细菌用于制造增压火箭燃料

将石油转化为燃料包括原油化学第一个人类在1800年代发明的。与此同时,细菌生产碳基能源分子几十亿年了。你认为哪个是更好的工作吗?

生物学提供清楚的优势,为首的一群生物燃料专家劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的灵感来自一个非凡的抗真菌的分子链霉菌属细菌来开发一个完全新型的燃料预计的能量密度大于今天最先进的重型燃料使用,包括NASA所使用的火箭燃料。

“这生物合成途径提供了一个高度高能量燃料的清洁路线,这项工作之前,只能从石油生产使用剧毒的合成过程中,“项目负责人表示,Jay Keasling合成生物学先驱和能源部的首席执行官联合生物能源研究所(JBEI)。”这些燃料会产生细菌与植物——美联储是由二氧化碳从大气中,燃烧在发动机将大大减少温室气体添加量相对于任何燃料来自石油。”

这些燃料的不可思议的能源潜力候选分子,称为POP-FAMEs (polycylcopropanated脂肪酸甲基酯),来自他们的基本化学结构。Polycylcopropanated分子包含多个三角形的3个碳环,迫使各碳碳键成60度角。这个紧张的债券的势能转化为更多的能量比可以实现燃烧的大环结构或碳碳链通常发现在燃料。此外,这些结构使燃料分子紧紧地包在一起,体积小,提高质量,因此总能量,适合在任何给定的燃料罐。

”与石化燃料,得到一种汤不同的分子,你不有很多的精细控制这些化学结构。但是我们用很长一段时间,我们设计了我们所有的引擎运行在石油衍生品,”Eric Sundstrom说,一个作家论文描述流行燃料候选人发表在《焦耳在伯克利实验室,研究科学家先进的生物燃料和Bioproducts过程开发单位(ABPDU)。

“这背后的大财团工作,Co-Optima,资助思考不仅仅是重新创建相同的燃料biobased原料,但如何使具有更好性能的新型燃料,“Sundstrom说。“这导致的问题是:什么样的有趣结构生物学能让石化不能使?””

寻找戒指(s)

科斯林加州大学伯克利分校的教授,同时也是,他的眼睛在环丙烷分子很长一段时间。他搜遍了有机化合物3个碳环的科学文献,发现只有两个著名的例子,都由链霉菌属细菌生长在实验室环境中几乎是不可能的。幸运的是,一个分子的研究和基因分析由于其抗真菌特性的兴趣。在1990年发现,自然产品命名jawsamycin,因为它前所未有的5环丙烷环使它看起来像一个下巴尖尖的牙齿。

科斯林的团队,由JBEI和ABPDU科学家,研究了从原始菌株的基因(roseoverticillatus)编码jawsamycin-building酶和深深入相关的基因组链霉菌属,寻找酶的结合可以与jawsamycin分子的露齿环而跳过的其他部分结构。像贝克重写食谱发明完美的甜点,团队希望混音现有细菌机械与ready-to-burn燃料属性创建一个新的分子。

第一作者Pablo Cruz-Morales能够组装所有必要的成分使POP-FAMEs后发现新的cyclopropane-making酶的菌株美国albireticuli。“我们在成千上万的基因组搜索途径,自然使我们所需要的。这样我们避免了工程可能会或可能不会工作,用大自然的最佳解决方案,“Cruz-Morales说,诺和诺德基金会高级研究员Biosustainability中心丹麦科技大学与酵母的首席调查员天然产物实验室与科斯林。

不幸的是,细菌没有合作时的生产力。在土壤各大洲,无处不在链霉菌属以能力不同寻常的化学物质。“很多今天使用的药物,如免疫抑制剂、抗生素、抗癌药物,是由工程链霉菌属。”Cruz-Morales说。“但他们非常任性,他们不是很高兴与在实验室里工作。他们有才华,但它们提婆。“当两个不同的设计链霉菌属未能POP-FAMEs充足的、他和他的同事们不得不复制他们的新基因簇排列成一个更“驯服”相对。

由此产生的脂肪酸包含七环丙烷环链碳骨架,fuelimycins赚他们的名字。这些分子在生物柴油生产过程类似,只需要一个额外的化学前处理步骤可以作为燃料。

现在我们烹饪与环丙烷

虽然他们还没有产生足够的燃料的候选分子实地测试——“你需要10公斤的燃料来做一个测试在一个真正的火箭发动机,我们没有,”Cruz-Morales笑着解释说,他们能够评估科斯林对能量密度的预测。

太平洋西北国家实验室的同事们分析了POP-FAMEs与核磁共振光谱证明难以捉摸的环丙烷环的存在。和合作者的桑迪亚国家实验室,利用电脑模拟来预测化合物如何执行与传统燃料相比。

仿真数据表明,流行燃料候选人在室温下是安全的,稳定的,能量密度的值超过50磅的炮弹化学处理后每升。普通汽油每公升的值为32磅的炮弹,JetA,最常见的喷气燃料,一国,能火箭燃料,大约有35人。

他们的研究过程中,研究小组发现他们的POP-FAMEs结构非常接近实验以石油为原料的火箭燃料称为Syntin发达国家在1960年代由苏联太空总署和用于几个成功的联盟号火箭发射在70年代和80年代。尽管其强大的性能,Syntin制造业停止由于高成本和不愉快的过程:一系列的合成反应与有毒副产品和一个不稳定的,爆炸性的中间。

“尽管POP-FAMEs Syntin结构相似,很多人优越的能量密度。允许更高的能源密度低的燃料量,在火箭可以允许增加有效载荷和减少碳排放总量,”作者亚历山大Landera说桑迪亚的科学工作人员。一个团队的下一个目标创建一个过程删除每个分子上的两个氧原子,增加重量,但没有燃烧的好处。“当融入喷气燃料,妥善POP-FAMEs缺氧的版本可以提供类似的好处,“Landera补充道。

概念验证论文出版以来,科学家们已经开始工作进一步增加细菌的生产效率产生足够的燃烧测试。他们也在研究如何修改生产工艺等途径来创建polycyclopropanated分子不同的长度。“我们致力于优化链长针对特定的应用程序,“Sundstrom说。“长链燃料固体,适合某些火箭燃料的应用,为喷气燃料短链可能会更好,中间可能diesel-alternative分子。”

作者科琳Scown, JBEI Technoeconomic主任分析,能量密度补充道:“一切都在航空和火箭这就是生物学可以发光。团队可以制造燃料分子根据我们所需要的应用程序在这些快速发展的行业。”

最终,科学家希望工程师的过程变成一个主力细菌菌株能够产生大量的流行分子植物浪费食物来源(如不能食用的农业残留物和刷清除火灾预防),可能使最终无碳燃料。

了一些环保的太空旅行是谁?

这项工作是由美国能源部科学办公室办公室能源效率和可再生能源。JBEI是科学生物能源研究中心的办公室。

参考:殷Cruz-Morales P, K, Landera, et al . polycyclopropanated高能生物燃料的生物合成。焦耳。2022年。doi:10.1016 / j.joule.2022.05.011

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