Firimiturile de pâine provenite din deșeuri alimentare ar putea înlocui combustibilii fosili ca sursă de hidrogen, pe baza uneia dintre cele mai utilizate reacții chimice în industria de profil, arată un nou studiu citat de Live Science.
Detaliat în revista Nature Chemistry, procesul combină reacții naturale de fermentație bacteriană cu cataliza metalică pentru a genera o gamă variată de produse chimice din resturi alimentare.
Cataliza metalică presupune utilizarea unor metale în formă pură sau în aliaj pentru a crește viteza reacției, fără ca acestea să fie consumate în cadrul procesului chimic.
Datele arată că această procedură hibridă are, pe ansamblu, un bilanț negativ de carbon (absoarbe mai mult decât produce, n.r.), iar autorii consideră că ar putea reprezenta un prim pas în "reinventarea" industriei chimice ca industrie sustenabilă.
O reacție extrem de utilizată în industrie produce cantități uriașe de dioxid de carbon
Hidrogenarea este un proces chimic prin care molecule de hidrogen, H2, sunt adăugate la compuși organici nesaturați.
Realizată, de regulă, în prezența unui catalizator metalic, hidrogenarea crește stabilitatea și soliditatea substanțelor și reprezintă o reacție de bază în producția alimentară, fabricarea materialelor plastice și sinteza compușilor farmaceutici.
În prezent, cea mai mare parte a hidrogenului utilizat în această reacție provine din combustibili fosili, printr-un proces poluant și scump din punct de vedere energetic, numit reformare cu vapori.
Acest proces generează între 15 și 20 de kilograme de dioxid de carbon la fiecare kilogram de hidrogen produs.
Pe cale de consecință, hidrogenarea reprezintă o problemă majoră de sustenabilitate pentru industria chimică, iar cercetătorii caută alternative mai ecologice.
Un profesor britanic a decis să pună natura la lucru pentru producția de hidrogen
Inspirat de natură, Stephen Wallace, profesor la Universitatea din Edinburgh, a decis să afle dacă biologia ar putea fi valorificată pentru a rezolva această problemă chimică.
Multe bacterii produc în mod natural hidrogen în mediu anaerob (în absența oxigenului), eliberând constant acest gaz în mediul înconjurător.
Dacă procesul din natură ar putea fi conectat la un sistem chimic compatibil, ar deveni teoretic posibilă utilizarea biohidrogenului într-o reacție de hidrogenare, eliminând astfel necesitatea combustibililor fosili, a explicat Wallace.
"Principala provocare a fost găsirea unui catalizator care să funcționeze într-un sistem viu, în apă, la temperaturi moderate și fără a afecta celulele. A trebuit să echilibrăm ambele părți: un catalizator care rămâne activ într-un mediu biologic complex și microorganisme care continuă să funcționeze în prezența acestuia", a explicat profesorul.
Bacteriile E.coli au produs materia primă pentru hidrogenare cu un randament de 94%
Echipa lui Wallace a cultivat bacterii E. coli într-un mediu care conține glucoză, adăugând un catalizator comercial pe bază de paladiu și un substrat de test, înainte de a elimina oxigenul din amestec.
Reacția fără oxigen a fost încălzită la 37 de grade Celsius timp de o zi, iar analizele ulterioare au arătat că tulpina cea mai performantă a produs compusul dorit pentru hidrogenare cu un randament de 94%.
"Catalizatorul metalic se leagă practic de membrana celulară. Celula produce hidrogen, iar pe măsură ce acesta începe să difuzeze în afara celulei, întâlnește catalizatorul metalic, care finalizează reacția și generează produsul de hidrogenare”, a detaliat Simone Morra, biotehnolog la Universitatea din Nottingham, care nu a fost implicat în studiu.
După identificarea unui sistem biocompatibil, profesorul Wallace a decis să înlocuiască glucoza, costisitoare, cu o alternativă mai ieftină și mai sustenabilă.
Firimituri de pâine în loc de glucoză
Concentrându-se pe deșeurile din pâine, echipa sa a utilizat enzime microbiene pentru a descompune carbohidrații complecși din firimituri în unități simple de glucoză.
Acest "combustibil" pentru celule obținut din deșeuri a fost apoi introdus direct în culturile de E. coli, ceea ce a dus, practic, la transformarea firimiturilor de pâine în hidrogen.
Cercetătorii au mai făcut un pas inovator: în loc să adauge un precursor chimic în cultura bacteriană, au modificat genetic anumite tulpini pentru a produce chiar în interiorul celulelor substraturile necesare.
"Este o abordare strălucită (...) Demonstrează că se pot utiliza capacitățile sintetice ale bacteriei E. coli. Practic, se pot utiliza procesele metabolice ale celulei pentru a produce orice substrat dorit", a indicat Simone Morra.
Utilizarea hidrogenului generat pe cale biologică a avut drept efect o reducere de trei ori a emisiilor de gaze cu efect de seră, comparativ cu alternativa industrială bazată pe utilizarea de combustibililor fosili.
Hidrogenarea cu E.coli poate reduce gazele cu efect de seră cu 135%
Conform studiului citat, procesul de hidrogenare alimentat de firimituri de pâine are potențialul de a reduce emisiile cu efect de seră cu peste 135%, ceea ce corespunde unei amprente de carbon negative.
Echipa profesorului Wallace lucrează în prezent la extinderea numărului de substraturi posibile și la adaptarea procesului pentru a accepta mai multe tipuri de deșeuri biologice.
În final, cercetătorii speră că metoda ar putea fi integrată în procesele industriale de sinteză chimică.
"În acest moment, sistemul funcționează cel mai bine cu alchene simple.
Nu este încă la fel de eficient ca procesele industriale, dar demonstrează o modalitate fundamental nouă de a realiza hidrogenarea.
Pentru ca metoda să fie viabilă, trebuie să îmbunătățim eficiența, să extindem componenta biologică și să dezvoltăm catalizatori stabili și rentabili la scară industrială", a conchis Stephen Wallace.
Ştiri video recomandate
