Биобутанол: Биотопливо следующего поколения?

Его рекламируют как превосходное возобновляемое топливо, но выпуск биобутанола в промышленном масштабе осложняется радом факторов. Сейчас, однако, Dupont и BP объединились с целью развития и коммерциализации этого вида топлива. Это стало возможным в связи с заявлением ученых об усовершенствовании технологий переработки и создании бактерий, направленных на повышение рентабельности массового производства.

Автор Джессика Элберт

Конечно, это не абсолютная новость в процессе производства возобновляемого топлива. Фактически многие эксперты скажут, что ферментация сахаросодержащего сырья в бутанол значительно уступает этанолу. Во время первой и второй мировых войн заводы по производству биобутанола работали во многих странах, включая Соединенные штаты, Великобританию, Китай, Россию, Южную Америку и Индию. 
Эти заводы были созданы, чтобы использовать ферментирующие способности микроорганизмов в приготовлении ацетона из такого сырья как меласса и кукурузный крахмал. Ацетон использовался для производства бездымного пороха и ракетного топлива. Интересно, что ацетон был не единственным продуктом ферментации. Этанол производился в малых количествах, основным продуктом производства был бутанол.
Начиная с 1960х годов развитие нефтяной промышленности и более дешевая стоимость производства бутанола из нефтепродуктов, по сравнению с возобновляемым сырьем, сделала производство бутанола на биооснове ненужным. Последний значимый рудимент той индустрии, завод в Южной Африке, прекратил свою деятельность в 1980х. Но повышающиеся цены на нефть и беспокойство о климатических изменениях и национальной безопасности способствовали возобновлению интереса к биобутанолу, возникновению исследований и развитию этой отрасли производства. Хотя первая цель использования спирта – это решение промышленных задач, биобутанол также имеет ряд преимуществ перед этанолом как моторное топливо. Так как молекула содержит четыре углерода по сравнению с этанолом, эти дополнительные химические связи выделяют больше энергии при сгорании. К тому же бутанол менее летуч по сравнению с этанолом, он может быть использован как 100% смесь без изменений в двигателях внутреннего сгорания, он не смешивается с водой, как этанол, соответственно, может транспортироваться по имеющемуся трубопроводу, и он более устойчив к низким температурам. «Бутанол - превосходное топливо», – говорит Насиб Куренши, инженер-химик исследовательской группы при министерстве сельского хозяйства США в Приори, Иллинойс. «Из-за растущих цен на топливо он кажется более эффективным, чем этанол, и более эффективным, чем бензин». 
Похоже некоторые влиятельные фигуры в энергетическом бизнесе с ним согласны. В 2006 BP и Dupont объявили о совместной деятельности по выпуску передового биотоплива, обозначив своей главной целью биобутанол. Прошедшей весной компании объявили о результатах тестирования топлива, включая данные о том, что 16% биобутаноловая смесь действует так же, как и 10% этаноловая смесь; что смеси с большим содержанием бутанола также показали себя с лучшей стороны; что плотность энергии биобутанола ближе к неэтилированному бензину; что биобутанол не смешивается с водой. «Биобутанол направлен на удовлетворение рыночного спроса на топливо, которое можно производить из внутренних возобновляемых ресурсов в больших объемах и по разумной цене; топливо, которое может быть использовано в существующих транспортных средствах и инфраструктуре; топливо, которое гарантирует потребителям хорошее качество; топливо, которое удовлетворяет потребности развивающейся техники», – говорит Франк Гэрри, менеджер биотопливных программ компании BP.
Ранее в этом году компании заявили, что в рамках партнерства велась разработка бутанола-1 и бутанола-2. (Последний называется изомером бутанола, потому что хотя он содержит 4 углерода, атомы спирта расположены в ином порядке.) Цель партнерства – разработать к 2010 году процесс биобутанолового производства экономически равный процессу производства этанола. В настоящий момент компании подали заявки на более чем 60 патентов в областях биологии, ферменто-обработке, химии и конечном использовании биобутанола.
Проблема улучшения технологии процесса и микроорганизмов, которые осуществляют ферментацию, также являются движущей силой научных и правительственных исследований. Например, Куреши изучал процесс биобутанолового производства более 20 лет. Он приехал в Соединенные штаты из Новой Зеландии, чтобы разработать мембранный процесс для более эффективного получения бутанола из ферментационной среды. Он также работал над получением эффективных бутаноловых биореакторов. В последние годы, однако, его исследование получило новое направление. Оно сфокусировано на оптимизации процесса для более экономичных веществ, таких, как солома пшеницы, ячменя, проса, фураж. «Мы должны двигаться в сторону более экономичного сырья», – говорит Куреши, – «но это не так просто, как кажется». 
Прежде всего, в микробиологическом процессе ферментации бутанола есть одна парадоксальная особенность: хотя бутаноло-образующая бактерия создает энзимы, которые конвертируют простые сахара в алкоголь, сам бутанол токсичен для этих микробов. Результатом такого бутанолового ингибирования является низкая концентрация спирта в ферментирующей среде, что приводит к снижению выхода бутанола и увеличению издержек производства. Это проблемы, которые возникают при использовании высокоочищенного сырья. Когда используется более дешевое биосырье, дополнительные бактериальные ингибиторы вырабатываются на стадии предварительной обработки.
Развиваются стратегии по снижению токсичности бутанола и увеличению выхода, включая несколько интегрированных уровней в процессе управления микробиологическими культурами. «Мы достигли больших успехов с сырьем, а также в удалении ингибиторов и отделении продукта», – говорит Куреши. Общий процесс, который команда Куреши разработала для производства бутанола из сельскохозяйственных отходов, включает четыре этапа: первоначальная обработка, которая раскрывает оболочку клеточной структуры и удаляет лингин; гидролиз гемицеллюлозы и целлюлозы на простые гексозные и пентозные сахара, используя энзимы; ферментация простых сахаров в бутанол, используя чистую культуру Clostridium beijerinckii P206, анаэробные бактерии; получение бутанола. Уникальная характеристика процесса состоит в том, что последние три этапа сочетаются и осуществляются в одном реакторе. «Мы интегрировали процесс, и он оказался достаточно продуктивным с экономической точки зрения», – говорит Куреши. Его команда сейчас занимается получением патента на этот процесс. 
К тому же Куреши сотрудничает с Ларсом Ангенентом, специалистом в области окружающей среды Вашингтонского университета, также как и с другими специалистами Исследовательского подразделения министерства сельского хозяйства США, чтобы повысить рентабельность этапа гидролиза. Идея состоит в том, чтобы заменить необходимые энзимы, которые зачастую дорого стоят, на смешанную культуру микроорганизмов. «Принцип работы моей лаборатории – это изучение неопределенных смешанных культур и изучение того, что они могут сделать», – объясняет Ангенент. В сотрудничестве с Куреши, Ангенент будет использовать микробы, собранные из осадка в метантенке, и микробы из овечьего рубца, чтобы ферментировать предварительно обработанные волокна кукурузы в масляную кислоту – химический элемент, обнаруженный в прогорклом масле, сыре пармезан и рвотной массе. Полученное решение будет отправлено в лабораторию Куреши, где будет ферментировано в бутанол при помощи монокультуры Clostridium.
Сотрудничество находится еще в периоде становления, оно финансируется грантом в 425000 долларов, полученным от министерства сельского хозяйства США. В настоящее время команда Ангенента работает над оптимизацией производства масляной кислоты, изменяя такие условия, как pH и температура. «Мы стараемся заставить сообщество производить один продукт через другой», – объясняет он. Когда условия будут благоприятны для производства масляной кислоты в значительных количествах, Куреши примет руководство на себя. 

Создание бактерий, ферментирующих бутанол.
В то время как исследование под руководством Куреши и Ангенента подразумевает оптимизацию бутанолового производства посредством микроорганизмов, которые производят его, группа химиков и биотехников из Калифорнийского университета, Лос Анжелес, недавно предложили новый подход. В последнем выпуске журнала «Nature» члены группы под руководством Джеймса Лиао описали, как они генетически модифицировали известную бактерию, кишечную палочку (Escherichia coli), в хорошо синтезированный бутанол, молекулу, которую она при обычных условиях не производит. 
Члены группы убеждают, что для выполнения этого они могут перенаправить процесс метаболита, осуществляемый кишечной палочкой для производства аминокислот, строительного материала для белка. Перенаправить на тот путь, чтобы в результате производился бутанол. «Процесс биосинтеза аминокислот хорошо изучен в кишечной палочке», – объясняет Лиао. Используя это знание, команда Лиао вводит два гена в геном кишечной палочки: один из бактерии, участвующей в производстве сыра, а другой из дрожжей. Эти гены ответственны за белки, которые конвертируют кетокислоты, компоненты метаболического пути биосинтеза аминокислот, в бутанол. В довершение к этому, через подавление проявления других генов и изменяя некоторые белки в процессе метаболизма, Лиао сумел довести эффективность процесса до возможности использовать его в промышленных масштабах. «Используя эти два приема, мы можем направить поток в желаемое русло», – говорит он. «Нам удалось получить изобутанол очень быстро и увеличить титр через несколько месяцев».
Эта технология такая многообещающая, что корпорация «Гево» (“Gevo”), компания по производству биотоплива, в Пенсильвании, Калифорния, объявила, что они приобрели эксклюзивную лицензию на коммерциализацию процесса Лиао. В настоящее время компания пропорционально увеличивает технологию и рассматривает вопрос, стоит ли развивать свои планы и строить завод по производству бутанола. 
Лиао тем временем работает над конвертированием целлюлозных отходов в изобутанол и пытается перенести разработанный подход на другие бактерии. «Мы очень воодушевлены перспективой проекта», – говорит он.

Джессика Элберт, штатный автор «Biomass Magazine».