Batteri per produrre biocarburanti: è una necessità sempre più impellente quella dell’industria petrolchimica che dovrà affrontare il passaggio dall’impiego di petrolio e gas a sostanze chimiche di origine sostenibile.
Per poter produrre combustibili, lubrificanti e materie plastiche in modo sostenibile e senza sforzo, la direzione da intraprendere è quella di una produzione bioologica, attraverso i microbi.
Ma i prodotti microbici sono diversi dagli idrocarburi dei combustibili fossili in due modi fondamentali: contengono troppo ossigeno e hanno troppi altri atomi che pendono dai carboni. Affinché gli idrocarburi microbici funzionino nei processi sintetici esistenti, spesso devono essere deossigenati – in gergo chimico, ridotti – e spogliati di gruppi chimici estranei, il che richiede energia.
Un team di chimici dell’Università della California, Berkeley e dell’Università del Minnesota ha progettato microbi per creare catene di idrocarburi che possono essere deossigenate più facilmente e utilizzando meno energia, in pratica solo lo zucchero glucosio che i batteri mangiano, più un po’ di calore.
Il processo consente la produzione microbica di un’ampia gamma di sostanze chimiche attualmente prodotte da petrolio e gas, in particolare prodotti come i lubrificanti a base di idrocarburi a catena media, che contengono da otto a 10 atomi di carbonio nella catena.
Usare il glucosio per alimentare i batteri che possono produrre carburanti e materie plastiche
“Parte del problema con il tentativo di passare a qualcosa come il glucosio come materia prima per produrre molecole o per guidare l’industria chimica è che le strutture dei combustibili fossili dei prodotti petrolchimici sono così diverse: di solito sono completamente ridotte, senza sostituzioni di ossigeno”, ha affermato Michelle Chang, professore di chimica e di ingegneria chimica e biomolecolare all’Università di Berkeley. “I batteri sanno come creare tutte queste molecole complesse dalle quali fuoriescono tutti questi gruppi funzionali, come tutti i prodotti naturali, ma produrre prodotti petrolchimici che siamo abituati a usare come precursori per l’industria chimica è un po’ una sfida per loro.”
“Questo processo è un passo verso la deossigenazione di questi prodotti microbici e ci consente di iniziare a produrre cose che possono sostituire i prodotti petrolchimici, utilizzando solo il glucosio dalla biomassa vegetale, che è più sostenibile e rinnovabile”, ha affermato. “In questo modo possiamo allontanarci dai prodotti petrolchimici e da altri combustibili fossili”.
In questa nuova ricerca i batteri sono stati progettati per creare catene di idrocarburi di media lunghezza, cosa mai raggiunta prima, sebbene altri abbiano sviluppato processi microbici per creare catene più corte e più lunghe, fino a circa 20 atomi di carbonio. Ma il processo può essere facilmente adattato per creare catene di altre lunghezze, ha detto Chang, compresi gli idrocarburi a catena corta usati come precursori delle plastiche più popolari, come il polietilene.
I risultati di questo studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature Chemistry.
Modificando i batteri Escherichia coli si riesce a fermentare il glucosio e produrre i precursori di polimeri e lubrificanti
Gli idrocarburi fossili sono semplici catene lineari di atomi di carbonio con un atomo di idrogeno attaccato a ciascun carbonio. Ma i processi chimici ottimizzati per trasformarli in prodotti di alto valore non consentono facilmente la sostituzione con precursori prodotti microbicamente che sono ossigenati e hanno atomi di carbonio decorati con molti altri atomi e piccole molecole.
Per fare in modo che i batteri producano qualcosa che possa sostituire questi precursori di combustibili fossili, Chang e il suo team, compresi i coautori Zhen Wang e Heng Song, ex borsisti post-dottorato dell’UC Berkeley, hanno cercato nei database enzimi di altri batteri in grado di sintetizzare idrocarburi a catena media. Hanno anche cercato un enzima che potesse aggiungere un gruppo chimico speciale, l’acido carbossilico, a un’estremità dell’idrocarburo, trasformandolo in quello che viene chiamato acido grasso.
In pratica i ricercatori hanno inserito cinque geni separati nei batteri E. coli , costringendo i batteri a fermentare il glucosio e produrre l’acido grasso a catena media desiderato. Le reazioni enzimatiche aggiunte erano indipendenti o ortogonali alle vie enzimatiche dei batteri, il che funzionava meglio del tentativo di modificare la complessa rete metabolica dei batteri.
“Abbiamo identificato nuovi enzimi che potrebbero effettivamente creare queste catene di idrocarburi di medie dimensioni e che erano ortogonali, quindi separati dalla biosintesi degli acidi grassi da parte dei batteri. Questo ci consente di eseguirlo separatamente e utilizza meno energia di quanto farebbe se si utilizzasse il via della sintasi nativa”, ha detto Chang. “Le cellule consumano abbastanza glucosio per sopravvivere, ma poi, insieme a questo, hai il tuo percorso che mastica tutto lo zucchero per ottenere conversioni più elevate e una resa elevata”.
Questo passaggio finale per creare un acido grasso a catena media ha innescato il prodotto per una facile conversione mediante reazione catalitica in olefine, che sono precursori di polimeri e lubrificanti.
Con la catalisi acida di Lewis si producono olefine da impiegare come lubrificanti e polimeri plastici
Il gruppo della UC Berkeley ha collaborato con il gruppo del Minnesota guidato da Paul Dauenhauer, che ha dimostrato che una semplice reazione catalitica a base acida chiamata catalisi acida di Lewis (dal famoso chimico della UC Berkeley Gilbert Newton Lewis), rimuoveva facilmente l’acido carbossilico dai prodotti microbici finali. — Acidi 3-idrossiottanoico e 3-idrossidecanoico — per produrre rispettivamente le olefine eptene e nonene. La catalisi dell’acido di Lewis utilizza molta meno energia rispetto alle reazioni redox tipicamente necessarie per rimuovere l’ossigeno dai prodotti naturali per produrre idrocarburi puri.
“Le molecole biorinnovabili prodotte dal gruppo del professor Chang erano materie prime perfette per la raffinazione catalitica”, ha affermato Dauenhauer, che si riferisce a queste molecole precursori come bio-petrolio. “Queste molecole contenevano abbastanza ossigeno da poterle facilmente convertire in molecole più grandi e più utili utilizzando catalizzatori di nanoparticelle metalliche. Questo ci ha permesso di regolare la distribuzione dei prodotti molecolari secondo necessità, proprio come i prodotti petroliferi convenzionali, tranne che questa volta stavamo usando fonti rinnovabili risorse”.
L’eptene, con sette atomi di carbonio, e il nonene, con nove, possono essere impiegati direttamente come lubrificanti, crackizzati in idrocarburi più piccoli e usati come precursori di polimeri plastici, come polietilene o polipropilene, o legati per formare idrocarburi ancora più lunghi, come quelli nelle cere e Carburante diesel.
“Questo è un processo generale per creare composti target, indipendentemente dalla lunghezza della catena“, ha detto Chang. “E non è necessario progettare un sistema enzimatico ogni volta che si desidera modificare un gruppo funzionale o la lunghezza della catena o quanto è ramificato”.
Nonostante la loro impresa di ingegneria metabolica, Chang ha notato che l’obiettivo a lungo termine e più sostenibile sarebbe quello di ridisegnare completamente i processi per la sintesi di idrocarburi industriali, compresa la plastica, in modo che siano ottimizzati per utilizzare i tipi di sostanze chimiche che i microbi normalmente producono, piuttosto che alterare i prodotti microbici per adattarli ai processi di sintesi esistenti.
“C’è molto interesse alla domanda, ‘E se guardiamo a strutture polimeriche completamente nuove?'”, ha detto. “Possiamo produrre monomeri dal glucosio mediante fermentazione per materie plastiche con proprietà simili alle plastiche che usiamo oggi, ma non con le stesse strutture del polietilene o del polipropilene, che non sono facili da riciclare”.
