet, pia.lindberg@kemi.uu.se, Telefon: 018-471 6587

Henrik Ottosson, universitetslektor vid institutionen för kemi – Ångström, Uppsala universitet, henrik.ottosson@kemi.uu.se, telefon: 070-477 63 33

Sindhujaa Vajravel, postdoktor vid institutionen för kemi – Ångström, Uppsala universitet, sindhujaa.vajravel@kemi.uu.se