Ekologia

Wykorzystanie mikrobów do produkcji nowego paliwa rakietowego

Przekształcanie ropy naftowej w paliwa wymaga zastosowania surowej chemii wynalezionej przez ludzi w XIX wieku. Tymczasem bakterie od miliardów lat produkują cząsteczki energii oparte na węglu.

Dobrze zdając sobie sprawę z korzyści, jakie ma do zaoferowania biologia, grupa ekspertów ds. biopaliw kierowana przez Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) zainspirowała się nadzwyczajną cząsteczką przeciwgrzybiczą wytwarzaną przez bakterie Streptomyces, aby opracować całkowicie nowy rodzaj paliwa, który przewiduje większą gęstość energii. niż najbardziej zaawansowane obecnie używane paliwa ciężkie, w tym paliwa rakietowe używane przez NASA.

„Ta ścieżka biosyntezy zapewnia czystą drogę do paliw o dużej gęstości energetycznej, które przed tymi pracami można było wytwarzać tylko z ropy naftowej przy użyciu wysoce toksycznego procesu syntezy” – powiedział kierownik projektu Jay Keasling, pionier biologii syntetycznej i dyrektor generalny Departamentu Wspólnego Instytutu Bioenergii Energii (JBEI). „Ponieważ paliwa te byłyby produkowane z bakterii karmionych materią roślinną – która jest wytwarzana z dwutlenku węgla wyciąganego z atmosfery – spalanie ich w silnikach znacznie zmniejszy ilość dodawanego gazu cieplarnianego w porównaniu z jakimkolwiek paliwem wytwarzanym z ropy naftowej”.

Niesamowity potencjał energetyczny tych potencjalnych cząsteczek paliwa, zwanych POP-FAME (od policyklopropanowanych estrów metylowych kwasów tłuszczowych), wynika z fundamentalnej chemii ich struktur. Policyklopropanowane cząsteczki zawierają wiele trójwęglowych pierścieni w kształcie trójkąta, które wymuszają każde wiązanie węgiel-węgiel pod ostrym kątem 60 stopni.

Energia potencjalna w tym naprężonym wiązaniu przekłada się na więcej energii do spalania, niż można osiągnąć przy użyciu większych struktur pierścieniowych lub łańcuchów węgiel-węgiel, które zwykle występują w paliwach. Ponadto struktury te umożliwiają ciasne upakowanie cząsteczek paliwa w niewielkiej objętości, zwiększając masę – a tym samym całkowitą energię – paliwa, które mieści się w każdym zbiorniku.

„Dzięki paliwom petrochemicznym otrzymujesz coś w rodzaju zupy z różnych cząsteczek i nie masz zbyt dużej kontroli nad tymi strukturami chemicznymi. Ale tego używaliśmy przez długi czas i zaprojektowaliśmy wszystkie nasze silniki do pracy na pochodnych ropy naftowej” – powiedział Eric Sundstrom, autor artykułu opisującego kandydatów na paliwo POP opublikowanego w czasopiśmie Joule i naukowiec z Berkeley Lab’s Advanced Jednostka Rozwoju Procesów Biopaliw i Bioproduktów (ABPDU).

„Większe konsorcjum stojące za tymi pracami, Co-Optima, zostało sfinansowane, aby myśleć nie tylko o odtworzeniu tych samych paliw z surowców pochodzenia biologicznego, ale także o tym, jak możemy wytwarzać nowe paliwa o lepszych właściwościach” – powiedział Sundstrom. „Pytanie, które do tego doprowadziło, brzmi:„ Jakiego rodzaju interesujące struktury może wytworzyć biologia, których nie może stworzyć petrochemia?”

Keasling, który jest również profesorem na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, przez długi czas miał oko na cząsteczki cyklopropanu. Przeszukał literaturę naukową w poszukiwaniu związków organicznych z pierścieniami trójwęglowymi i znalazł tylko dwa znane przykłady, oba wytworzone przez bakterie Streptomyces, które są prawie niemożliwe do wzrostu w środowisku laboratoryjnym. Na szczęście jedna z molekuł została zbadana i przeanalizowana genetycznie ze względu na zainteresowanie jej właściwościami przeciwgrzybiczymi. Odkryty w 1990 roku naturalny produkt nosi nazwę jawsamycyna, ponieważ jego bezprecedensowe pięć pierścieni cyklopropanowych sprawia, że wygląda jak szczęka wypełniona spiczastymi zębami.

Kultura bakterii Streptomyces, która wytwarza szczęksamycynę.

Źródło: Pablo Cruz-Morales

Zespół Keaslinga, składający się z naukowców z JBEI i ABPDU, zbadał geny oryginalnego szczepu (S. roseoverticillatus), które kodują enzymy budujące szczęksamycynę i zagłębił się w genomy pokrewnych Streptomyces, szukając kombinacji enzymów, które mogłyby cząsteczka z zębatymi pierścieniami szczęksamycyny, pomijając inne części struktury. Podobnie jak piekarz przepisujący przepisy, aby wymyślić idealny deser, zespół miał nadzieję na zremiksowanie istniejącej maszynerii bakteryjnej, aby stworzyć nową cząsteczkę o właściwościach gotowego do spalania paliwa.

Pierwszy autor, Pablo Cruz-Morales, był w stanie zebrać wszystkie niezbędne składniki do produkcji POP-FAME po odkryciu nowych enzymów wytwarzających cyklopropan w szczepie o nazwie S. albireticuli. „Przeszukaliśmy tysiące genomów w poszukiwaniu ścieżek, które naturalnie tworzą to, czego potrzebowaliśmy. W ten sposób uniknęliśmy inżynierii, która może działać lub nie, i wykorzystaliśmy najlepsze rozwiązanie natury” – powiedział Cruz-Morales, starszy badacz w Centrum Fundacji Novo Nordisk ds. Zrównoważonego Rozwoju, Politechnice Duńskiej i współkierownik badań nad drożdżami naturalnymi. laboratorium produktów z Keasling.

Niestety bakterie nie współpracowały tak dobrze, jeśli chodzi o produktywność. Streptomyces, wszechobecne w glebach na każdym kontynencie, słyną ze zdolności do wytwarzania niezwykłych związków chemicznych.

„Wiele stosowanych obecnie leków, takich jak immunosupresanty, antybiotyki i leki przeciwnowotworowe, jest wytwarzanych przez zmodyfikowane Streptomyces” – powiedział Cruz-Morales. „Ale są bardzo kapryśne i nie jest miło pracować z nimi w laboratorium. Są utalentowani, ale są diwami. Kiedy dwóm różnym poddanym inżynierii Streptomyces nie udało się wytworzyć POP-FAME w wystarczających ilościach, on i jego koledzy musieli skopiować swój nowo ułożony klaster genów do bardziej „oswojonego” krewnego.

Powstałe kwasy tłuszczowe zawierają do siedmiu pierścieni cyklopropanowych połączonych łańcuchami na szkielecie węglowym, dzięki czemu nazywają się paliwamicynami. W procesie podobnym do produkcji biodiesla cząsteczki te wymagają tylko jednego dodatkowego etapu przetwarzania chemicznego, zanim będą mogły służyć jako paliwo.

Chociaż nadal nie wyprodukowali wystarczającej ilości cząsteczek paliwa do testów w terenie – „potrzebujesz 10 kilogramów paliwa, aby przeprowadzić test w prawdziwym silniku rakietowym, a jeszcze nas tam nie ma” – wyjaśnił Cruz-Morales ze śmiechem – byli w stanie ocenić przewidywania Keaslinga dotyczące gęstości energii.

Naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory przeanalizowali POP-FAME za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego, aby udowodnić obecność nieuchwytnych pierścieni cyklopropanowych. Współpracownicy z Sandia National Laboratories wykorzystali symulacje komputerowe, aby oszacować zachowanie związków w porównaniu z paliwami konwencjonalnymi.

Dane symulacyjne sugerują, że kandydaci na paliwo POP są bezpieczne i stabilne w temperaturze pokojowej, a po obróbce chemicznej będą miały gęstość energii powyżej 50 megadżuli na litr. Zwykła benzyna ma wartość 32 megadżuli na litr, JetA, najpopularniejsze paliwo do silników odrzutowych, a RP-1, popularne paliwo rakietowe na bazie nafty, ma około 35.

W trakcie badań zespół odkrył, że ich POP-FAME są bardzo zbliżone strukturą do eksperymentalnego paliwa rakietowego na bazie ropy naftowej o nazwie Syntin, opracowanego w latach 60. przez agencję kosmiczną Związku Radzieckiego i wykorzystanego do kilku udanych startów rakiety Sojuz w Lata 70. i 80. Pomimo swojej potężnej wydajności, produkcja Syntinu została wstrzymana z powodu wysokich kosztów i nieprzyjemnego procesu: serii reakcji syntezy z toksycznymi produktami ubocznymi i niestabilnym, wybuchowym produktem pośrednim.

„Chociaż POP-FAME mają podobną strukturę do Syntinu, wiele z nich ma wyższą gęstość energii. Wyższe gęstości energii pozwalają na zmniejszenie objętości paliwa, co w rakiecie może pozwolić na zwiększenie ładowności i zmniejszenie ogólnej emisji” – powiedział autor Alexander Landera, naukowiec z Sandia. Jednym z kolejnych celów zespołu jest stworzenie procesu usuwania dwóch atomów tlenu z każdej cząsteczki, co zwiększa wagę martwą. „Po zmieszaniu z paliwem do silników odrzutowych, odpowiednio odtlenione wersje POP-FAME mogą zapewnić podobną korzyść” – dodał Landera.

Od czasu opublikowania dokumentu potwierdzającego koncepcję naukowcy rozpoczęli prace nad zwiększeniem wydajności produkcji bakterii, aby wytworzyć wystarczającą ilość do testowania spalania. Badają również, w jaki sposób można zmodyfikować wieloenzymowy szlak produkcji, aby stworzyć cząsteczki policyklopropanacji o różnych długościach.

„Pracujemy nad dostosowaniem długości łańcucha do konkretnych zastosowań” — powiedział Sundstrom. „Paliwa o dłuższym łańcuchu byłyby ciałami stałymi, dobrze nadającymi się do niektórych zastosowań paliwa rakietowego, krótsze łańcuchy mogą być lepsze dla paliwa do silników odrzutowych, a w środku może znajdować się alternatywa dla oleju napędowego”.

Autorka Corinne Scown, Dyrektor ds. Analiz Technoekonomicznych JBEI, dodała: „Gęstość energii jest wszystkim, jeśli chodzi o lotnictwo i rakiety, i tutaj biologia może naprawdę zabłysnąć.

Zespół może stworzyć cząsteczki paliwa dostosowane do potrzebnych nam zastosowań w tych szybko rozwijających się sektorach”.

Ostatecznie naukowcy mają nadzieję przekształcić ten proces w szczep bakterii wół pociągowy, który mógłby wytwarzać duże ilości cząsteczek POP ze źródeł roślinnych odpadów żywnościowych (takich jak niejadalne odpady rolne i oczyszczane z zarośli w celu zapobiegania pożarom), potencjalnie tworząc ostateczne paliwo neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla.

Pozostaje zatem pytanie – kto ma ochotę na ekologiczną podróż kosmiczną?


Opracowanie: irme.pl

Źródło: Lawrence Berkeley National Laboratory