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 других источников биомассы.
Модель исследователей основана на девятилетней работе CBiRC по изучению, снижению рисков и разработке биовозобновляемых технологий. Модель призывает к идентификации «биопривилегированных молекул», обладающих уникальными свойствами, которые могут привести к созданию новых продуктов.
Модель была представлена Брентом Шанксом из CBiRC и Питером Килингом в недавней статье о перспективах «Биопривилегированные молекулы: создание ценности из биомассы», опубликованной журналом Green Chemistry и представленной на его обложке.
Шанкс – директор CBiRC, заслуженный профессор Энсона Марстона в области инженерии в штате Айова и кафедра Майка и Джин Стеффенсон в области химической и биологической инженерии. Килинг – директор по промышленному сотрудничеству и инновациям CBiRC.
«Биопривилегированные молекулы в силу их происхождения из молекул биологического происхождения и сопутствующего множества функциональных возможностей могут значительно расширить горизонт биопродуктов за пределы нефтехимии», – написали Шанкс и Килинг в своей статье.
Эти два 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 незаменимые заменители существующих химикатов.
Шанкс и Килинг также представили свои идеи о биопривилегированных молекулах во время январского семинара при поддержке Национального научного фонда и июньской конференции, спонсируемой Соединенным Королевством.S. Департамент энергетики.
«Мы говорим о новых молекулах с новыми свойствами», – сказал Килинг. "Об этих молекулах не думали, потому что их невозможно было получить из нефтехимии. Но эта новинка могла иметь большую ценность."
Шанкс сказал, что CBiRC, созданная в 2008 году с целью объединения инструментов биологов и химиков для разработки гибридных технологий для производства биовозобновляемых химикатов, указала путь именно к такому подходу.
Никаких новых молекул
Нефтеперерабатывающие заводы, превращающие 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 углеводороды), 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, которые производят недорогие химические вещества.
Шанкс сказал, что исследователи, связанные с CBiRC, получили ряд грантов на общую сумму 35 долларов.26 миллионов от Национального научного фонда, не находили экономически жизнеспособных способов для биохимических химикатов заменить те нефтехимические продукты из недорогой сырой нефти.
Но, по его словам, нефтехимическая промышленность не производила новых коммерческих молекул уже два десятилетия. И это открыло путь для ценных химикатов на биологической основе.
"Вы должны задать вопрос: есть ли у нас все необходимые молекулы??’"Сказал Шанкс. "Мы все?"
Переход к молекулам на биологической основе
Шанкс сказал, что исследователи CBiRC спрашивали ученых и инженеров из индустрии потребительских товаров, есть ли у них все необходимые молекулы.
"Ответ, который мы получаем, – нет", – сказал он. «Они говорят:« Нам нужны новые инновации, новые продукты, новые молекулы.’"
Так откуда же взяться эти молекулы??
Шанкс и Килинг указывают на биомассу растений как на источник новых промежуточных молекул.
«Сырье, полученное из биомассы, особенно многообещающе для резкого увеличения пула возможных промежуточных соединений, поскольку оно обеспечивает широкий спектр химической сложности», – написали они в своей статье.
Полученные химические продукты могут быть фармацевтическими препаратами следующего поколения, нутрицевтиками, противомикробными препаратами, инсектицидами, гербицидами, потребительскими товарами и специальными химическими веществами.
«Нет сомнений в том, что молекулы, полученные из биомассы, открывают большие перспективы для создания продуктов с улучшенными свойствами», – писали они.
Путь CBiRC
Шэнкс сказал, что теперь, когда CBiRC существует уже девять лет, у исследовательского центра есть несколько тематических исследований, демонстрирующих, как биопривилегированные молекулы создают новые продукты и возможности.
Муконовая кислота – один из примеров, приведенных в статье Green Chemistry.
В прошлом году два исследователя, связанные с CBiRC – Зенджи Шао и Жан-Филипп Тессонье, доценты кафедры химической и биологической инженерии штата Айова, – сообщили, как они создали биовозобновляемый нейлон.
Они начали с генно-инженерных дрожжей – «микробной фабрики», – сказал Шао, – которые сбраживают глюкозу в муконовую кислоту. Затем, используя металлический катализатор и немного электричества, исследователи получили 3-гексендионовую кислоту. Пройдя несколько простых этапов разделения и полимеризации, они получили ненасыщенный нейлон-6 на биооснове.
«Нет хорошего способа получить эту молекулу из нефтехимии», – сказал Шанкс. "Но биология может многое."
Потребуется много тестов, чтобы точно выяснить, на что способны биопривилегированные молекулы. Итак, Шанкс и Килинг написали, что путь вперед должен включать новые вычислительные и экспериментальные стратегии для тестирования химических веществ на биологической основе для новых и ценных применений.
В очередной раз Килинг сказал, что CBiRC работает, чтобы указать путь, разрабатывая подходы к систематической идентификации биопривилегированных молекул, а также стратегии высокой производительности, которые могут быстро оценить тысячи новых молекул для применения в различных отраслях промышленности.
«Мы говорим:« Давайте делать молекулы », – сказал Килинг. "Очень сложно разработать свой путь к новой молекуле. Итак, мы берем новые, биопривилегированные молекулы и ищем, где их лучше всего использовать."