Što se krije iza „bakterijskog goriva“?

Nedavno je na ovim mrežnim stranicama osvanula vijest da su znanstvenici uspjeli uzgojiti bakterije koje proizvode avionsko gorivo. Kakva se kemija (i biokemija) krije iza toga?

Nenad Raos subota, 13. kolovoza 2022. u 05:30

Biodizel nije – kao što neuki misle – jestivo, biljno ulje uliveno u dizelski motor. Da bi se od ulja dobio biodizel, ulje treba transesterificirati, to jest prevesti ga iz jednog u drugi ester masnih kiselina. Ulja i masti su naime esteri trovalentnog alkohola glicerola (trigliceridi masnih kiselina) dok je biodizel smjesa estera masnih kiselina s jednovalenim alkoholom, metanolom ili etanolom. Po kemijskom sastavu biodizel najviše nalikuje vosku, jer je masna tvar od koje pčele grade saće u najvećem dijelu ester palmitinske kiseline i miricilnog alkohola, CH3(CH2)28CH2OH.

Kako bilo da bilo smjesa estera masnih kiselina, alias biodizel, ne može postići energetsku vrijednost ugljikovodika, običnog dizelskog goriva. Razlog tome nalazimo u strukturi njihovih molekula jer one uz ugljikovodični lanac (-CH2-CH2- s nešto -CH=CH-) sadrže i estersku skupinu, -CO-O-C-. Esterska skupina sadržava dva već napola oksidirana ugljikova atoma, pa se od njih može dobiti jako malo energije. Stoga nas ne treba čuditi da je veliko zanimanje javnosti izazvao članak objavljen u časopisu Joule iz kojeg se može pročitati o pronalasku baš takvog goriva, goriva koje se svojom energeskom vrijednošću od 50 MJ/L može ne samo mjeriti s avionskim gorivom (kerozinom) nego ga i nadmašuje.

 Naslov rada, što ga je napravila međunarodna skupina znanstvenika iz Kine, Europe i Sjedinjenih Država, „Biosynthesis of polycyclopropanated high energy biofuels“ govori sam za sebe: radi se o proizvodnji biotehnološkim metodama (biosintezi) goriva temeljenih na polimerima ciklopropana. O čemu je riječ?

Riječ je, sasvim jednostavno, o esterima masnih kiselina, no masnih kiselina (R-COOH) u čijem se alifatskom dijelu molekule (R) nalaze povezani tročlani prsteni ciklopropana. Ti prsteni imaju oblik jednakostraničnog trokuta, a u jednakostaničnom trokutu, zna se, svi kutevi iznose 60o. No kako kut između ugljkovih atoma mora biti jednak tetraedarskom kutu (109,5o), u molekuli se stvara napetost koja je destabilizira. Tu je pojavu još u 19. stoljeću, na cikloalkanima, otkrio njemački kemičar Johann von Baeyer pa je po njemu dobila ime – Baeyerov napon.

Zbog tog napona kemičari su dugo misliti da nije moguće sintetizirati molekule s tročlanim i četveročlanim prstenom, dok ih drugi kemičari, početkom osamdesetih godina 19. stoljeća, nisu uvjerili u suprotno. Još su se više iznenadili kada su tročlani, ciklopropanski prsten pronašli u živoj prirodi, recimo u molekuli piretrina iz buhača, koju je istraživao naš nobelovac Leopold Ružička, ili u molekuli 1-aminociklopropan-1-karboksilne kiseline, prekursora biljnog hormona rasta (etilena).

No vratimo se ciklopropanu. Za pucanje jednostruke veze dvaju ugljikovih atoma treba utrošiti energiju od 348 kJ/mol (25 MJ/kg), no za pucanje veze C-C u molekli ciklopropana treba utrošiti 309 kJ/mol (22 MJ/kg), upravo zbog napetosti prstena. Ta se razlika energije (39 kJ/mol ili 3 MJ/kg) na kraju vraća u obliku uvećane energetske vrijednosti goriva. Stoga se već duže vrijeme istražuju goriva čije molekule sadrže ciklopropanske prstene i druge napete strukture. Među njima su i policiklopropanirane masne kiseline (polycyclopropanated fatty acids, POP-FA), o kojima je riječ u tom radu.

Kao što rekoh, ciklopropanski prsten teško dobivamo u laboratoriju, ali ga lako nalazimo u prirodi. Stoga ni biosinteza POP-FA nije neka novost, novost je jedino u tome što je metodama genskog inženjerstva ona poboljšana: autori spomentog rada uspjeli su uzgojiti sojeve bakterije vrste Streptomyces coelicolor koje proizvode i do 22 puta više tih masnih kiselina od drugih sojeva. To su uspjeli postići udvajanjem gena za njihovu sintezu, no i manipulacijom gena koji kodiraju enzim acetil-CoA-ligazu, kako bi usmjerili sintezu od običnih masnih kiselina prema policiklopropaniranima, POP-FA. Uspjeli su izdvojiti četiri masne kiseline tipa POP-FA (fuelimicin A, B, C i D), od kojih su potom prevođenjem u metilni ester proizveli avionsko gorivo.

Ma koliko se činilo fenomenalnim da bakterije mogu proizvoditi gorivo za mlazne zrakoplove i rakete, sve je to još daleko do tehnološke primjene. Da bi se proizvodnja isplatila, trebalo bi postići proizvodnu cijenu manju od dolara po litri. Drugim riječima, trebalo bi proizvesti 0,3 grama goriva iz jednog grama šećera, jer se bakterije hrane upravo šećerom (glukozom).

U cijenu goriva ulazi dakako i cijena glukoze, ali treba paziti i na njezin ugljični otisak, pa će na proizvodnju novog goriva mnogo utjecati kako se i odakle dobiva hrana za bakterije. Glukoza se ponajviše dobiva iz kukuruznog škroba, ali bi se mogla proizvoditi iz celuloze, što je svakako najizdašnija i najjeftinija sirovina. No na to ćemo trebati pričekati – dok se tehnolozi ne domisle kako da uz mali trošak pretvore cjepanicu u šećerni sirup.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor stotinjak znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je glavni urednik mrežnih stranica Panopticum. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.

📢 Windows 11

ACER Aspire 3

Ryzen 5 3500U, 12GB, 512GB SSD, Radeon Graphics, 15.6“ LED FHD, Windows 11.

3.999kn 530,76 € Kupi

📢 Windows 11

HP 255 G8

Ryzen 3 5300U, 8GB, 256GB SSD, Radeon Graphics, 15.6" LED FHD, Windows 11.

3.299kn 437,85 € Kupi

📢 12 rata bez kamata

ASUS ROG

Serija laptopa za najbolji gaming doživljaj. Pretvara svaku igru u realistično iskustvo.

Od 12339kn Kupi


HI-FI EXPERIENCE WEEK

KEF

Od 28.11. do 16.12. 2022. posjeti našu slušaonu na Zagrebačkom Velesajmu i uživaj u KEF Wireless aktivnim zvučnicima.

Kupi

2 1/2-stazni podni zvučnici

REVEL F35

Sposobnost pružanja performansi dostojnih najzahtjevnijih sustava za zabavu, 35-20,000Hz, 6 Ohma, 90 dB, 30-180W.

15.999 kn 2.123,43 € Kupi

ANC naglavne slušalice

KEF Mu7

Čist, precizan zvuk visoke razlučivosti, intuitivne kontrole na dodir, jasno snimanje glasa, do 40 sati reprodukcije, Bluetooth 5.1.

2.999 kn 398,04 € Kupi