Разберитесь! Как ученые делают топливо из растений
Когда вы утром едете в школу на автобусе, он, скорее всего, работает на дизельном топливе или бензине, которые производятся из нефти. Нефть - это ископаемое топливо, то есть она производится из разложившихся, окаменевших организмов - древних растений, планктона и водорослей, - которые миллионы лет покоились под поверхностью Земли.
Ископаемое топливо, такое как нефть, природный газ и уголь, добывается из недр земли и используется для движения автомобилей, отопления зданий и выработки электроэнергии. Нефть также используется для производства химических веществ на основе нефти (нефтехимии), которые входят в состав многих повседневных вещей, таких как подошвы ваших ботинок или пластиковая обивка сиденья школьного автобуса.
Ископаемое топливо хорошо тем, что оно очень энергетически плотное, то есть содержит много энергии на единицу объема. Это означает, что ископаемое топливо очень хорошо подходит для питания автомобилей и производства тепла. Не очень хорошая сторона ископаемого топлива заключается в том, что его запасы на Земле ограничены. Поскольку на образование ископаемого топлива уходят миллионы лет, в конечном итоге мы израсходуем его, прежде чем его станет больше. Кроме того, при сжигании ископаемого топлива или продуктов нефтехимии выделяется газ углекислый газ (CO2). CO2 известен как парниковый газ, поскольку он способен задерживать солнечные лучи внутри земной атмосферы, действуя подобно стеклянной крыше в теплице. Сжигание ископаемого топлива повышает концентрацию CO2 в атмосфере, что может привести к нарушению климата, в том числе к глобальному потеплению (1).
В связи с этими проблемами ученые и инженеры прилагают все усилия, чтобы найти новые виды топлива и химических веществ, которые не добавляют CO2в атмосферу и которые можно возобновить, когда запасы закончатся. Топливо и химикаты, отвечающие этим требованиям, называются "устойчивыми". В экологическом смысле материал является устойчивым, если он может использоваться в течение длительного времени, не истощаясь 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 одновременно возобновляемым и экологически чистым. Другими словами, биотопливо устойчиво.
Биотопливо обычно производится из растительных материалов, которые не могут быть съедены человеком, таких как стебли кукурузы, травы и древесная щепа. Биомасса - это другое название растительных материалов, которые используются для производства биотоплива. Когда биомассу собирают и перерабатывают, ученые могут расщепить и превратить растительные клетки в возобновляемое топливо или химикаты. 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 ныне живущих растений.
Подождите секунду. Если сжигание ископаемого топлива, которое производится из древней органической материи, накачивает CO2в атмосферу... Разве сжигание биотоплива не создает ту же проблему? К счастью, ответ отрицательный. При сжигании биотоплива действительно выделяется CO2но не забывайте, что растения, используемые в биотопливе, не древние - они жили на Земле в то же время, что и мы с вами. И если мы, люди, дышим кислородом, чтобы оставаться в живых, то растения вместо этого дышат CO2. Это означает, что, поскольку растения, используемые для производства биотоплива, потребляют CO2 в процессе роста, то при их сжигании не происходит общего увеличения количества CO2 в атмосфере при их сжигании. Они лишь заменяют собой то, что было поглощено. Кроме того, в отличие от нефти, мы всегда можем вырастить новые растения для биотоплива, когда они нам понадобятся.
Итак, если биотопливо устойчиво и экологически безопасно, 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. Дорогостоящие химические реакции означают дорогостоящее биотопливо и биопродукты, а большинство потребителей предпочитают выбирать обычный бензин или пластик, а не более дорогие "зеленые" продукты. Кроме того, некоторые биотопливные реакции требуют использования агрессивных химикатов, которые могут создавать свои собственные экологические проблемы, возвращая нас к тому, с чего мы начали, с точки зрения экологичности (2).
Чтобы понять, как растения превращаются в полезное топливо и химикаты, мы должны сначала понять, из чего они состоят. Стенки растительных клеток, на которые приходится почти весь вес растения, состоят из трех сложных молекул - целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина (рис. 1).
Первые две молекулы, целлюлоза и гемицеллюлоза, состоят из простых строительных блоков сахара, связанных между собой в компактную структуру, которую поддерживает третья молекула - лигнин (рис. 1). Все три сложные молекулы в растениях должны быть разделены на части, чтобы получить доступ к содержащимся в них строительным блокам сахара, которые затем могут быть преобразованы в биотопливо.
Один из способов расщепления биомассы - использование большого количества агрессивных химикатов для разрушения растительных тканей. Однако эти химикаты могут быть дорогими и даже токсичными (2). В идеале мы хотели бы упростить процесс разложения растений, чтобы не прибегать к таким химикатам.
Одним из возможных решений является использование растворителя - жидкости с химическими свойствами, которые позволяют ей растворять другие материалы... например, растения. Большинство из нас используют растворители каждый день, даже если не подозревают об этом. Например, вы используете воду в качестве растворителя каждый раз, когда моете руки или готовите горячий шоколад.
Иногда только определенный вид растворителя может справиться с задачей. Например, вода может растворить какао-порошок для приготовления горячего шоколада, но она не удалит лак для ногтей - для этого нужны химикаты, называемые ацетоном, или этилацетатом.
К сожалению, до недавнего времени исследователи в области энергетики не могли найти растворитель, который был бы (а) дешевым, (б) устойчивым и (в) хорошо справлялся с разрушением растений. Но теперь мы открыли очень интересный новый растворитель под названием γ-валеролактон (сокращенно ГВЛ), который может сделать производство биотоплива намного дешевле и эффективнее ( 3 ). ГВЛ - это такой интересный растворитель, потому что он не только дешевый, но и возобновляемый, так как производится из биомассы.
Мы обнаружили, что с помощью ГВЛ можно извлечь более 70 % исходных сахаров, запертых в плотной структуре биомассы, и получить простые сахара, которые гораздо легче превратить в топливо. Этот процесс показан на рисунке 2, где изображена химическая реакция, протекающая в биотопливном реакторе. Биотопливные реакторы - это металлические сосуды, в которых происходят реакции по переработке биотоплива. Они специально разработаны для того, чтобы выдерживать тепло, давление и воздействие химических веществ.
Два основных свойства ГВЛ делают его отличным растворителем для извлечения сахара:
(1) ГВЛ придает кислотам большую силу.
Для начала любой химической реакции необходимо, чтобы участвующие в ней компоненты (реактанты) собрали достаточное количество энергии. Наименьшее количество энергии, необходимое для запуска реакции, называется "энергией активации" (рис. 3). В обычных реакциях производства биотоплива большое количество кислот смешивается с водой, чтобы помочь расщепить биомассу. Это может занять некоторое время, особенно для очень жестких или древесных растений, но добавление GVL в реакцию дает кислотам большой энергетический толчок. Этот импульс помогает системе быстрее набрать энергию активации, поэтому реакция протекает быстрее ( 4, 5 ) (рис. 3).
Чтобы проиллюстрировать этот феномен, представьте, что две девушки, Джемма и Валери, собираются соревноваться друг с другом на вершине крутого холма. Обычно обе участницы должны стоять за стартовой линией, чтобы забег был честным. Но в этом забеге Джемме предоставлена большая фора: когда прозвучит сигнал, она начнет бежать с половины крутого холма, а Валери придется стартовать с самого низа. Как вы думаете, кто победит? Вы угадали - Джемма оказывается на вершине холма намного раньше Валери. Точно так же, как старт приближает Джемму к вершине холма в аналогии с бегом, ГВЛ приближает кислоту к точке реакции с биомассой, позволяя реакции протекать намного быстрее.
(2) GVL убирает лигнин с дороги.
Для растений лигнин действительно важен: он придает им форму и структуру, помогает расти здоровыми и сильными. Но для ученых лигнин - это просто неприятность. Это жесткая и упрямая молекула, которую очень трудно расщепить, и она мешает получению простых сахаров из молекул целлюлозы и гемицеллюлозы. Когда-нибудь ученые надеются, что смогут расщеплять сам лигнин для получения полезных веществ, но пока они просто хотят убрать его с дороги. GVL обладает необычной способностью растворять лигнин и не позволять ему блокировать главный приз - богатые энергией строительные блоки сахара.
Возможно, самое лучшее в ГВЛ то, что его можно перерабатывать. В конце реакции производства биотоплива жидкий CO2 можно добавить в реактор, чтобы разделить каждый реактив на отдельные слои (рис. 2). Вспомните бутылку с модной салатной заправкой: масло и уксус, вместо того чтобы смешиваться друг с другом, остаются совершенно отдельными, пока бутылку не встряхнут. Точно так же, когда CO2при добавлении в биотопливный реактор раствор ГВЛ и сахара становится похожим на салатную заправку. Сахар переходит в один слой и становится концентрированным (см. рис. 2), а ГВЛ образует свой отдельный слой. ГВЛ можно легко удалить и использовать снова, а сахарный раствор, который в итоге получается у ученых, примерно в пять раз более концентрированный, чем без ГВЛ. Такая повышенная концентрация очень важна, поскольку позволяет тратить меньше энергии на очистку конечного продукта, что делает весь процесс более эффективным и менее расточительным.
После удаления ГВЛ остается концентрированный - и очень полезный - раствор сахара. У ученых есть два варианта использования этого богатого энергией раствора:
- В ходе дальнейших химических реакций они могут преобразовывать сахара в другие полезные молекулы, которые используются для производства многих товаров, получаемых сегодня из нефтехимических продуктов. Это означает, что ГВЛ можно использовать для производства экологичных альтернатив пластику, мылу, краскам и многим другим обычным материалам.
- Они могут "кормить" сахаром микроорганизмы, такие как дрожжи или бактерии, которые затем метаболизируют его и производят топливо. В качестве примера можно привести биотопливо этанол: он может приводить в движение легковые и грузовые автомобили и другую технику почти так же эффективно, как бензин. Некоторые микроорганизмы с особым аппетитом относятся к сахару, полученному с помощью ГВЛ, поскольку он не содержит агрессивных химикатов, которые часто используются в других реакциях биотоплива. Тот факт, что микроорганизмы могут не только выживать, но и процветать на обработанных ГВЛ сахарах, означает, что ГВЛ подходит для использования в других биологических реакциях - не только химических. В данной работе микроорганизмы использовались для получения этанола в таких высоких концентрациях, что очистка этанола до пригодного для использования топлива обходилась не очень дорого.
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 с серьезными потерями для окружающей среды. Процесс производства биотоплива, отвечающий всем требованиям доступности, возобновляемости и устойчивости, может принести пользу и людям, и Земле. С открытием роли GVL в переработке биотоплива мы считаем, что стали на шаг ближе к устойчивому будущему.
