Poslednjih decenija naučnici su tražili rešenja za poboljšanje održive proizvodnje biogoriva iz obnovljivih izvora. Najnoviji napredak u ovoj oblasti najavljen je krajem maja od strane brazilskih istraživača i mogao bi da podstakne proizvodnju održivih biogoriva za avijaciju i pomorstvo.
„Posle tri i po godine istraživanja, identifikovali smo enzim koji može da zameni tradicionalne katalizatore koji se koriste u termohemijskim putevima za proizvodnju biokerozina u vazduhoplovstvu“, rekla je Leticia Zanphorlin, glavni istraživač za projekat i šef Brazilske nacionalne laboratorije za bioobnovljive izvore ( LNBR) u Brazilskom nacionalnom centru za istraživanje energije i materijala (CNPEM).
Enzim koji je otkrila CNPEM grupa je OleTP RN, polinezasićena dekarboksilaza koja proizvodi alken i pripada superfamiliji citokroma P450.
Ovaj metaloenzim dobijen iz bakterije Rothia nasimurium obećava da će biti ključ za razvoj novih biotehnoloških puteva u proizvodnji obnovljivih ugljovodonika za vazduhoplovstvo iz različitih sirovina, kao što je biomasa od soje, palme ara (Acrocomia aculeata) ili kukuruza, između ostalog. i lignocelulozne biomase od šećerne trske ili slame iu industriji papira.
„U poređenju sa konvencionalnim ili hemijskim katalizatorima, novi enzim dekarboksilira masne kiseline [razbijajući vezu ugljenik-ugljenik i uklanjajući karboksilnu grupu] sa visokim prinosima i selektivan je za različite veličine i tipove ugljeničnog lanca. On promoviše deoksigenaciju, koja je jedna od najzahtevnije procese za savladavanje u proizvodnji SAF-a [održivog avionskog goriva]“, objasnio je Zanphorlin.
Kiseonik može da ošteti delove i motore aviona, dodala je ona, što pomaže da se razume zašto se biogoriva koja se već masovno proizvode u Brazilu, kao što su etanol i biodizel, ne koriste u vazduhoplovstvu i objašnjava potražnju za novim biokatalizatorima. Generalno, konvencionalni katalizatori koji se koriste u proizvodnji avionskog goriva uključuju metale kao što su kobalt, platina, nikl ili paladijum.
„Da bi se proizvela reakcija deoksigenacije, ovi metalni katalizatori se moraju primeniti u teškim uslovima, posebno visokim temperaturama i pritiskom, i mogu biti štetni po životnu sredinu, proizvodeći tehnološki otpad i dovesti do finansijskih gubitaka“, rekla je ona.
Članak o istraživanju objavljen je u Proceedings of the National Academi of Sciences (PNAS).
Prema istraživačima, enzimi deluju kao biološki katalizatori, ubrzavajući hemijske reakcije u živim organizmima prisutnim u prirodi. U predmetnoj studiji, enzim je pretvorio masne kiseline u jednom koraku u alkene (olefine), vrstu ugljovodonika i važnog hemijskog posrednika.
Masne kiseline su esencijalne komponente lipida, klase organskih jedinjenja koja obuhvataju sve vrste masti i ulja. Lipidi se nalaze u biljkama, životinjama i mikroorganizmima.
Otkriće i razjašnjavanje molekularnih mehanizama uključenih u delovanje enzima bili su plod multidisciplinarnog pristupa. Naučnici su pretraživali javne baze podataka za enzime sa specifičnim svojstvima i funkcijama, koristeći bioinformatičke alate i genomske podatke za mikroorganizme.
Enzimi kandidati su analizirani na atomskom nivou korišćenjem sinhrotronske svetlosti, vrste elektromagnetnog zračenja visokog fluksa i velikog osvetljenja koje obuhvata veliki deo spektra, od infracrvenih preko ultraljubičastih do rendgenskih zraka. Sinhrotronsko svetlo nastaje kada se snop naelektrisanih čestica ubrzanih skoro do brzine svetlosti odbije magnetnim poljem. Kada se primeni na proteinske kristale, izaziva difrakciju elektrona i omogućava razjašnjavanje njihove trodimenzionalne strukture.
„Ocenjivali smo položaj svake aminokiseline u atomskoj strukturi enzima i mapirali njene intermolekularne interakcije sa masnim kiselinama“, rekao je Zanforlin, napominjući da im je to pokazalo sve moguće primene otkrića.
Paralelno sa ovim laboratorijskim istraživanjem, drugi timovi u CNPEM-u radili su na prijavama patenata i na tehničkoj, ekonomskoj i ekološkoj analizi bioloških puteva, čiji će rezultati uskoro biti objavljeni.
„Patent na enzim je prijavljen 2021. Jedna od ključnih prednosti CNPEM-a je da možemo da razvijemo tehnološko rešenje, implementiramo pilot projekat, dovedemo ga do industrijske razmere i izvršimo tehničke, ekonomske i ekološke procene potrebne za otkrijte bilo kakva potencijalna poboljšanja u inovaciji dok se razvija“, rekao je Zanphorlin.
Postoje uzbudljive mogućnosti za proizvodnju biogoriva za vazduhoplovstvo korišćenjem enzima. „Brazil trenutno proizvodi oko 150 miliona metričkih tona lignoceluloznog otpada od šećerne trske u suvim količinama. Ovo bi se moglo povećati bez štetnih uticaja na životnu sredinu“, rekla je ona.
Da bi se implementirala tehnologija, postrojenja za proizvodnju biogoriva bi trebalo da budu prilagođena, ali distribucionu infrastrukturu koju koriste fosilna goriva mogli bi da dele obnovljivi izvori koji deluju kao „dostupna“ goriva — zamene za ugljovodonike dobijene iz nafte koje ne bi zahtevale prilagođavanje motora, sistema goriva ili distributivnih mreža.
Istraživači su optimistični u pogledu primene u nekoliko industrijskih sektora. „Razstranost ovog enzima čini ga prilagodljivim za upotrebu u različitim sektorima. Alkeni se proizvode enzimskom reakcijom i predstavljaju osnovu za oko dve trećine proizvoda koje danas proizvodi hemijska industrija, posebno polimera i plastike. Oni su takođe neophodni prehrambenom, kozmetičkom, farmaceutskom i transportnom sektoru“, rekao je Zanphorlin.
