Naturen har ett fungerande kretslopp för energi och material som har varit i funktion i miljarder år. Men, människan och dess nuvarande attityd att konsumera snabbt resurser och producera mera avfall, restprodukter och koldioxid har påverkat denna balans i naturen. Utveckling av bioprocesser för att framställa energi och material kan bidra till att kunna återgå till den naturliga balansen och därmed få ett hållbar samhälle. Men bioprocesser har i många fall svårt att konkurrera med motsvarande petroleumbaserade processer pga. för långsamma reaktioner, och känsliga mikroorganismer. Vi har därför försökt att utveckla en allmänt tillämplig metod för produktion av kemikalier som baserar sig på inkapslade mikrobiella celler med hög lokal cell-koncentration. Dessa mikroorganismer har visat sig ha en högre produktivitet och att vara mer robust mot mikrobiell förorening, giftiga kemikalier, hög osmotisk stress och höga koncentrationer av råvaror, jämfört med de traditionella bioreaktorerna med fria celler. 

Sedan 2000 har vi undersökt detta koncept med cellimmobilisering följt av inkapsling i naturliga membraner. Inkapslingen ledde till mycket intressanta resultat för en robust och snabb jäsning, där bagerijäst inkapslades i ca 3 mm stora pingisbollsliknande kulor gjorda av membran av de naturliga polymererna alginat och chitosan. Vi fick en jästkoncentration av mer än 300 g/l med dessa inkapslade celler. De inkapslade cellerna stod emot giftiga ämnen i hydrolysat från trä- och apelsinskal, och kontaminering med bakterier kunde undvikas, och hydrolysatet kunde därtill jäsas till etanol på ett mycket effektivt sätt. Dessa naturliga membran för dock mekaniskt svaga vilket har varit ett hinder för vidare utveckling för eventuella industriella tillämpningar i bioprocesser. Därför, i ett projekt finansierat av VR (2010-2012), började vi undersöka konceptet med inkapsling i syntetiskt membran. Arbetet riktades på utveckling av membranen och att identifiera viktiga egenskaper hos membranen som används i bioreaktorer och testa deras samverkan med mikroorganismer. Det ledde till goda resultat, men konceptet behöver ytterligare utveckling vilket är avsikten med detta projekt.

I detta projekt är det främsta målet att finna möjliga industriella lösningar för makroinkapsling. Två olika idéer kommer att utvecklas och undersöktas: (a) ett membranbaserat bioreaktorsystem med användning av makroinkapslade celler i form av tepåsar där cellerna ligger i flera tepåseliknande membraner som ligger i reaktorn, (b) en membran bioreaktor, i vilken cellerna är packade mellan permeabla membraner som ligger fast i reaktorn. Dessutom kommer två typer av anaeroba fermenteringar, d.v.s. bakteriell rötning till biogas och jästfermentering till etanol att undersökas och utvecklas. Konceptet kommer även att utvärderas i andra tillämpningar i samarbete med andra forskargrupper.