С сырой нефтью, продающейся менее чем по 50 долларов за баррель, мало экономических стимулов для разработки биовозобновляемых химикатов в качестве замены нефтехимии.
Это реальность, в которой руководители Центра инженерных исследований биовозобновляемых химикатов (CBiRC) Национального научного фонда при Университете штата Айова предлагают новую модель создания, применения и коммерциализации химикатов, изготовленных из стеблей кукурузы, древесной щепы и другие источники биомассы.
Модель исследователей основана на девятилетней работе CBiRC по изучению, снижению рисков и разработке биовозобновляемых технологий. Модель призывает к выявлению «биологически привилегированных молекул», обладающих уникальными свойствами, которые могут привести к созданию новых продуктов.
Модель была представлена Брентом Шенксом и Питером Килингом из CBiRC в недавней статье о перспективах «Биопривилегированные молекулы: создание ценности из биомассы», опубликованной журналом Green Chemistry и представленной на его обложке. Шанкс является директором CBiRC, заслуженным профессором Энсона Марстона в области инженерии в штате Айова и кафедрой химической и биологической инженерии Майка и Джин Стеффенсон. Килинг является директором по промышленному сотрудничеству и инновациям в CBiRC.
«Биопривилегированные молекулы по своему происхождению из молекул биологического происхождения и множеству сопутствующей функциональности могут значительно расширить горизонт биопродуктов за пределы нефтехимии», - написали Шанкс и Килинг в своей статье.
Эти двое определяют биопривилегированные молекулы как химические промежуточные продукты, которые поступают из биологических источников и могут быть эффективно преобразованы в различные продукты, включая новые химические вещества и заменители существующих химических веществ.
Шенкс и Килинг также представили свои идеи о биопривилегированных молекулах на январском семинаре, организованном при поддержке Национального научного фонда, и на июньской конференции, спонсируемой Министерством энергетики США.
«Мы говорим о новых молекулах с новыми свойствами», - сказал Килинг. «Об этих молекулах не думали, потому что они не могли быть получены из нефтехимии. Но эта новинка может иметь большую ценность».
Шэнкс сказал, что CBiRC, созданная в 2008 году с целью объединения инструментов биологов и химиков для разработки гибридных технологий производства биовозобновляемых химических веществ, указала путь именно к такому подходу.
Новых молекул нет
Нефтеперерабатывающие заводы, перерабатывающие сырую нефть в топливо, также производят легкие газы в качестве побочного продукта. Компании взяли эти газы и превратили их в промежуточные молекулы (алкены и ароматические соединения), которые питают нефтехимическую промышленность и производят пластмассы, волокна, клеи, моющие средства, краски, чернила и многое другое.
Это отрасль, которая существует уже более века. В результате он работает со знакомыми молекулами и эффективными процессами, позволяющими производить недорогие химические вещества.
Шенкс сказал, что исследователи, связанные с CBiRC, которая была поддержана серией грантов на общую сумму 35,26 миллиона долларов от Национального научного фонда, не нашли экономически жизнеспособных способов замены химикатов на биологической основе из недорогой сырой нефти.
Но, по его словам, нефтехимическая промышленность не производила новых коммерческих молекул уже два десятилетия. И это создало то, что могло бы стать открытием для ценных химических веществ на биологической основе.
«Вопрос, который вы должны задать, таков: «Есть ли у нас все необходимые молекулы?», - сказал Шанкс. "Мы закончили?"
Переход к биомолекулам
Шенкс сказал, что исследователи CBiRC спрашивали ученых и инженеров в индустрии потребительских товаров, есть ли у них все необходимые молекулы.
«Мы получаем громкий ответ - нет», - сказал он. «Они говорят: «Нам нужны новые инновации, новые продукты, новые молекулы».
Так откуда возьмутся эти молекулы?
Шэнкс и Килинг указывают на биомассу растений как на источник новых промежуточных молекул.
«Исходное сырье, полученное из биомассы, имеет особые перспективы для резкого увеличения пула возможных промежуточных продуктов, поскольку они обеспечивают широкий спектр химической сложности», - написали они в своей статье..
В результате получаются фармацевтические препараты нового поколения, нутрицевтики, противомикробные препараты, инсектициды, гербициды, потребительские товары и специальные химикаты.
«Нет никаких сомнений в том, что молекулы, полученные из биомассы, имеют большие перспективы для создания продуктов с улучшенными свойствами», - написали они.
Путь CBiRC
Поскольку CBiRC существует уже девять лет, Шанкс сказал, что у исследовательского центра есть несколько тематических исследований, демонстрирующих, как биопривилегированные молекулы создают новые продукты и возможности.
Муконовая кислота является одним из примеров, приведенных в статье Green Chemistry.
В прошлом году два исследователя, связанные с CBiRC - Зенги Шао и Жан-Филипп Тессонье, доценты кафедры химической и биологической инженерии штата Айова - сообщили, как они произвели биовозобновляемый нейлон.
Они начали с генно-инженерных дрожжей - «микробной фабрики», как сказал Шао, - которые ферментируют глюкозу в муконовую кислоту. Затем, используя металлический катализатор и немного электричества, исследователи получили 3-гексендиовую кислоту. После нескольких простых этапов разделения и полимеризации они получили ненасыщенный нейлон-6, 6 на биологической основе.
«Нет хорошего способа получить эту молекулу из нефтехимии», - сказал Шанкс. «Но биология может делать так много вещей».
Потребуется много тестов, чтобы выяснить, на что именно способны биопривилегированные молекулы. И поэтому Шэнкс и Килинг написали, что путь вперед должен включать новые вычислительные и экспериментальные стратегии для тестирования биохимических веществ для новых и ценных применений.
И снова Килинг сказал, что CBiRC работает над тем, чтобы показать путь, разрабатывая подходы к систематической идентификации биопривилегированных молекул, а также высокопроизводительные стратегии, которые могут быстро оценить тысячи новых молекул для применения в различных отраслях.
«Мы говорим: «Давайте сделаем молекулы», - сказал Килинг. «Очень сложно проложить путь к новой молекуле. Поэтому мы берем новые, биопривилегированные молекулы и смотрим, где их лучше всего использовать».