ForestValue – FunEnzFibres (From fundamentals to valorization: Enzymatic oxidation of cellulosic fibres and underlying mechanisms)

Cellulose fra trevirke kan brukes til å erstatte mange produkter som i dag lages av fossile råstoffer. Nedbryting av cellulose til sukker, som så kan brukes til å for eksempel framstille annen generasjons biodrivstoff, er godt kjent. Andre anvendelser av cellulose går ut på å benytte seg i større grad av den fantastiske fiberen som cellulose er, og er rettet mot å framstille nye, miljøvennlige materialer. I dette prosjektet har vi utviklet enzym-baserte prosesser for å framstille cellulose-baserte materialer. Målet var å utvikle bedre varianter av de prosessene og produktene som allerede finnes, men også å vise veien til mulige nye produkter. Enzymteknologi egner seg godt til dette fordi dette er grønn teknologi som ikke involverer toksiske reagenser eller ekstreme reaksjonsbetingelser. Prosjektet har vært basert på bruk av såkalte «Lytic Polysaccharide Monoxogygenases» (LPMOs). LPMOs ble oppdaget ved NMBU i 2010 og brukes i dag verden over til nedbryting av cellulose. Det er imidlertid klart at man kan gjøre mye mer med LPMOer, f eks å kun bryte ned spesifikke deler i cellulosefibre for å gjøre fiberne mer homogene. Videre kan LPMOer brukes til delvis og godt kontrollerbar oksidasjon av cellulosefibre. Bruk av LPMOer til fiberbehandling kan forbedre fiberfunksjonaliteten og kan også muliggjøre utvikling av nye cellulosebaserte materialer. For å utvikle ny prosesser for framstilling av nye typer celluloser trenger man avanserte og kompliserte analytiske metoder. Den norske partneren, NMBU, har bidratt til utviklingen av flere nye metoder av partner BOKU (Østerrike) for å analysere hvordan cellulose fibre påvirkes av ulike enzymbehandlinger. Disse metodene lar oss bestemme omfanget av fibermodifikasjon, som ved bruk av LPMOer betyr det samme som omfanget av fiberoksidasjon. Disse metodene tillater samtidig bestemmelse av gjennomsnittlig fiberlengde og fiberlengdefordeling (polydispersitet). Som et høydepunkt inkluderer disse nye metodene et analytisk verktøy for å bestemme den "tredimensjonale" fordelingen av oksidasjoner gjennom cellulosefiberen. Med andre ord kan vi nå se om oksidasjon først og fremst skjer på fiberoverflaten eller også dypere i fiberkjernen. Fiberegenskapene diskutert ovenfor er alle viktige for fiberfunksjonalitet. Slik (industrielt relevant) funksjonalitet er studert gjennom studier av fibernes dispersjon, vurdering av vannbindingskapasitet, og gjennom mikroskopi, utført av partner VTT (Finland). Utviklingen av disse analysemetodene gjorde det mulig å utføre detaljerte studier av hvordan ulike typer LPMOer påvirker ulike typer cellulosefibre. Dermed klarte vi å avdekke sammenhengen mellom valget av LPMO og fibernes egenskaper etter LPMO behandling. Ved siden av å gi informasjon til sluttbrukere angående hva som er optimale LPMOer for deres formål (= genere modifiserte fibre med spesifiserte egenskaper), avslørte dette arbeidet også en bemerkelsesverdig funksjonell variasjon blant celluloseaktive LPMOer som finnes i naturen. Det finnes mange forskjelige celluloseaktive LPMOer i naturen, og det ser ut til at dette har sammenheng med det faktum at cellulose forekommer i flere former som hver krever sine spesialiserte LPMO. Noen LPMOer har ekstra domener som bidrar til bining av substratet (= cellulose). Det viste seg at tilstedeværelsen av slike domener har betydelig innvirkning på hvordan LPMO modifiserer cellulosefiberen. Ved siden av å studere virkningen av en lang rekke LPMO-er, har vi også studert hvordan produksjonen av oksiderte fibre kan optimaliseres ved å manipulere prosessforhold, med fokus på parametere som tilførsel av reduksjonsmidler og/eller hydrogenperoksid som begge er nødvendige for å drive LPMO reaksjonen. Flere reaksjoner har blitt oppskalert for å lage tilstrekkelige mengder oksiderte fibre for funksjonelle studier utført av VTT. Resultatene av dette prosjektet er, eller vil bli, rapportert i omtrent 10 fagfellevurderte vitenskapelige publikasjoner og en doktorgradsavhandling. FunEnzFibres-prosjektet har gitt NMBU (og Norge) en unik mulighet til å knytte seg til verdensledende forskningsmiljøer innen cellulosefiberteknikk og analyse. Disse gruppene har lært av NMBUs enzymkompetanse, mens NMBU har tilegnet seg ny kunnskap og metoder som har forbedret NMBUs enzymforskning og spesielt NMBUs evne til å gi industrielt relevante bidrag til bioraffinering av skogbiomasse i Norge. Prosjektet har ført til nye vitenskapelige forbindelser innen Europa som vil komme fremtidige forskningsprosjektsøknader, fremtidige prosjekter, fremtidig kompetanseutvikling og fremtidig industrialisering av bioteknologiske prosesser til gode.

The FunEnzFibres project has given NMBU (and Norway) a unique opportunity to connect to world-leading research groups in cellulose fiber engineering and analysis. These groups have learned from NMBU’s unique enzyme competence, whereas NMBU has been able to acquire new knowledge and methods, that have improved NMBU’s enzyme research and, in particular, NMBU’s ability to make industrially relevant contributions to the biorefining of forest biomass in Norway. During the project, concrete application testing of novel technologies for cellulose fiber engineering has been conducted with Norwegian industry. Next to yielding a clear increase in industrially relevant cellulose competence and multiple high-level scientific publications, the project has yielded: - New scientific connections in Europe that will benefit future research project applications, future projects, future competence development, and future industrialization of biotechnological processes. - New methods for analysis of cellulose fibers, in particular of enzymatically refined fibers, in particular fibers enzymatically refined with LPMOs. These methods include methods for specific labeling of oxidized cellulose fibers and methods for measuring the distribution of enzymatically modified sites in the cellulose fibers. - New bioprocesses for converting forest biomass to nanocelluloses and regenerated cellulose products, with controlled water-binding and charge properties, and unprecedented insight in underlying properties such as fiber length and depth, and the distribution of oxidized sites. Of note, primarily thanks to partner VTT, the work has been done, in part, at mini-pilot scale, bringing the project’s output closer to industrial reality. The developed methods and processes will be published late 2023, early 2024, and we expect them to be adopted in both academia and industry.

Wood cellulose is a future material for replacement of many fossil-based products. Modification of the wood pulp is needed for preparation of value-added products. Enzymes are specific, non-toxic biodegradable tools for the modification of the pulps in mild reaction conditions. Recently discovered lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) oxidize cellulose in the crystalline parts, having thus capability to modify the most recalcitrant celluloses. This project will explore the potential of LPMOs in oxidative modification of cellulosic fibres. The research aims at developing sustainable refining and dissolving processes. The consortium brings together top-class expertise in enzymatic modification of pulp and fibres, LPMO enzymology, cellulose analytics and applications. Six industrial partner are committed to follow and advise the project.