Un equipo de investigadores del Centro de Polímeros Sostenibles de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Con sede en la Universidad de Minnesota Twin Cities ha desarrollado una tecnología química de fermentación combinada y refinación química que puede producir líquidos similares al petróleo a partir de plantas renovables.
Estos líquidos renovables podrían servir como un reemplazo más sostenible de los combustibles fósiles actuales que se utilizan para fabricar productos cotidianos como envases y bolsas de plástico, piezas de automóviles, lubricantes y jabones.
El nuevo estudio realizado por científicos de la Universidad de California en Berkeley y la Universidad de Minnesota se publica en línea en Química de la naturaleza , una importante revista de química revisada por pares de Nature Publishing Group.
Ha sido difícil para los científicos utilizar plantas como fuente de plásticos porque en su mayoría están compuestas de azúcares que no se parecen en nada a las moléculas obtenidas del petróleo. El azúcar clave en las plantas es la glucosa, que contiene demasiado oxígeno y en seisEl carbono es demasiado pequeño para muchas aplicaciones importantes. Para utilizar plantas para fabricar nuevos materiales, ambos problemas deben resolverse: el proceso de conversión necesita eliminar los átomos de oxígeno de la glucosa y las moléculas deben combinarse para hacer productos más grandes.
Investigadores del Centro NSF de Polímeros Sostenibles descubrieron una tecnología óptima para hacer líquidos sostenibles similares a los obtenidos del petróleo mediante la combinación de dos tecnologías normalmente independientes. Primero, la glucosa obtenida de las plantas se fermentó con microbios para eliminar la mayor parte del oxígeno.En el segundo paso, los catalizadores de óxido metálico eliminaron el oxígeno restante y combinaron las moléculas para hacer una distribución útil de olefinas que son los componentes básicos de la industria química.
"Nuestra idea desde el principio fue que necesitábamos encontrar una molécula que pudiera fabricarse fácilmente con fermentación que pudiera eliminar la mayor parte del oxígeno de la glucosa", dijo Michelle Chang, profesora de Química e Ingeniería Química y Biomolecular en la Universidad de California en Berkeley.y líder del proyecto. "Optimizamos la química para aprovechar las capacidades únicas de la biología molecular, después de lo cual pudimos resolver el resto del problema con catalizadores de nanopartículas metálicas".
el grupo del profesor Chang desarrolló una variedad única de Escherichia coli que convirtió la glucosa en hidroxiácidos de ocho y 10 carbonos, que son moléculas con solo unos pocos átomos de oxígeno al final de la cadena. Los microbios se optimizaron mediante ingeniería genética para que puedan 'hacer crecer' estas moléculas a partir del azúcar.
Chang dijo que la molécula objetivo fue diseñada para dejar oxígeno en posiciones estratégicas para hacer que la conversión aguas abajo sea más eficiente para un grupo de investigadores dirigido por el profesor Paul Dauenhauer de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota.
"Las moléculas biorrenovables que hizo el grupo del profesor Chang eran materias primas perfectas para el refinado catalítico", dijo Dauenhauer, quien fue uno de los coautores del estudio de investigación. "Estas moléculas contenían suficiente oxígeno para que pudiéramos convertirlas fácilmente enmoléculas más grandes y útiles que utilizan 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 recursos renovables ".
El laboratorio de Dauenhauer en la Universidad de Minnesota examinó una amplia gama de catalizadores para demostrar que las moléculas de biopetróleo producidas por fermentación podrían convertirse en una variedad de sustancias químicas importantes. Los resultados incluyeron moléculas pequeñas para fabricar polímeros clave como el polietileno y el polipropileno utilizadosen productos como bolsas de plástico y moléculas de tamaño medio para fabricar materiales gomosos.
Aún más importante fue la capacidad de combinar moléculas de productos de fermentación para producir moléculas más grandes que pueden servir como base para la fabricación de moléculas similares al jabón para aplicaciones de limpieza y moléculas de cadena más larga para lubricantes. La variedad de productos posibles según el catalizador seleccionadoy las condiciones de reacción significan que la tecnología combinada de fermentación-catálisis se puede ajustar para fabricar casi la lista completa de materiales químicos sin procesar que se pueden usar en los procesos de fabricación, como el petróleo convencional pero con recursos biorrenovables.
El enfoque híbrido de fermentación combinada y refinación química tiene el beneficio de competir económicamente con los productos convencionales derivados de combustibles fósiles al mismo tiempo que mejora la sostenibilidad. Se integraron tecnologías para encontrar las técnicas de procesamiento de menor energía y menor costo que conducen a la eficiencia general más eficiente.método de fabricación de productos químicos.
"Este es un enfoque científico único para una nueva tecnología sostenible que fue facilitado por la investigación sinérgica que ocurre entre grupos de investigación dispares apoyados en el Centro NSF para Polímeros Sostenibles", dijo Marc Hillmyer, director del centro y profesor de química de la Universidad de Minnesota.. "El trabajo en equipo y el enfoque combinado en la resolución del problema produjeron un nuevo enfoque que no habría sido posible en ninguno de los grupos de investigación individuales".
"Este avance del Centro NSF para Polímeros Sostenibles demuestra una entrada verde verdaderamente innovadora en los componentes básicos de polímeros / plásticos valiosos", dijo el director de la División de Química de NSF, David Berkowitz. "Combinando inteligentemente la biología y la química, el equipo de Chang haabrió una nueva alternativa bio-renovable potencial al craqueo del petróleo. Estos resultados muestran cómo las inversiones de NSF en ciencia colaborativa e interdisciplinaria pueden impulsar el desarrollo de industrias químicas más sostenibles ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Minnesota . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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