Цивилизация
Группа биохимиков из Беркли сумела получить новую разновидность биотоплива, идентичного дизельному, модифицировав с помощью несложных катализаторов открытую сто лет назад технологию получения ацетона методом ферментации углеводов бактерией Clostridium acetobutylicum. Технологический процесс, описанию которого посвящена статья в новом номере Nature, относительно несложен, отличается дешевизной компонентов, а конечный продукт по энергоемкости превосходит биоэтанол, используемый как замена бензина в двигателях внутреннего сгорания.
Авторы статьи полагают, что уже через 5—10 лет полученный методом брожения биодизель начнет постепенно замещать традиционное дизельное топливо, получаемое в процессе перегонки нефти.
Процесс ферментации с участием бактерии Clostridium acetobutylicum, называемый также ABE-процессом по названию трех конечных продуктов брожения — ацетона, бутанола и этанола, был открыт накануне Первой мировой войны химиком Хаимом Вейцманом, будущим первым президентом Израиля и видным деятелем сионистского движения. ABE-брожение использовалось для получения ацетона, необходимого при синтезе кордита — разновидности нитроглицеринового бездымного пороха.
Впрочем, очень скоро про бактерии Вейцмана, не выдержавшие конкуренции с дешевеющей и доступной нефтью, на какое-то время забыли, но потом опять вспомнили во время Второй мировой войны, когда резко вырос спрос на синтетическую резину. В США последний завод, производивший ацетон и бутанол методом АВЕ-брожения, был закрыт в 1965 году: дешевое минеральное сырье вновь оказалось вне конкуренции.
Похоже, что очередной ренессанс интереса к «ацетоновой» бактерии вновь не за горами.
Новая технология производства биодизеля из растительного сырья и отходов целлюлозной промышленности была открыта почти случайно.
Сначала биохимики Харви Бланч и Даглас Кларк, работающие в Университете Калифорнии в Беркли, решили выяснить, есть ли более простые и энергетически менее затратные, чем применявшиеся до сих пор, методы раздельной дистилляции ацетона, бутанола и этанола из ферментированного бактерией Вейцмана «бульона». Поиски увенчались успехом: обнаружилось, что некоторые органические растворители, такие, например, как глицерил трибутират (трибутирин), могут избирательно экстрагировать из ферментированной смеси ацетон и бутанол, оставляя в ней большую часть этанола.
При этом трибутерин не токсичен для бактерий Clostridium, не вступает в реакцию с ферментированным субстратом, а процесс дистилляции с его участием идет при намного более низкой температуре, что дает экономию энергии в 90%.
Одновременно другой сотрудник Беркли биохимик Дин Тост экспериментировал с катализаторами, позволяющими получать из смеси ацетона, бутанола и этанола различные длинноцепочечные углеводороды, прежде всего кетоны, сходные по свойствам с содержащимися в дизельном топливе алканами.
Бланч и Кларк обратили внимание, что соотношение ацетона, бутанола и этанола в их дистилляте, полученном с помощью трибутирина, идеально подходит для запуска открытых Тостом каталитических реакций, превращающих этот «бульон» в смесь углеводородов, идентичную по свойствам дизельному топливу: этанол и бутанол, реагируя в присутствии катализаторов (палладия и фосфата калия), сначала превращаются в альдегиды, которые, в свою очередь, реагируют с ацетоном, присоединяя атомы углерода и выстраивая более длинные молекулы.
Регулируя параметры реакции, можно получать смесь из преимущественно «легких» или «тяжелых», а также более «ветвистых» углеводородов.
Соответственно, и биотопливо по своим свойствам будет напоминать больше бензин, дизель или керосин. Испытания показали, что биодизель, полученный ферментно-каталитическим способом, по свойствам и энергоэффективности аналогичен дизельному топливу, полученному из нефти.
Пока что стоимость такого биодизеля превышает стоимость традиционного, однако уже обещанная авторами замена палладиевого катализатора на более дешевый, а также дальнейшее ужесточение экологических норм в некоторых американских штатах, прежде всего в Калифорнии, позволяют с оптимизмом смотреть на будущее «бактериального» дизеля, который заменит минеральный в двигателях грузовиков, тепловозов и судов, то есть там, где электрические двигатели, эффективно работающие в легковых автомобилях, пока не могут заменить двигатели внутреннего сгорания.