Химики из Эдинбургского университета представили лабораторную систему, которая использует пищевые отходы для производства водорода. Этот водород применяется непосредственно в одной из ключевых промышленных реакций — гидрогенизации. Процесс гидрогенизации необходим для создания множества продуктов, включая лекарства, пластмассы и топливо.
Принцип работы системы
В основе метода лежит использование бактерий Escherichia coli. Бактерии помещают в бескислородную среду, где они перерабатывают сахара. В результате своей жизнедеятельности микроорганизмы выделяют водород. Рядом с бактериальной мембраной размещают палладиевый катализатор. Он немедленно захватывает выделяющийся газ и использует его для проведения химической реакции гидрирования. Авторы исследования называют этот подход «биосовместимым гидрированием». В лабораторных условиях система показала эффективность, достигающую 94% по выходу целевого продукта.
От глюкозы к хлебным крошкам
Первоначальные эксперименты проводились с чистой глюкозой. Затем ученые перешли на более доступное сырье. Они использовали сахара, полученные из хлебных отходов. Это позволило превратить хлебные крошки в источник водорода для химического синтеза. На следующем этапе исследователи модифицировали некоторые штаммы бактерий. Генетически измененные микроорганизмы получили способность самостоятельно производить внутри клеток необходимые молекулы-предшественники для реакции, что упрощает процесс.
Расчеты исследователей указывают на значительный экологический потенциал технологии. Использование водорода, полученного биологическим путем из глюкозы, вместо водорода из ископаемого топлива, сокращает выбросы парниковых газов примерно в три раза. Применение в качестве сырья хлебных отходов дает еще больший эффект. По оценкам ученых, это приводит к снижению потенциала глобального потепления более чем на 135% в расчете на полный жизненный цикл. Такой результат считается углеродно-отрицательным, поскольку система теоретически компенсирует больше выбросов, чем производит.
Промышленные перспективы и текущие ограничения
Технология находится на ранней стадии разработки. Руководитель работы Стивен Уоллес отмечает, что система демонстрирует наилучшие результаты с простыми химическими соединениями — алкенами. По производительности и эффективности она пока уступает существующим промышленным методам. Основными задачами для дальнейшего развития называют расширение перечня химических субстратов, с которыми может работать система, адаптацию процесса к различным типам биоотходов и повышение стабильности катализаторов. Стоимость катализаторов также требует снижения для потенциального промышленного внедрения.
Водород рассматривается как альтернатива ископаемому сырью для многих химических процессов. Однако его промышленное производство до сих пор в значительной степени зависит от природного газа. Представленное исследование предлагает альтернативный путь. Оно фокусируется не на «зеленом» водороде, который производят с помощью электролиза воды, используя возобновляемую электроэнергию, а на интеграции производства биоводорода непосредственно в химический процесс, используя органические отходы в качестве исходного материала.
