Istraživači su razvili hibridni proces koji kombinuje fermentaciju E. coli i paladijumsku katalizu kako bi mrvice hleba pretvorili u vodonik za industrijsku hidrogenaciju. Eksperimentalni sistem je pri anaerobnim uslovima postigao prinos do 94%, a upotreba biogenog vodonika dovela je do značajnog smanjenja emisija—proces je u procenama ugljenično negativan. Potrebna su dodatna poboljšanja u efikasnosti, skaliranju i stabilnosti katalizatora pre industrijske primene.
Mrvice hleba kao izvor vodonika: biološko-metalna metoda za održivu hidrogenaciju
A photograph of breadcrumbs. A pinch of food waste may be enough to make a common chemical manufacturing process carbon negative. | Credit: Oksana Ermak via Getty Images
Novo istraživanje objavljeno 23. februara u časopisu Nature Chemistry opisuje hibridni proces koji kombinuje bakterijsku fermentaciju i metalnu katalizu kako bi mrvice hleba i drugi biološki otpad pretvorili u vodonik upotrebljiv za hidrogenaciju — jednu od ključnih reakcija u industrijskoj hemiji.
Šta su uradili istraživači?
Tim predvođen profesorom Stephenom Wallaceom (University of Edinburgh) kultivisao je sojeve E. coli u anaerobnim uslovima (bez kiseonika) i dodao komercijalni paladijumski katalizator zajedno sa test supstratom. Reakcija je vođena pri blagim temperaturama (~37 °C) i tokom 24 sata, a najbolji soj ostvario je prinos hidrogenacije od 94%.
Umesto skupih izvora ugljenih hidrata, istraživači su koristili mrvice hleba: mikrobički enzimi razlažu kompleksne ugljene hidrate u glukozu koju E. coli potom fermentuje i proizvodi vodonik. Taj bio-vodonik difuzijom nailazi na paladijumski katalizator prikačen uz ćelijsku membranu i učestvuje u hidrogenaciji ciljanih molekula.
Dalji korak uključuje genetsko modificiranje sojeva kako bi same ćelije proizvodile željene supstrate umesto da se oni dodaju spolja, čime se otvaraju mogućnosti za veću fleksibilnost u proizvodnji različitih hemijskih proizvoda.
An illustration of E. coli bacteria, like the ones used in the new research | Credit: RUSLANAS BARANAUSKAS/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images
Zašto je ovo važno?
Većina industrijskog vodonika danas se dobija parnim reformisanjem metana, procesom koji emituje oko 15–20 kg CO2 za svaki kilogram proizvedenog vodonika. U poređenju sa tim, korišćenje biogenog vodonika iz mrvica pokazalo je trostruko smanjenje emisija gasova sa efektom staklene bašte, a proces napajan mrvicama hleba smanjio je globalni potencijal zagrevanja za više od 135% — što ukazuje na ugljenično negativan otisak u procenama autora.
Ograničenja i naredni koraci
Autori priznaju da sistem trenutno najbolje funkcioniše sa jednostavnijim alkenima (molekulima sa C=C dvostrukom vezom) i da još nije konkurentan industrijskim procesima po efikasnosti i obimu. Potrebni su:
- povećanje efikasnosti i opsega prihvatljivih supstrata,
- skaliranje bioloških kultura na industrijski nivo,
- razvoj stabilnijih i jeftinijih katalizatora koji podnose kompleksno biološko okruženje.
Uprkos izazovima, rad predstavlja važan konceptualni korak ka tome da se hemijska industrija manje oslanja na fosilna goriva i da u većoj meri koristi otpadne biomasne tokove u proizvodnji vrednih hemijskih proizvoda.
Napomena: Rezultati su zasnovani na laboratorijskim eksperimentima i procenama uticaja; komercijalna primena zahteva dodatne studije, optimizaciju i ekonomsku analizu.
Pomozite nam da budemo bolji.
