Si la industria petroquímica va a dejar alguna vez el petróleo y el gas, tiene que encontrar productos químicos de origen sostenible que se introduzcan sin esfuerzo en los procesos existentes para fabricar productos como combustibles, lubricantes y plásticos.
Hacer esos químicos biológicamente es la opción obvia, pero los productos microbianos son diferentes de los hidrocarburos de combustibles fósiles en dos formas clave: contienen demasiado oxígeno y tienen muchos otros átomos colgando de los carbonos. Para que los hidrocarburos microbianos funcionen en los procesos sintéticos existentes, a menudo tienen que desoxigenarse (en términos químicos, reducirlos) y despojarlos de grupos químicos extraños, todo lo cual requiere energía.
Un equipo de químicos de la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Minnesota ha diseñado microbios para producir cadenas de hidrocarburos que se pueden desoxigenar más fácilmente y con menos energía, básicamente solo el azúcar glucosa que comen las bacterias, más un poco calor.
El proceso permite la producción microbiana de una amplia gama de productos químicos que actualmente se fabrican a partir de petróleo y gas, en particular, productos como lubricantes hechos de hidrocarburos de cadena media, que contienen entre ocho y 10 átomos de carbono en la cadena.
“Parte del problema de tratar de pasar a algo como la glucosa como materia prima para fabricar moléculas o para impulsar la industria química es que las estructuras de los combustibles fósiles de los petroquímicos son muy diferentes; por lo general, están completamente reducidas, sin sustituciones de oxígeno. “, dijo Michelle Chang, profesora de química y de ingeniería química y biomolecular de UC Berkeley. “Las bacterias saben cómo fabricar todas estas moléculas complejas que tienen todos estos grupos funcionales sobresaliendo de ellas, como todos los productos naturales, pero fabricar petroquímicos que estamos acostumbrados a usar como precursores para la industria química es un desafío para ellas. . “
“Este proceso es un paso hacia la desoxigenación de estos productos microbianos y nos permite comenzar a fabricar cosas que pueden reemplazar a los petroquímicos, utilizando solo glucosa de la biomasa vegetal, que es más sostenible y renovable”, dijo. “De esa manera podemos alejarnos de los petroquímicos y otros combustibles fósiles”.
Las bacterias fueron diseñadas para producir cadenas de hidrocarburos de longitud media, lo que no se había logrado antes, aunque otras han desarrollado procesos microbianos para hacer cadenas más cortas y más largas, hasta aproximadamente 20 carbonos. Pero el proceso se puede adaptar fácilmente para hacer cadenas de otras longitudes, dijo Chang, incluidos los hidrocarburos de cadena corta utilizados como precursores de los plásticos más populares, como el polietileno.
Ella y sus colegas publicaron sus resultados esta semana en la revista. Química de la naturaleza.
Un bioproceso para producir olefinas
Los hidrocarburos fósiles son cadenas lineales simples de átomos de carbono con un átomo de hidrógeno unido a cada carbono. Pero los procesos químicos optimizados para convertirlos en productos de alto valor no permiten fácilmente la sustitución por precursores producidos microbianamente que están oxigenados y tienen átomos de carbono decorados con muchos otros átomos y moléculas pequeñas.
Para que las bacterias produzcan algo que pueda reemplazar a estos precursores de combustibles fósiles, Chang y su equipo, incluidos los coautores Zhen Wang y Heng Song, ex becarios postdoctorales de UC Berkeley, buscaron en las bases de datos enzimas de otras bacterias que pueden sintetizar hidrocarburos de cadena media. . También buscaron una enzima que pudiera agregar un grupo químico especial, ácido carboxílico, en un extremo del hidrocarburo, convirtiéndolo en lo que se llama ácido graso.
En total, los investigadores insertaron cinco genes separados en E. coli bacterias, lo que obliga a las bacterias a fermentar glucosa y producir el ácido graso de cadena media deseado. Las reacciones enzimáticas añadidas eran independientes u ortogonales de las propias vías enzimáticas de las bacterias, que funcionaban mejor que intentar modificar la compleja red metabólica de las bacterias.
“Identificamos nuevas enzimas que en realidad podrían producir estas cadenas de hidrocarburos de tamaño mediano y que eran ortogonales, por lo que las bacterias las separan de la biosíntesis de ácidos grasos. Eso nos permite ejecutarlas por separado y utiliza menos energía de la que usaría si se usara el vía de la sintasa nativa “, dijo Chang. “Las células consumen suficiente glucosa para sobrevivir, pero además, tienes tu camino masticando todo el azúcar para obtener conversiones más altas y un alto rendimiento”.
Ese paso final para crear un ácido graso de cadena media preparó el producto para una fácil conversión por reacción catalítica en olefinas, que son precursoras de polímeros y lubricantes.
El grupo de UC Berkeley colaboró con el grupo de Minnesota dirigido por Paul Dauenhauer, que demostró que una simple reacción catalítica ácida llamada catálisis ácida de Lewis (en honor al famoso químico de UC Berkeley Gilbert Newton Lewis) eliminaba fácilmente el ácido carboxílico de los productos microbianos finales. – Ácidos 3-hidroxioctanoico y 3-hidroxidecanoico – para producir las olefinas hepteno y noneno, respectivamente. La catálisis ácida de Lewis utiliza mucha menos energía que las reacciones redox que normalmente se necesitan para eliminar el oxígeno de los productos naturales para producir hidrocarburos puros.
“Las moléculas biorrenovables que hizo el grupo del profesor Chang eran materias primas perfectas para el refinado catalítico”, dijo Dauenhauer, quien se refiere a estas moléculas precursoras como biopetróleo. “Estas moléculas contenían suficiente oxígeno para que pudiéramos convertirlas fácilmente en moléculas más grandes y más útiles utilizando catalizadores de nanopartículas metálicas. Esto nos permitió ajustar la distribución de productos moleculares según fuera necesario, al igual que los productos convencionales del petróleo, excepto que esta vez usamos energías renovables recursos.”
El hepteno, con siete carbonos, y el noneno, con nueve, pueden emplearse directamente como lubricantes, craquearse a hidrocarburos más pequeños y usarse como precursores de polímeros plásticos, como polietileno o polipropileno, o ligados para formar hidrocarburos aún más largos, como los de las ceras y combustible diesel.
“Este es un proceso general para fabricar compuestos objetivo, sin importar la longitud de cadena que tengan”, dijo Chang. “Y no es necesario diseñar un sistema enzimático cada vez que desee cambiar un grupo funcional o la longitud de la cadena o qué tan ramificada está”.
A pesar de su hazaña de ingeniería metabólica, Chang señaló que el objetivo a largo plazo y más sostenible sería rediseñar completamente los procesos para sintetizar hidrocarburos industriales, incluidos los plásticos, de modo que estén optimizados para usar los tipos de productos químicos que los microbios normalmente producen, en lugar de alterar los productos microbianos para que encajen en los procesos sintéticos existentes.
“Hay mucho interés en la pregunta, ‘¿Qué pasa si miramos estructuras poliméricas completamente nuevas?'”, Dijo. “¿Podemos fabricar monómeros a partir de glucosa por fermentación para plásticos con propiedades similares a los plásticos que usamos hoy, pero no con las mismas estructuras que el polietileno o el polipropileno, que no son fáciles de reciclar?”.
El trabajo fue apoyado por el Centro de Polímeros Sostenibles, un Centro de Innovación Química apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (CHE-1901635). Otros coautores son Edward Koleski, Noritaka Hara y Yejin Min de UC Berkeley y Dae Sung Park y Gaurav Kumar de la Universidad de Minnesota.
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