Сломай! Как ученые делают топливо из растений

Я не ученый, но я люблю писать о науке и исследованиях. Меня особенно интересовала биология и мир природы с тех пор, как я рос на ферме в Пенсильвании, США. В колледже я понял, что мне больше нравится заниматься литературными исследованиями, чем лабораторными, и поэтому решил заняться научной журналистикой. Сегодня я пишу на самые разные темы, но наука по-прежнему моя любимая. * Текущий адрес: Swissinfo, Swiss Broadcasting Corporation, CH-3000 Bern.

Джереми С. Лютербахер

Хотя я профессор химического машиностроения, я никогда не думал, что буду им. Я вырос, изучая латынь и греческий, и первый урок химии посещал только в старшей школе. Химия была первым предметом, который мне по-настоящему нравился.В колледже я изучал химическую инженерию, и меня поразил потенциал этой дисциплины для решения проблем, связанных с энергетикой и устойчивостью. Благодаря этому я сделал это своей карьерой. Вне работы я люблю бегать и фехтовать. Во время фехтования в Корнелле я встретил свою прекрасную жену Селию.

Молодые рецензенты

Франко-американская международная школа

Возраст: 13–14 лет

Французско-американская международная школа, расположенная в самом центре Сан-Франциско, представляет собой независимую международную школу PreK-12-го класса, в которой обучается 1080 учеников. В младшей и средней школе мы предлагаем программу двуязычного погружения, кульминацией которой является наша Международная средняя школа, где учащиеся проходят программу французского или международного бакалавриата. Независимо от школьной секции или программы, науки всегда занимали видное место. В последние годы наша учебная программа была расширена за счет запуска научного клуба старших классов, а также открытия Tinker Space для младших классов и лаборатории дизайна для старших классов. Студенты и преподаватели используют эти пространства для дальнейших междисциплинарных исследований на пересечении научного и дизайнерского мышления www.frenchamericansf.org.

Абстрактный

Когда вы утром едете на автобусе в школу, вы, вероятно, едете на дизельном топливе или бензине, которые производятся из нефти. Нефть – это ископаемое топливо , что означает, что он сделан из разложившихся, окаменелых организмов, таких как древние растения, планктон и водоросли, которые были погребены под поверхностью Земли в течение миллионов лет.

Ископаемые виды топлива, такие как нефть, природный газ и уголь, добываются из недр земли и используются для вождения автомобилей, обогрева зданий и выработки электроэнергии. Нефть также может быть использована для производства химикатов на нефтяной основе (нефтехимии), которые можно найти во многих повседневных вещах, таких как подошвы вашей обуви или пластиковое покрытие сиденья школьного автобуса.

Преимущество ископаемого топлива в том, что оно очень энергоемкое, т. е. содержит много энергии на единицу объема. Это означает, что ископаемое топливо очень хорошо подходит для питания автомобилей и выработки тепла. Не очень хорошая вещь об ископаемом топливе заключается в том, что на Земле его ограниченное количество. Поскольку для формирования ископаемого топлива требуются миллионы лет, мы в конечном итоге израсходуем его до того, как будет произведено больше. Кроме того, при сжигании ископаемого топлива или нефтехимии выделяется углекислый газ ( CO₂). СО₂ известен как парниковый газ, потому что он может задерживать солнечные лучи внутри земной атмосферы, действуя точно так же, как стеклянная крыша в теплице. Сжигание ископаемого топлива увеличивает выбросы CO₂ концентрации в атмосфере, и это может привести к нарушениям климата, в том числе глобальное потепление ( 1 ).

Из-за этих проблем ученые и инженеры усердно работают над поиском новых видов топлива и химикатов, которые не добавляют CO.₂ в атмосферу, и это может быть возобновлено, когда запасы закончатся. Топливо и химикаты, отвечающие этим требованиям, называются « стабильный ». В экологическом смысле материал является устойчивым, если его можно использовать в течение длительного времени, не заканчивая и не оказывая общего негативного воздействия на окружающую среду.

Биотопливо — это один из видов топлива, который открывает большие перспективы для нашего энергетического будущего, поскольку он является возобновляемым и экологически безопасным. Другими словами, биотопливо устойчиво.

Биотопливо обычно производят из растительных материалов, которые люди не могут употреблять в пищу, таких как стебли кукурузы, травы и древесная щепа. Биомасса это другое название растительных материалов, которые используются для производства биотоплива. Когда биомасса собирается и перерабатывается, ученые могут расщеплять растительные клетки и превращать их в возобновляемое топливо или химические вещества. Таким образом, вместо того, чтобы ждать миллион лет, пока природа превратит растения в ископаемое топливо, ученые пытаются ускорить этот процесс, используя хитроумную химию для производства биотоплива из живых растений.

Подождите секунду.Если сжигание ископаемого топлива, состоящего из древних органических веществ, приводит к выбросу CO₂ в атмосферу… не создает ли сжигание биотоплива ту же проблему? К счастью, нет. Сжигание биотоплива действительно выделяет CO₂, но помните, что растения, используемые в биотопливе, не древние — они жили на земле в то же время, что и мы с вами. И хотя мы, люди, дышим кислородом, чтобы выжить, растения вместо этого дышат CO.₂. Это означает, что, поскольку растения, используемые для производства биотоплива, потребляют CO₂ по мере их роста общего увеличения количества СО не происходит₂ в атмосфере при их сжигании. Они только заменяют то, что они взяли. Кроме того, в отличие от нефти, мы всегда можем вырастить новые растения для производства биотоплива, когда они нам понадобятся.

Итак, если биотопливо устойчиво и безвредно для окружающей среды, то оно должно быть идеальным решением наших энергетических проблем, верно? К сожалению, процессы, которые ученые используют для превращения биомассы в биотопливо, могут быть очень дорогими. Дорогостоящее химическое реакции означают дорогое биотопливо и биопродукты, и большинство потребителей предпочли бы обычный бензин или пластик более дорогим «зеленым» продуктам. Кроме того, для некоторых биотопливных реакций требуются агрессивные химические вещества, которые могут создавать свои собственные экологические проблемы, оставляя нас там, где мы начали с точки зрения устойчивости ( 2 ).

Чтобы увидеть, как растения превращаются в полезное топливо и химические вещества, мы должны сначала понять, из чего они сделаны. Стенки растительных клеток составляют почти весь вес растения и состоят из трех сложных молекул, называемых целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином (рис. 1).

Первые две молекулы, целлюлоза и гемицеллюлоза, состоят из простых строительных блоков сахара, связанных друг с другом в компактную структуру, поддерживаемую третьей молекулой — лигнином (рис. 1). Все три сложные молекулы в растениях должны быть разделены, чтобы получить доступ к строительным блокам сахара внутри, которые затем могут быть преобразованы в биотопливо.

Один из способов добиться этого распада биомассы — использовать много агрессивных химикатов для разрушения растительных тканей. Однако эти химические вещества могут быть дорогими и даже токсичными (2). В идеале мы хотели бы облегчить разрушение растений, чтобы нам не приходилось так сильно полагаться на эти химические вещества.

Одним из возможных решений является использование растворитель — жидкость с химическими свойствами, которые позволяют ей растворять другие материалы… например, растения. Большинство из нас используют растворители каждый день, даже если не осознают этого. Например, вы используете воду в качестве растворителя каждый раз, когда моете руки или готовите растворимый горячий шоколад.

Иногда только определенный вид растворителя может выполнить эту работу. Например, вода может растворить какао-порошок для приготовления горячего шоколада, но она не удалит лак для ногтей — для этого вам понадобятся химические вещества, называемые ацетоном или этилацетатом.

К сожалению, до недавнего времени исследователи энергетики не могли найти растворитель, который был бы (а) дешевым, (б) устойчивым и (в) хорошо разрушающим растения. Но теперь мы обнаружили очень интересный новый растворитель под названием γ-валеролактон ( ГВЛ для краткости), что может сделать производство биотоплива намного дешевле и эффективнее (3). ГВЛ — такой интересный растворитель, потому что он не только дешевый — он возобновляемый, потому что сделан из самой биомассы.

Мы обнаружили, что мы можем использовать GVL для извлечения более 70% исходных сахаров, попавших в плотную структуру биомассы, для производства простых сахаров, которые гораздо легче превратить в топливо. Этот процесс проиллюстрирован на рис. 2, на котором показана химическая реакция, протекающая внутри биотопливного реактора. Биотопливные реакторы представляют собой металлические сосуды, в которых проходят реакции переработки биотоплива. Они специально разработаны, чтобы выдерживать воздействие тепла, давления и химических веществ.

Два основных свойства ГВЛ делают его отличным растворителем для экстракции сахара:

(1) GVL дает кислотам большой импульс.

Чтобы началась любая химическая реакция, участвующие ингредиенты (реагенты) должны сначала накопить достаточно энергии.Наименьшее количество энергии, необходимое для запуска реакции, называется «энергией активации» (рис. 3). В обычных реакциях производства биотоплива большое количество кислот смешивают с водой, чтобы помочь расщепить биомассу. Это может занять некоторое время, особенно для очень жестких или древесных растений, но добавление ГВЛ в реакцию дает кислотам большой заряд энергии. Это ускорение помогает системе быстрее накапливать энергию активации, поэтому реакция может протекать быстрее (4, 5) (рис. 3).

Чтобы проиллюстрировать это явление, представьте себе, что две девушки, Джемма и Валери, собираются наперегонки друг с другом взобраться на вершину крутого холма. Обычно оба бегуна должны стоять за стартовой линией, чтобы обеспечить честность гонки. Но в этой гонке у Джеммы фактически есть большая фора: когда срабатывает зуммер, она начинает бежать на полпути вверх по крутому холму, а Валери должна начинать с самого низа. Как вы думаете, кто победит? Как вы уже догадались, Джемма доберется до вершины холма намного раньше Валери. Точно так же, как фора приближает Джемму к вершине холма в аналогии с гонкой, GVL приближает кислоту к точке реакции с биомассой, позволяя реакции протекать намного быстрее.

(2) ГВЛ избавляет от лигнина.

Для растений лигнин действительно важен: он придает им форму и структуру и помогает им расти здоровыми и сильными. Но для ученых лигнин — просто неприятность. Это жесткая и упрямая молекула, которую очень трудно разрушить, и она препятствует получению простых сахаров из молекул целлюлозы и гемицеллюлозы. Однажды ученые надеются, что смогут расщепить сам лигнин, чтобы сделать полезные вещи, но пока они просто хотят убрать его с дороги. GVL обладает необычной способностью растворять лигнин и не давать ему блокировать главный приз: богатые энергией строительные блоки сахара.

Пожалуй, самое лучшее в этом ГВЛ то, что его можно перерабатывать. В конце реакции биотоплива жидкий CO₂ можно добавить в реактор, чтобы разделить каждый реагент на отдельный слой (рис. 2). Подумайте о бутылке причудливой заправки для салата: масло и уксус вместо того, чтобы смешиваться друг с другом, остаются совершенно отдельными, пока бутылку не встряхивают. Аналогично, когда СО₂ добавляется в биотопливный реактор, раствор ГВЛ и сахара становится как раз той заправкой для салата. Все сахара переходят в один слой и концентрируются (см. рис. 2), а ГВЛ образует свой отдельный слой. Затем GVL можно легко удалить и использовать снова, а раствор сахара, который получают ученые, примерно в пять раз более концентрированный, чем он был бы без GVL. Эта повышенная концентрация очень важна, потому что это означает, что вам нужно тратить меньше энергии на очистку конечного продукта, что делает весь процесс более эффективным и менее расточительным.

После удаления ГВЛ остается концентрированный и очень полезный сахарный раствор. У ученых есть два варианта использования этого богатого энергией решения:

• Они могут улучшать сахар путем дальнейших химических реакций с другими полезными молекулами, которые сегодня используются для производства многих продуктов, полученных из нефтехимии. Это означает, что GVL можно использовать для производства устойчивых альтернатив пластмассам, мылу, краскам и многим другим распространенным материалам.
• Они могут «скармливать» сахар микроорганизмам, таким как дрожжи или бактерии, которые затем метаболизируют его и производят топливо. Одним из примеров является биотопливо этанол: он может питать легковые и грузовые автомобили и другие машины почти так же эффективно, как бензин. Некоторые микроорганизмы имеют особенно хороший аппетит к сахарам, полученным с использованием ГВЛ, потому что они не содержат агрессивных химикатов, которые часто используются в других реакциях биотоплива. Тот факт, что микроорганизмы могут не только выживать, но и процветать на сахаре, обработанном ГВЛ, означает, что ГВЛ пригоден для использования в других биологических реакциях, а не только в химических.В этой работе микроорганизмы использовались для производства этанола в таких высоких концентрациях, что очистка этанола в пригодное для использования топливо не требовала больших затрат.

По всем этим причинам использование ГВЛ дает ученым надежду на создание биотоплива и химикатов, способных конкурировать с нефтепродуктами на рынке. На протяжении столетий люди изобретают новые технологии и развивают промышленность с поразительной скоростью, иногда нанося серьезный ущерб окружающей среде. Процесс производства биотоплива, отвечающий всем требованиям доступности, возобновляемости и устойчивости, может принести пользу как людям, так и Земле. С открытием роли GVL в переработке биотоплива мы считаем, что стали на один шаг ближе к устойчивому будущему.

Глоссарий

Биотопливо: ↑ Некоторые виды растительного материала (см. биомассу) можно перерабатывать в жидкое или газообразное топливо, называемое биотопливом. Некоторые виды биотоплива могут стать возобновляемой альтернативой ископаемому топливу, например бензину.

Биомасса: ↑ Биомасса — это общий термин, относящийся к любому органическому (углеродосодержащему) материалу, полученному из живой материи, такой как растения. Биомасса растений состоит из трех основных молекул: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Типы биомассы, используемой для биотоплива, включают растения и растительные отходы, такие как травы, стебли кукурузы и древесная щепа.

Ископаемое топливо: ↑ Ископаемое топливо формируется под землей в течение миллионов лет и состоит из органического вещества тканей древних растений и животных. К ископаемым видам топлива относятся уголь, природный газ и нефть. Нефть может быть переработана в другие виды топлива, такие как дизельное топливо и бензин.

Глобальное потепление: ↑ Когда слишком много газа двуокиси углерода ( CO₂) попадает в атмосферу, он может задерживать солнечные лучи внутри атмосферы. Это явление называется парниковым эффектом, и оно может привести к общему повышению глобальной температуры, называемому глобальным потеплением.

ГВЛ: ↑ GVL — это сокращение от γ-валеролактон. Это химическое вещество, которое можно легко получить из растений.В нашем эксперименте мы использовали ГВЛ в качестве растворителя для растворения растений. В прошлом ГВЛ применяли в парфюмерной промышленности, поскольку он имеет сладкий травяной запах. ГВЛ также используется в фармацевтических продуктах.

реакция: ↑ Химическая реакция происходит, когда атомы в веществе перестраиваются, что приводит к химическому изменению вещества. Химическая реакция может начаться только после того, как она наберет достаточно энергии. Это минимальное количество энергии, необходимое для начала реакции, называется энергией активации.

Растворитель: ↑ В химии растворитель — это жидкость или газ, которые могут растворять другое вещество, называемое растворенным веществом. Когда вы добавляете растворитель к растворенному веществу, вы получаете раствор.

Стабильный: ↑ В экологическом смысле материал является устойчивым, если его можно использовать в течение длительного времени, не заканчивая и не оказывая общего негативного воздействия на окружающую среду. Например, возобновляемая энергия является устойчивой, потому что мы можем производить ее больше, не нанося значительного ущерба окружающей среде. В более широком масштабе экологическая система является устойчивой, если она может выжить с течением времени при здоровом уровне биоразнообразия, продуктивности и ресурсов.

Первоисточник статьи

↑ Luterbacher, J.S., Rand, J.M., Alonso, D.M., Han, J., Youngquist, J.T., Maravelias, C.T., et al. 2014. Неферментативное производство сахара из биомассы с использованием полученного из биомассы γ-валеролактона. Наука 343: 277–280. дои: 10.1126/наука.1246748

использованная литература

[1] ↑ Тестер, Дж. В. 2005. Устойчивая энергетика. Кембридж, Массачусетс: MIT Press.

[2] ↑ Лютербахер, Дж. С., Мартин Алонсо, Д., Думесик, Дж. А. 2014. Целенаправленное химическое преобразование лигноцеллюлозной биомассы в молекулы платформы. Зеленый хим. 16:4816–38. дои: 10.1039/C4GC01160K

[3] ↑ Luterbacher, J.S., Rand, J.M., Alonso, D.M., Han, J., Youngquist, J.T., Maravelias, C.T., et al. 2014. Неферментативное производство сахара из биомассы с использованием полученного из биомассы γ-валеролактона. Наука 343: 277–80. дои: 10.1126/наука.1246748

[4] ↑ Меллмер, М. А., Сенер, К., Галло, Дж. М. Р., Лютербахер, Дж. С., Алонсо, Д.М., Думесик, Дж. А. 2014. Влияние растворителя в реакциях конверсии биомассы, катализируемых кислотой. Энгью Чем. Междунар. Эд. 53:11872–5. doi: 10.1002/anie.201408359

[5] ↑ Меллмер, М.А., Алонсо, Д.М., Лютербахер, Дж.С., Галло, Дж.М.Р., Думесик, Дж.А. 2014. Влияние γ-валеролактона на гидролиз лигноцеллюлозной биомассы до моносахаридов. Зеленый хим. 16:4659–62. дои: 10.1039/C4GC01768D

Информация о статье

Цитата

Лютербахер С. и Лютербахер Дж. (2015) Разбей! Как ученые делают топливо из растений. Фронт. Молодые умы. 3:10. doi: 10.3389/frym.2015.00010