Ψίχουλα ψωμιού από απορρίμματα τροφίμων θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τα ορυκτά καύσιμα ως πηγή υδρογόνου σε μία από τις πιο συνηθισμένες χημικές αντιδράσεις που χρησιμοποιούνται στη χημική βιομηχανία σύμφωνα με μια νέα μελέτη.
Η νέα διαδικασία που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature Chemistry» συνδυάζει φυσικές διαδικασίες ζύμωσης σε βακτήρια με μεταλλική κατάλυση για την παραγωγή μιας σειράς πολύτιμων χημικών προϊόντων από απλά οργανικά απορρίμματα. Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι αυτή η υβριδική μέθοδος έχει συνολικά αρνητικό αποτύπωμα άνθρακα, και οι ερευνητές θεωρούν ότι θα μπορούσε να αποτελέσει το πρώτο βήμα για μια πιο βιώσιμη χημική βιομηχανία.
Η υδρογόνωση είναι μια χημική διαδικασία κατά την οποία ένα μόριο υδρογόνου προστίθεται σε έναν διπλό δεσμό και αποτελεί βασική αντίδραση στην παραγωγή τροφίμων, πλαστικών και φαρμακευτικών ουσιών.
Ωστόσο το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου που χρησιμοποιείται σε αυτή τη διαδικασία προέρχεται από ορυκτά καύσιμα μέσω μιας ρυπογόνου και ενεργοβόρας διαδικασίας που ονομάζεται αναμόρφωση με ατμό η οποία παράγει 15 έως 20 κιλά διοξειδίου του άνθρακα για κάθε κιλό υδρογόνου. Συνεπώς η υδρογόνωση αποτελεί σημαντική πρόκληση βιωσιμότητας για τη χημική βιομηχανία και οι επιστήμονες αναζητούν επειγόντως πιο «πράσινες» εναλλακτικές λύσεις.
Στρέφοντας την προσοχή τους στη φύση οι ερευνητές διερεύνησαν αν είναι δυνατό να αξιοποιηθεί η δύναμη της βιολογίας για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος. Πολλά βακτήρια παράγουν φυσικά υδρογόνο όταν αναπνέουν χωρίς οξυγόνο (αναερόβια) απελευθερώνοντας συνεχώς αυτό το αέριο στο περιβάλλον τους. Αν αυτό μπορούσε να συνδεθεί με ένα κατάλληλο χημικό σύστημα θα ήταν θεωρητικά δυνατό να χρησιμοποιηθεί βιολογικά παραγόμενο υδρογόνο σε αντιδράσεις υδρογόνωσης εξαλείφοντας την ανάγκη για ορυκτά καύσιμα.
«Η βασική πρόκληση ήταν να βρούμε έναν καταλύτη που να μπορεί να λειτουργεί μέσα σε ένα ζωντανό σύστημα σε νερό, σε ήπιες θερμοκρασίες και χωρίς να βλάπτει τα κύτταρα. Έπρεπε να επιτύχουμε ισορροπία: έναν καταλύτη που να παραμένει ενεργός σε ένα πολύπλοκο βιολογικό περιβάλλον και μικροοργανισμούς που να συνεχίζουν να λειτουργούν παρουσία του καταλύτη» αναφέρει ο Στίβεν Γουάλας του από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, επικεφαλής της μελέτης.
Αλλαγή προσέγγισης
Η ερευνητική ομάδα καλλιέργησε βακτήρια E. coli σε περιβάλλον που περιείχε γλυκόζη προσθέτοντας έναν εμπορικό καταλύτη παλλαδίου και ένα δοκιμαστικό υπόστρωμα ενώ απομάκρυνε το οξυγόνο από το μείγμα. Η αντίδραση επωάστηκε στους 37 βαθμούς Κελσίου για μία ημέρα και η ανάλυση έδειξε ότι το καλύτερο στέλεχος παρήγαγε το επιθυμητό προϊόν υδρογόνωσης με απόδοση 94%.
Ο μεταλλικός καταλύτης συνδέεται ουσιαστικά με τη μεμβράνη του κυττάρου. Το ίδιο το κύτταρο παράγει υδρογόνο και καθώς αυτό διαχέεται προς τα έξω, έρχεται σε επαφή με τον καταλύτη, ο οποίος ολοκληρώνει την αντίδραση και παράγει το τελικό προϊόν.
Αφού δημιουργήθηκε ένα βιοσυμβατό σύστημα οι ερευνητές προσπάθησαν να αντικαταστήσουν τη δαπανηρή γλυκόζη με μια φθηνότερη και πιο βιώσιμη εναλλακτική. Εστιάζοντας στα απορρίμματα ψωμιού χρησιμοποίησαν μικροβιακά ένζυμα για να διασπάσουν τους σύνθετους υδατάνθρακες σε απλά μόρια γλυκόζης. Αυτό το «καύσιμο» από απόβλητα τροφοδότησε τα βακτήρια μετατρέποντας ουσιαστικά τα ψίχουλα σε υδρογόνο.
Οι ερευνητές προχώρησαν ακόμη περισσότερο: γενετικά τροποποίησαν ορισμένα στελέχη βακτηρίων ώστε να παράγουν τα απαραίτητα χημικά υποστρώματα μέσα στα ίδια τα κύτταρα. Έτσι, αξιοποίησαν τις μεταβολικές οδούς των κυττάρων για την παραγωγή των επιθυμητών ουσιών.
Τα αποτελέσματα
Η χρήση βιολογικά παραγόμενου υδρογόνου οδήγησε σε τριπλάσια μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου σε σύγκριση με τη χρήση ορυκτών καυσίμων. Συγκεκριμένα η διαδικασία με βάση τα ψίχουλα μείωσε το δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη κατά περισσότερο από 135%, δηλαδή είχε αρνητικό αποτύπωμα άνθρακα.
Η ερευνητική ομάδα εργάζεται τώρα για να αυξήσει τον αριθμό των χημικών ουσιών που μπορούν να παραχθούν και να επεκτείνει τη μέθοδο ώστε να χρησιμοποιεί περισσότερους τύπους βιοαποβλήτων. Τελικός στόχος είναι η ενσωμάτωση της τεχνολογίας στη βιομηχανική παραγωγή.
«Προς το παρόν, το σύστημα λειτουργεί καλύτερα με απλούστερα αλκένια. Δεν είναι ακόμη τόσο αποδοτικό όσο οι βιομηχανικές διαδικασίες, αλλά δείχνει έναν εντελώς νέο τρόπο υδρογόνωσης. Για να γίνει βιώσιμο πρέπει να βελτιώσουμε την αποδοτικότητα, να επεκτείνουμε τη βιολογική παραγωγή και να αναπτύξουμε καταλύτες που παραμένουν σταθεροί και οικονομικοί σε βιομηχανική κλίμακα» εξηγεί ο Γουάλας.