Ученые создали «благоухающее» биотопливо

Класс химических веществ, используемых в настоящее время для создания парфюмерных композиций, может однажды стать источником чистого возобновляемого топлива для грузовиков и легковых автомобилей. Ученые из Объединенного института биоэнергетических технологий «запрограммировали» бактерию Escherichia coli (E. сoli) так, чтобы она производила большие количества метилкетона из глюкозы.

При последующих испытаниях метилкетон приобрел высокое цетановое число – характеристика воспламеняемости дизельного топлива, аналогичная октановому числу для бензина – что позволяет производить из него биотопливо нового поколения.

«Результаты наших испытаний позволяют расширить список природных химических веществ, которые могут послужить источником биотоплива – а значит,  создают больше возможностей для индустрии возобновляемых источников энергии, - отмечает Гарри Беллер, микробиолог из Объединенного института биоэнергетических технологий, возглавивший нынешнее исследование. – Нас особенно воодушевила возможность увеличить производство метилкетона из E. Сoli более чем в 4000 раз, используя сравнительно небольшое количество генетических модификаций». 

Гарри Беллер руководит Подразделением топливного синтеза в Объединенном институте биоэнергетических технологий и является ведущим ученым Отделения геонаук в Национальной лаборатории Э.Лоренса. Он является автором статьи под названием «Синтезирование метилкетона бактериального происхождения с целью получения биотоплива», опубликованной в журнале «Прикладная микробиология и микробиология окружающей среды».

Биотопливо второго поколения – жидкое транспортное топливо, извлекаемое из  целлюлозных масс многолетних растений и других фуражных культур, а также сельскохозяйственных отходов – рассматриваются как возможная альтернатива бензину и дизтопливу. Не менее популярным является синтез топлива с помощью бактерий, которые  перерабатывают биомассы и превращают их сахара в молекулы топлива.

Исследователи Объединенного института биоэнергетических технологий уделяют особое внимание разработке биотоплива нового поколения, которое можно будет использовать в современных двигателях и распределительных инфраструктурах. В более ранних исследованиях Беллер с коллегами «обогатили» бактерию E. Coli специальными энзимами, чтобы синтезировать из жирных кислот длинноцепочечные алкеновые углеводороды, впоследствии преобразуемые в дизельное топливо. Жирные кислоты – это энергетически насыщенные молекулы в бактериальных или растительных клетках, которые повторяют свойства природной нефти.

«В ходе предыдущих исследований мы обнаружили, что помимо невероятно высокого уровня жирных кислот, «программируемые» бактерии также производят метилкетон, - объясняет Беллер. – Определив его цетановое число, мы обратили внимание на возможность получения  метилктона для использования в качестве топлива».

Метилкетон – это возникающее естественным путем вещество, обнаруженное более столетия назад в ароматном вечнозеленом растении под названием «рута». С тех пор его обнаружили также в помидорах и других растениях, а также насекомых и других микроорганизмах.

В настоящий момент они используются для придания запаха эфирным маслам и ароматизации сыров и других молочных продуктов. Хотя изначально E. Coli продуцируют практически необнаружимые количества метилкетона, Беллеру удалось преодолеть этот недостаток, используя те же технологии  синтетической биологии, что и при создании бактерий, производящих жирные кислоты.

«Для получения метилкетона мы создали две основных модификации E. coli, - объясняет ученый. – Сначала мы  модифицировали некоторые этапы в процессе бета-окислении – механизме, который она использует для расщепления жирных кислот, а потом усилили активность имеющегося в составе бактерии белка под названием FadM. Два этих нововведения позволили существенно повысить выход метилкетона».

Беллер и его коллеги протестировали две разновидности метилкетона на цетановые числа – ундеканон и тридеканон. Цетановое число обозначает степень задержки поджигания во время компрессионного сжатия; чем выше это число, тем меньше задержка возгорания.

В Соединенных штатах Америки дизельное топливо должно обладать цетановым числом не ниже 40. Цетановое число для ундеканона достигло 56,6. Средний показатель для ундеканона и тридеканона составил 58,4. Несмотря на такие впечатляющие результаты, ученых беспокоило, что обе разновидности метилкетона обладают достаточно высокими точками плавления, что отрицательно влияет на эффективность топлива при низких температурах.

«Мы смогли решить проблему с точками плавления, увеличив в лучших образцах E.coli процентное содержание мононенасыщенного метикетона, который имеет более низкую точку плавления чем их насыщенные гомологи», - объясняет Беллер.

На следующем этапе, ученые сконцентрируют внимание на повышении производительности и оптимизации свойств топлива, регулируя их состав в зависимости от длины цепи и степени ненасыщенности.

 «Поскольку данные разновидности метилкетона являются производными жирных кислот, мы надеемся, что увеличение производительности бактерий поможет создать другие виды биотоплива на основе других жирных кислот».

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром