Бактерии для blastoff: использование микробов для производства нового ракетного топлива с наддувом

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 21 декабря 2022 г., 15:33:54 MSK
  • 0 комментариев
  • 60 просмотров
Ученые, занимающиеся биотопливом, использовали необычную молекулу, производимую бактериями, для разработки нового класса экологически чистого биотоплива, достаточно мощного, чтобы запускать ракеты. Молекулы-кандидаты имеют большую прогнозируемую плотность энергии, чем любой нефтепродукт, включая ведущие виды авиационного и ракетного топлива, JetA и RP-1.

Ученые, занимающиеся биотопливом, использовали необычную молекулу, производимую бактериями, для разработки нового класса экологически чистого биотоплива, достаточно мощного, чтобы запускать ракеты. Молекулы-кандидаты имеют большую прогнозируемую плотность энергии, чем любой нефтепродукт, включая ведущие виды авиационного и ракетного топлива, JetA и RP-1.

Превращение нефти в топливо включает в себя грубую химию, впервые изобретенную людьми в 1800-х годах. Тем временем бактерии уже миллиарды лет производят молекулы энергии на основе углерода. Как вы думаете, кто лучше справляется с этой работой?

Хорошо осведомленная о преимуществах, которые может предложить биология, группа экспертов по биотопливу во главе с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) черпала вдохновение в необычной противогрибковой молекуле, созданной Стрептомицеты бактерии для разработки совершенно нового вида топлива, прогнозируемая плотность энергии которого превышает самые современные виды топлива для тяжелых условий эксплуатации, используемые сегодня, включая ракетное топливо, используемое НАСА.

"Этот путь биосинтеза обеспечивает чистый путь к топливу с высокой энергетической плотностью, которое до этой работы можно было получить только из нефти с использованием высокотоксичного процесса синтеза", - сказал руководитель проекта Джей Кизлинг, пионер синтетической биологии и генеральный директор Объединенного института биоэнергетики Министерства энергетики (JBEI). "Поскольку это топливо будет производиться из бактерий, питающихся растительным веществом, которое производится из углекислого газа, извлекаемого из атмосферы, сжигание их в двигателях значительно уменьшит количество добавляемого парникового газа по сравнению с любым топливом, получаемым из нефти".

Невероятный энергетический потенциал этих молекул-кандидатов в топливо, называемых POP-FAMEs (для метиловых эфиров полициклопропанированных жирных кислот), обусловлен фундаментальной химией их структур. Полициклопропанированные молекулы содержат множество треугольных трехуглеродных колец, которые заставляют каждую углерод-углеродную связь образовывать острый угол в 60 градусов. Потенциальная энергия в этой напряженной связи преобразуется в большее количество энергии для сгорания, чем может быть достигнуто при использовании более крупных кольцевых структур или углерод-углеродных цепей, обычно встречающихся в топливах. Кроме того, эти структуры позволяют молекулам топлива плотно собираться вместе в небольшом объеме, увеличивая массу - и, следовательно, общую энергию - топлива, которое помещается в любой данный бак.

"С нефтехимическим топливом вы получаете своего рода суп из разных молекул, и у вас нет особого контроля над этими химическими структурами. Но это то, что мы использовали долгое время, и мы спроектировали все наши двигатели для работы на производных нефти", - сказал Эрик Сундстром, автор статьи, описывающей кандидатов на поп-топливо, опубликованной в журнале Joule, и научный сотрудник Отдела передовых разработок биотоплива и биопродуктов Лаборатории Беркли (ABPDU).

"Более крупный консорциум, стоящий за этой работой, Co-Optima, получил финансирование для того, чтобы подумать не просто о воссоздании тех же видов топлива из биологического сырья, но и о том, как мы можем производить новые виды топлива с лучшими свойствами", - сказал Сундстром. "Вопрос, который привел к этому, таков: "Какие интересные структуры может создать биология, которые не может создать нефтехимия?""

Поиски кольца (ов)

Кизлинг, который также является профессором Калифорнийского университета в Беркли, долгое время присматривался к молекулам циклопропана. Он просмотрел научную литературу в поисках органических соединений с трехуглеродными кольцами и нашел только два известных примера, оба сделанные Стрептомицеты бактерии, которые практически невозможно вырастить в лабораторных условиях. К счастью, одна из молекул была изучена и генетически проанализирована из-за интереса к ее противогрибковым свойствам. Обнаруженный в 1990 году натуральный продукт получил название джавсамицин, потому что его беспрецедентные пять циклопропановых колец делают его похожим на челюсть, наполненную заостренными зубами.

Команда Кизлинга, состоящая из ученых JBEI и ABPDU, изучила гены исходного штамма (S. roseoverticillatus) которые кодируют ферменты, вырабатывающие джавсамицин, и глубоко погрузились в геномы родственных Стрептомицеты, ищу комбинацию ферментов, которые могли бы образовать молекулу с зубчатыми кольцами джавсамицина, минуя другие части структуры. Подобно пекарю, переписывающему рецепты, чтобы изобрести идеальный десерт, команда надеялась переделать существующий бактериальный механизм, чтобы создать новую молекулу со свойствами готового к сжиганию топлива.

Первый автор Пабло Круз-Моралес смог собрать все необходимые ингредиенты для приготовления поп-фам после открытия новых ферментов, производящих циклопропан, в штамме под названием S. albireticuli. "Мы искали в тысячах геномов пути, которые естественным образом создают то, что нам было нужно. Таким образом, мы избежали инженерных изысканий, которые могут сработать, а могут и не сработать, и использовали лучшее решение от природы", - сказал Круз-Моралес, старший научный сотрудник Центра биологической устойчивости Фонда Ново Нордиск при Техническом университете Дании и соруководитель лаборатории натуральных продуктов дрожжей совместно с Кизлингом.

К сожалению, бактерии не были столь сговорчивы, когда дело касалось производительности. Повсеместно встречается в почвах на всех континентах, Стрептомицеты славятся своей способностью производить необычные химические вещества. "Многие лекарства, используемые сегодня, такие как иммунодепрессанты, антибиотики и противораковые препараты, производятся инженерными Стрептомицеты," сказал Круз-Моралес. "Но они очень капризны, и с ними неприятно работать в лаборатории. Они талантливы, но они примадонны". Когда два разных спроектированных Стрептомицеты не сумев создать POP-FAMEs в достаточных количествах, он и его коллеги были вынуждены скопировать свой недавно организованный генный кластер в более "ручного" родственника.

Полученные жирные кислоты содержат до семи циклопропановых колец, соединенных цепью на углеродной основе, за что они получили название топливомицины. В процессе, аналогичном производству биодизельного топлива, этим молекулам требуется всего одна дополнительная стадия химической обработки, прежде чем они смогут служить топливом.

Теперь мы готовим с циклопропаном

Хотя они все еще не произвели достаточное количество молекул-кандидатов в топливо для полевых испытаний - "вам нужно 10 килограммов топлива, чтобы провести испытания в реальном ракетном двигателе, а мы еще не достигли этого", - со смехом объяснил Круз-Моралес, - они смогли оценить предсказания Кизлинга о плотности энергии.

Коллеги из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории проанализировали всплывающие окна с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса, чтобы доказать наличие неуловимых циклопропановых колец. И сотрудники Национальной лаборатории Сандии использовали компьютерное моделирование, чтобы оценить, как эти соединения будут работать по сравнению с обычными видами топлива.

Данные моделирования показывают, что кандидаты на СОЗ-топливо безопасны и стабильны при комнатной температуре и будут иметь значения плотности энергии более 50 мегаджоулей на литр после химической обработки. Обычный бензин имеет значение 32 мегаджоулей на литр, JetA, наиболее распространенное реактивное топливо, и RP1, популярное ракетное топливо на основе керосина, имеют около 35.

В ходе своих исследований команда обнаружила, что их ПОП-фэймы очень близки по структуре к экспериментальному ракетному топливу на нефтяной основе под названием Синтин, разработанному в 1960-х годах космическим агентством Советского Союза и использованному для нескольких успешных запусков ракет "Союз" в 70-х и 80-х годах. Несмотря на его высокую производительность, производство Синтина было остановлено из-за высоких затрат и связанного с этим неприятного процесса: серии синтетических реакций с токсичными побочными продуктами и нестабильным, взрывоопасным промежуточным продуктом.

"Хотя ПОП-феймы имеют схожую структуру с синтином, многие из них обладают более высокой плотностью энергии. Более высокая плотность энергии позволяет использовать меньшие объемы топлива, что в ракете может обеспечить увеличение полезной нагрузки и снижение общих выбросов", - сказал автор Александр Ландера, штатный научный сотрудник Sandia. Одна из следующих целей команды - создать процесс удаления двух атомов кислорода из каждой молекулы, которые добавляют вес, но не приносят пользы при горении. "При смешивании с авиатопливом должным образом дезоксигенированные версии шипучки могут обеспечить аналогичное преимущество", - добавила Ландера.

С момента публикации своего документа, подтверждающего концепцию, ученые начали работу по дальнейшему повышению эффективности производства бактерий, чтобы генерировать достаточно для испытаний на сжигание. Они также исследуют, как можно модифицировать путь производства мультиферментов для создания полициклопропанированных молекул различной длины. "Мы работаем над настройкой длины цепочки в соответствии с конкретными приложениями", - сказал Сундстром. "Топливо с более длинной цепью было бы твердым, хорошо подходящим для определенных применений ракетного топлива, более короткие цепи могли бы быть лучше для реактивного топлива, а в середине могла бы быть молекула, альтернативная дизельному топливу".

Автор Коринн Скоун, директор отдела технико-экономического анализа JBEI, добавила: "Плотность энергии - это все, когда речь заходит об авиации и ракетостроении, и именно здесь биология может по-настоящему блистать. Команда может создавать молекулы топлива, адаптированные к приложениям, которые нам нужны в этих быстро развивающихся секторах".

В конечном счете, ученые надеются превратить этот процесс в штамм бактерий "рабочей лошадки", который мог бы производить большое количество молекул POP из растительных отходов (таких как несъедобные сельскохозяйственные отходы и кустарники, очищенные для предотвращения лесных пожаров), потенциально создавая идеальное углеродно-нейтральное топливо.

Кто хочет совершить экологичное космическое путешествие?

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США и Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии. JBEI - это офис Научно-исследовательского центра биоэнергетики.

Комментарии

0 комментариев