Yeni sistem, mayanın endüstriyel toksinlerden kurtulmasına yardımcı olarak bitki şekerini yakıta fermente etme sürecini kolaylaştırıyor.
Amerika Birleşik Devletleri’nde diğer mahsullerden daha fazla mısır yetiştirilmektedir, ancak biz bitkinin yalnızca küçük bir bölümünü gıda ve yakıt üretimi için kullanıyoruz; insanlar çekirdekleri hasat ettikten sonra, yenmeyen yapraklar, saplar ve koçanlar geride kalır. Mısır sobası adı verilen bu bitki maddesi, mısır taneleri gibi verimli bir şekilde etanole fermente edilebiliyorsa, ocak, büyük ölçekli, yenilenebilir bir yakıt kaynağı olabilir.
Whitehead Enstitüsü Üyesi ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) biyoloji profesörü Gerald Fink, “Petrol ölçeğinde soba çok büyük miktarlarda üretiliyor” dedi. Ancak biyoyakıt ve diğer önemli kimyasalları üretmek için bunları ucuza kullanmanın muazzam teknik zorlukları var.”
Ve böylece, yıldan yıla, odunsu mısır malzemesinin çoğu çürümeye tarlalarda bırakılır.
Şimdi, Fink ve MIT kimya mühendisliği profesörü Gregory Stephanopolous’un MIT doktora sonrası araştırmacı Felix Lam liderliğindeki yeni bir çalışması, bu yeterince kullanılmayan yakıt kaynağından daha verimli bir şekilde yararlanmanın bir yolunu sunuyor. Ortak maya modelini çevreleyen büyüme ortamı koşullarını değiştirerek, ekmek mayası Saccharomyces cerevisiaeve bir toksin yok edici enzim için bir gen ekleyerek, mısır taneleri gibi tipik etanol kaynakları ile neredeyse aynı verimlilikte odunsu mısır materyalinden etanol ve plastikler oluşturmak için mayayı kullanabildiler.
Sorunu şekerleme
Biyoyakıt endüstrisi yıllardır mısır tanelerindeki şekerleri glikoz, fruktoz ve sakarozu etanole dönüştürmek için maya gibi mikroorganizmalara güvendi ve daha sonra arabalarımıza yakıt sağlamak için geleneksel benzinle karıştırıldı.
Mısır sobası ve diğer benzer malzemeler de selüloz adı verilen bir molekül şeklinde şekerle doludur. Bu şekerler de biyoyakıta dönüştürülebilirken, bitkiler onlara sıkıca tutunduğu, selüloz moleküllerini zincirler halinde birbirine bağladığı ve lignin adı verilen lifli moleküllere sardığı için bu daha zordur. Bu sert muhafazaların parçalanması ve şeker zincirlerinin sökülmesi, geleneksel fermantasyon mikroorganizmalarının sindirmesi zor olan kimyasal bir karışımla sonuçlanır.
Etanol üretim tesislerinde çalışanlar, organizmalara yardımcı olmak için, mayanın onları fermente edebilmesi için bu karmaşık molekülleri parçalamak için yüksek selülozlu materyali asidik bir solüsyonla ön işleme tabi tutar. Ancak bu tedavinin bir yan etkisi, maya için toksik olan aldehit adı verilen moleküllerin üretilmesidir. Araştırmacılar geçmişte aldehitlerin toksisitesini azaltmak için farklı yollar araştırdılar, ancak tüm sürecin sıfıra yakın maliyetli olması gerektiği düşünüldüğünde çözümler sınırlıydı. Lam, “Bu, kelimenin tam anlamıyla yaktığımız bir şey olan etanol yapmaktır” dedi. “Kirli ucuz olmalı.”
Bu ekonomik ve bilimsel sorunla karşı karşıya kalan endüstriler, selüloz açısından zengin malzemelerden etanol üretmeyi azalttı. “Bu toksinler, biyoyakıtları düşük maliyetle üretmenin en büyük sınırlamalarından biridir.” MIT’de Willard Henry Dow Kimya Mühendisliği Profesörü olan Gregory Stephanopoulos dedi.
Mayaya yardım eli uzatmak
Toksin sorununu çözmek için araştırmacılar, sert molekülleri parçalamak için asit eklendiğinde üretilen aldehitlere odaklanmaya karar verdiler. “Aldehitlerin mikroplara saldırdığı mekanizmayı tam olarak bilmiyoruz, o halde asıl soru şuydu, neye saldırdığını gerçekten bilmiyorsak sorunu nasıl çözeceğiz?” dedi Lam. “Bu yüzden bu aldehitleri kimyasal olarak alkol formlarına dönüştürmeye karar verdik.”
Ekip, aldehitleri alkollere dönüştürmekte uzmanlaşmış genleri aramaya başladı ve GRE2 adlı bir gene ulaştı. Yönlendirilmiş evrim adı verilen bir süreçle geni daha verimli hale getirmek için optimize ettiler ve ardından onu tipik olarak etanol fermantasyonu için kullanılan mayaya soktular. Saccharomyces cerevisiae. Evrimleşmiş GRE2 genine sahip maya hücreleri aldehitlerle karşılaştığında, fazladan hidrojen atomları bağlayarak bunları alkollere dönüştürebildiler.
Sonuçta ortaya çıkan yüksek seviyelerde etanol ve selülozdan üretilen diğer alkoller geçmişte bir sorun teşkil etmiş olabilir, ancak bu noktada Lam’in geçmiş araştırması devreye girdi. Lam, Stephanopoulos ve Fink’in 2015 tarihli bir makalesinde, araştırmacılar, daha az mayadan daha fazla miktarda yakıt üretmek için mayayı çok çeşitli alkollere daha toleranslı hale getirmek için bir sistem geliştirdiler. Bu sistem, hücre zarını kimyasal olarak stabilize eden mayanın büyüme ortamındaki pH ve potasyum seviyelerinin ölçülmesini ve ayarlanmasını içeriyordu.
Lam, bu yöntemi yeni modifiye edilmiş mayalarıyla birleştirerek, “esas olarak aldehit problemini daha önce üzerinde çalıştığımız alkol problemine kanalize ettik” dedi. “Aldehitleri nasıl kullanacağımızı bildiğimiz bir forma dönüştürdük ve detoksifiye ettik.”
Sistemi test ettiklerinde, araştırmacılar mısır sobası, miscanthus ve diğer bitki maddelerinden etanol ve hatta plastik öncüleri verimli bir şekilde yapabildiler. Fink, “Sistemimizi kullanarak birim malzeme başına yüksek hacimli etanol üretebildik” dedi. “Bu, bunun selüloz bakımından zengin bitki materyallerinden yakıt oluştururken ortaya çıkan kimyasal ve ekonomik sorunlara uygun maliyetli bir çözüm olması için büyük bir potansiyel olduğunu gösteriyor.”
Ölçeklendirme
Alternatif yakıt kaynakları, ülke çapında uygulanması söz konusu olduğunda genellikle zorluklarla karşılaşır; Örneğin elektrikli arabalar, gazlı araçlara uygulanabilir bir alternatif olabilmek için ülke çapında bir şarj altyapısı gerektirir.
Araştırmacıların yeni sisteminin önemli bir özelliği, altyapının zaten yerinde olması; etanol ve diğer sıvı biyoyakıtlar mevcut benzinli araçlarla uyumludur, bu nedenle otomotiv filosunda veya tüketici yakıt doldurma alışkanlıklarında çok az değişiklik gerektirir veya hiç değişiklik gerektirmez. “Hemen şimdi [the US produces around] Yılda 15 milyar galon etanol, yani çok büyük bir ölçekte” dedi. “Bu, milyarlarca dolar ve onlarca yıllık altyapı olduğu anlamına geliyor. Eğer buna bağlanabilirseniz, pazara çok daha hızlı ulaşabilirsiniz.”
Ve mısır sobası, birçok yüksek selülozlu malzeme kaynağından sadece biridir. Gümüş otu olarak da bilinen buğday samanı ve miscanthus gibi diğer bitkiler son derece ucuza yetiştirilebilir. Lam, “Şu anda bu ülkedeki ana selüloz kaynağı mısır sobası” dedi. “Ama artık tüm bu petrol bazlı kimyasalları sürdürülebilir bir şekilde üretebildiğiniz için selüloza talep varsa, o zaman umarım çiftçiler miscanthus ve tüm bu süper yoğun samanları ekmeye başlarlar.”
Gelecekte araştırmacılar, tipik yakıt yakan motorlarda kullanılabilecek dizel gibi çeşitli biyoyakıt türleri oluşturmak için bu anti-toksin genleriyle mayaları değiştirme potansiyelini araştırmayı umuyorlar. “Eğer yapabilirsek [use this system for other fuel types]Lam, “Bunun, başka bir elektrik veya yaymayan çözümü olmadığı için kirletmeye devam eden gemiler ve ağır makineler gibi sektörlere hitap etmek için büyük bir yol kat edeceğini düşünüyorum.” Dedi.
Referans: 25 Haziran 2021, Bilim Gelişmeleri.
scitechdaily.com
Source link