För att närma sig ett hållbart samhälle måste dagens petroleumbaserade bränsle- och kemikalieframställning ersättas med förnyelsebara kolhydratbaserade alternativ. Jäsningsprocesser med naturliga och genetiskt modifierade mikroorganismer kan erbjuda sådana alternativ för så gott som alla kemiska produkter som förekommer i människans vardag. I jämförelse med traditionella termiska och katalytiska processer begränsas tyvärr fortfarande jäsningsprocesserna av att de är relativt långsamma, att de sker i utspädda vattenläsningar och att de är känsliga för infektioner av icke önskade mikroorganismer. Detta leder till höga investeringskostnader p.g.a. stora reaktorvolymer, höga energikostnader p.g.a. stora vattenflöden och låga produkthalter samt osäker ekonomisk bärighet. Detta projekt syftar till att åtgärda dessa begränsningar för mikrobiologiska produktionsprocesser.

Vi har i tidigare försök kapslat in bagerijäst i cirka 3 millimeter stora pingisbollsliknande kulor gjorda av membran av de naturliga polymererna alginat och chitosan. Vi fick en jästkoncentration av mer än 300 gram per liter i denna förpackningsform. De inkapslade cellerna stod emot giftiga ämnen i trä- och apelsinskalshydrolysat, kontaminering av bakterier kunde undvikas, och hydrolysaten kunde jäsas till etanol på ett mycket effektivt sätt.

Vi kommer att utveckla och utvärdera olika hydrofila naturliga och syntetiska membran för inkapsling, samt utforma själva kapslarna. De viktigaste egenskaperna för membranen är att de ska släppa igenom vatten, gaser och lösta metaboliter, samtidigt som de ska vara ogenomsläppliga för mikroorganismer (jäst, svampar och bakterier). Dessutom får de inte påverka den odlade mikroorganismen negativt, de måste ha hög mekanisk hållfasthet för att kunna användas i bioreaktorer samt tåla de kemikalier som används under odling, t.ex. näringssalter, toxiska komponenter från råvarorna och organiska lösningsmedel som kan användas för extraktion av produkter. Det vore också en fördel om membranen kunde utformas så att de är selektivt genomsläppliga för nyttiga ämnen och produkter, medan giftiga komponenter, t.ex. fenolföreningar, furaner och terpener, inte kan passera membranet.

Vi kommer att undersöka olika mikroorganismers prestanda i de nyutvecklade kapslarna för att lära oss hur membranen ska kunna optimeras för olika ändamål. jästen Saccharomyces cerivisiae (bagerijäst) och svampen Mucor idnicus ska användas som representativa mikroorganismer. I ett senare skede kommer dessutom bakterier för biogas- och butanolframställning att undersökas. För att förstå hur mikroorganismerna påverkas av inkapslingen ska vi undersöka dem med hjälp av moderna storskaliga metoder för att mäta genexpressionen och intracellulära halter av proteiner och metaboliter. Genom att samla dessa data i matematiska modeller ska hela odlingsförloppet och orsakerna till de förbättrade prestanda kunna förklaras.

Se även "Etanolframställning av cellulosamaterial med inkapslad och flockulerad jäst".