Σύμφωνα με νέα έρευνα, τα ψίχουλα 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.
Η νέα μέθοδος, η οποία δημοσιεύθηκε στις 23 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Nature Chemistry, συνδυάζει φυσικές διεργασίες ζύμωσης σε βακτήρια με μεταλλική κατάλυση, με σκοπό την παραγωγή μιας σειράς πολύτιμων χημικών προϊόντων από απλά απορρίμματα τροφίμων. Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι αυτή η υβριδική διαδικασία ήταν συνολικά αρνητική ως προς τον άνθρακα, και οι συγγραφείς πιστεύουν ότι θα μπορούσε να αποτελέσει το πρώτο βήμα για την αναδιαμόρφωση της χημικής βιομηχανίας σε μια πιο βιώσιμη βιομηχανία.
Η υδρογόνωση είναι μια χημική διαδικασία που εισάγει ένα μόριο υδρογόνου σε έναν διπλό δεσμό και αποτελεί βασική αντίδραση στην παραγωγή τροφίμων, στην κατασκευή πλαστικών και στη σύνθεση φαρμακευτικών ενώσεων.
Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου που χρησιμοποιείται σε αυτή την αντίδραση 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 που παράγεται. Κατά συνέπεια, η υδρογόνωση αποτελεί τεράστια πρόκληση για τη βιωσιμότητα της χημικής βιομηχανίας, και οι επιστήμονες αναζητούν επειγόντως πιο οικολογικές εναλλακτικές λύσεις.
Ο Stephen Wallace, καθηγητής χημικής βιοτεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, αποφάσισε να διερευνήσει αν ήταν δυνατό να αξιοποιηθεί η δύναμη της βιολογίας για την αντιμετώπιση αυτού του χημικού προβλήματος. Πολλά βακτήρια παράγουν φυσικά υδρογόνο όταν αναγκάζονται να αναπνέουν αναερόβια (χωρίς οξυγόνο) και απελευθερώνουν μια συνεχή ροή αυτού του αερίου στο περιβάλλον τους. Εάν αυτό μπορούσε να συνδεθεί με ένα συμβατό χημικό σύστημα, θα ήταν θεωρητικά δυνατό να χρησιμοποιηθεί βιο-υδρογόνο σε μια αντίδραση υδρογόνωσης, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για ορυκτά καύσιμα σε αυτή τη διαδικασία, πιστεύει ο Wallace.
«Η κύρια πρόκληση ήταν να βρούμε έναν καταλύτη που να μπορεί να λειτουργεί σε ένα ζωντανό σύστημα — στο νερό, σε ήπιες θερμοκρασίες και χωρίς να βλάπτει τα κύτταρα», δήλωσε στο Live Science μέσω email. «Έπρεπε να ισορροπήσουμε και τις δύο πλευρές: έναν καταλύτη που παραμένει ενεργός σε ένα σύνθετο βιολογικό περιβάλλον και μικροοργανισμούς που συνεχίζουν να λειτουργούν παρουσία του καταλύτη».
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 Wallace, .
