Enzyme technology for next generation biofuels

Prosjektets overordnede mål er å utvikle kompetanse på enzymatisk nedbryting av lignocellulose-rik biomasse med spesiell fokus på utvikling av enzymblandinger og prosesser for biomasse av den typen som produseres ved Borregaard ut fra norsk gran. Dvs at vi jobber med forbehandlede råstoffer hvor en del ikke-cellulose komponenter (lignin, hemicellulose) er fjernet. Dette betyr at man sannsynligvis kan bruke enzymblandinger som kun inneholder noen få komponenter, heller enn blandinger med veldig mange komponenter slik som de (må) finnes i kommersielle blandinger. Hvis det blir mulig å bruke skreddersydde få-komponent blandinger blir det også lettere og f eks lage slike blandinger mer termostabile, som igjen har prosessstekniske fordeler. Det er viktig i dette prosjektet at vi tester enzymer med "ekte" substrater, dvs industrielt relevante substrater. Prosjektet har et spesiell fokus på såkalte "lytiske polysakkaride monooksygenaser" (LPMO; også kalt "GH61" eller "CBM33") som ble oppdaget ved NMBU i 2010 og som har vist seg til å være av stor betydning for effektviteten av dagens kommersielle enzymblandinger for cellulose nedbryting. I prosjektet har vi studert disse enzymene og vi har undersøkt i hvilken grad disse enzymene vil være viktige i framtidige få-komponent blandinger. Det er forholdsvis vanskelig å produsere disse (og andre relevante) enzymer, og mye tid har gått til dette. Heldigvis har vi gjennom samarbeid med en gruppe i Østerrike, som har komplementære interesser, fått tilgang til flere relevante enzymer, deriblant hele 5 forskjellige GH61-type LPMOs. Vi har jobbet med kloning, produksjon og rensing av disse spennende enzymer, både i Østerrike og hos oss. Enzymene har så blitt testet for aktivitet, først i laboratoriet, med modellsubstrater, og så under realistiske (dvs industrielt relevante) forhold. Vi har fått en rekke banebrytende resultater. Vi har oppdaget helt nye LPMOer med nye egenskaper og muligens nye anvendelsesområder, vi har funnet ut at ikke alle LPMOer egner seg til alle «nedbrytingsformål» og vi har identifisert LPMOer som kan være av spesiell interesse for Borregaards prosesser. Vi har også utviklet kunnskap om hvordan prosessbetingelser påvirker LPMOenes aktivitet og dermed effektiviteten av hele den enzymatiske prosessen. Prosjektet har til dels blitt samkjørt med Prosjektet Nytt Norsk Bioraffineri (NFR 219633) som ble ledet av Borregaard. Publiseringen fra prosjektet er bra og det har vært snakk om stor kunnskapsoverføring til bedriftpartneren.

Effective biochemical conversion of lignocellulosic biomass to biofuels depends on a combination of optimal thermochemical pretreatments followed by efficient enzymatic depolymerisation of biomass polysaccharides. Despite recent progress, the enzymatic co nversion of many lignocellulosic biomasses is still insufficiently efficient and there is an urgent need to find better processes, enzymes and enzyme blends. In this project, we will develop innovative new processes for saccharification of biomass by comb ining leading research on biomass enzymology with proprietary pretreatment technologies developed by Borregaard. Borregaard?s processing strategies, aimed at fully exploiting all fractions of the biomass, lead to production of cellulose-enriched lignin-fr ee pulps that are an excellent test case for developing novel enzyme blends that are simpler than current commercial blends. We will optimize the enzymatic conversion of Borregaard?s substrates and of a steam-exploded biomass for reference, using commerci al enzyme preparations as well as blends of monocomponent enzymes. We will have special focus on enzymes classified as CBM33 and GH61, whose function and huge potential have recently been discoverd by the applicant. We will identify speed- and/or yield-li miting factors (enzymes) in the commercial and home made blends and use this to optimize blends and identify targets for further research (optimizing specific enzyme activities, stability engineering). Eventually, this approach will lead to identification of "minimal enzyme blends" (i.e. containing only few enzyme activities) for cellulose-rich substrates, such as the Borregaard substrates. In addition, novel fundamental insights into enzymatic cellulose conversion will be obtained. Interestingly, improvi ng the thermostability of such "minimal blends" is easier than improving the thermostability of multi-component blends and this may open up possibilities to run processes at higher temperatures.