Вещество для производства биологического топлива

В декабре 2007 года, президент Буш подписал Закон о Энергетической независимости, в котором содержался призыв достичь производства возобновляемых видов топлива на уровне 36 миллиардов галлонов в год. Общее количество целлюлозного биотоплива, получаемого из сельскохозяйственных отходов (древесная щепа и степная трава) предполагается получать в размере 16 миллиардов галлонов. Если все условия будут выполнены, потребление бензина должно значительно сократится, также сократятся выбросы парниковых газов и уменьшится импорт иностранной нефти. Однако, на пути этого амбициозного плана стояло серьёзное препятствие: никто еще не предоставил экономически конкурентоспособного промышленного процесса для производства биотоплива. На сегодняшний день, почти весь этанол, производимый в Соединенных Штатах, добывают из кукурузного крахмала, который легко расшепляется на глюкозу. Вообще, производство этанола состоит из нескольких шагов: извлечения молекул глюкозы из кристаллической цепочки целлюлозы, ключевого структурного компонента растений последующего брожения полученной "сладкой" массы извлечение из перебродивщего вещества уже чистого этанола. Самый дорогостоящий процесс, это получение молекул глюкозы. "Это наиболее большое ограничение сегодня на пути крупномасштабного коммерческого использования биотоплива", - говорит Фрэнсис Арнольд, профессор химического машиностроения и биохимии в Калифорнийском технологическом институте. Профессор Арнольд считает, что ферменты являются наиболее эффективными и дешевыми помощниками для расщеплении целлюлозы. Фрэнсис Арнольд около двадцати лет занимается разработкой ферментов для использования их во всем, начиная от медикаментов и заканчивая химическими красителями. У биотоплива на основе целлюлозы есть много преимуществ по сравнению с бензином и этанолом из кукурузного крахмала. Например, использование целлюлозного этанола вместо бензина, может сократить выброс отравляющих газов в атмосферу на 87 процентов, в то время как этанол добываемый из кукурузы сокращает выбросы всего лишь на 18-28 процентов. Одновременно с этим, целлюлоза, является наиболее распространенным органическим материалом на земле. Преобразование кукурузного крахмала в сахар требует одного фермента, а для расщепления целлюлозы, полученной из биомассы, необходим целый ряд ферментов разлагающих клеьчатку (Cellulolytic Enzymes). Ранее эти ферменты, найденые в грибах, применялись во многих иследованиях, но как оказалось они слишком медленно действуют и очень нестабильны. Усилия, направленные на повышение производительности путем их объединения с другими органическими веществами и использование составляющих их аминокислот были не очень успешными. Исследователи сократили расходы на производство биотоплива с использованием ферментов до 20-50 центов за галлон этанола. Но эта цена всё ещё очень высока, она должна достичь уровня в 3-4 цента за галлон целлюлозного этанола, чтобы конкурировать с этанолом из кукурузного крахмала. Профессор Арнольд старается достичь большего, чем просто удешевление процесса расщепления целлюлозы. Она хочет разработать ферменты, которые помимо расщепления кристаллической цепочки целлюлозы, будут иниицировать процесс брожение полученного из биомассы сахара. "Объединие таких разных процесов, как расщепление целюлозы и брожение полученого сахара, в один, позволит снизить стоимость всей технологии получения биотоплива", - сказала Арнольд. Большая часть работы была направлена на создание эффективныйх микроорганизмов для последующего их использования в промышленных процессах ферментации, превращения целлюлозной биомассы в способный к брожению сахар. Для расщепления целлюлозы они должны быть стабильны и весьма активны, их основная задача это разделение продуктов биосинтеза. Исследователи уже в состоянии производить микроорганизмы для получения этанола в более менее достаточных количествах. На протяжении многих лет Фрэнсис Арнольд разработала ряд новых инструментов для создания нового вида белков. Она впервые применила метод, называемый "контролируемой эволюцией", который предполагает создание нескольких вариантов генов, каждый под конкретный белок. Созданные гены помещают в создаваемый микроорганизм, вследствии чего он приобретает заранее спроектированные способности. Ее последнии наработки включают математические методы, которые позволяют быстро рассчитать и проверить тысячи комбинаций белковых соединений. Такие методы позволяют увеличить шансы на скорейшее создание оптимально функционирующих молекул с новыми полезными свойствами. Исследователи используют эти методы для создания библиотеки генов. Арнольд и ее коллеги в любой момент времени могут увидеть на экране монитора, как взаимодействуют между собой та или иная группа генов в составе фермента. Арнольд работает совместно с Джеймсом Лиао, профессором химического машиностроения Калифорнийского университета. Лиао, совсем недавно открыл способ эффективного преобразования сахара в бутанол, биотоплива, способного вырабатывать больше энергии чем этанол. Профессор Арнольд надеется, что ей удастся использовать новые ферменты в комбинации с микробами, которые разработал Лиао для производства бутанола. Профессор Арнольд основала проект Gevo, который располагается в Денвере, штат Колорадо и имеет лицензию на технологию Джеймса Лиао. Основная цель проекта - крупномасштабное производство современных видов биотоплива, в том числе бутанола. По материалам Technology Review Продолжение TOP10 важнейших технологий следует…