Các vi sinh vật sẽ tiêu thu glucose và tạo ra các hydrocacbon chuỗi trung bình, có thể được chia nhỏ thành những chuỗi ngắn hơn và polyme hóa thành chất dẻo, kéo dài thành dầu diesel.

Để giảm thiểu và loại bỏ sử dụng dầu và khí đốt, ngành công nghiệp hóa dầu phải tìm ra những hóa chất có nguồn gốc bền vững, dễ dàng đưa vào các quy trình hiện có để tạo ra những sản phẩm quan trọng như nhiên liệu, chất bôi trơn và chất dẻo.

Sản xuất những hóa chất quan trọng bằng sinh học là một lựa chọn hiển nhiên, nhưng các sản phẩm vi sinh vật khác với hydrocacbon hóa thạch trong hai điểm chính: Sản phẩm chứa quá nhiều oxy và có quá nhiều các nguyên tử khác bám dính vào cacbon. Để các hydrocacbon vi sinh vật hoạt động trong những quy trình tổng hợp hiện nay, phải được khử oxy hóa và loại bỏ những nhóm hóa học ngoại lai, đòi hỏi tiêu thụ năng lượng.

Nhóm nhà hóa học từ Đại học California, Berkeley và Đại học Minnesota đang thiết kế các vi sinh vật, tiêu thụ đường glucose, có thể tạo ra những chuỗi hydrocacbon, cho phép khử oxy dễ dàng với mức gia nhiệt thấp.

Quy trình mới cho phép vi sinh vật sản xuất nhiều loại hóa chất, hiện đang được chiết xuất từ ​​dầu và khí đốt để sản xuất các sản phẩm cần thiết như chất bôi trơn từ hydrocacbon chuỗi trung bình, chứa từ 8 đến 10 nguyên tử cacbon.

Michelle Chang, GS hóa học UC Berkeley và kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học cho biết, vi khuẩn có thể tạo ra tất cả các phân tử phức tạp có tất cả các nhóm chức năng nhưng tạo ra các chất hóa dầu, làm tiền chất cho ngành công nghiệp hóa chất là một thách thức.

Quy trình này hướng tới việc khử ôxy hóa các sản phẩm của vi sinh vật, sử dụng glucose từ sinh khối thực vật tạo ra để sản xuất các tiền chất, bền vững hơn và có thể tái tạo, không sử dụng dầu và các nhiên liệu hóa thạch khác.

Vi khuẩn được thiết kế để tạo ra các chuỗi hydrocacbon có độ dài trung bình, có thể dễ dàng điều chỉnh tạo ra các chuỗi có độ dài khác nhau, bao gồm các hydrocacbon mạch ngắn, sử dụng làm tiền chất của các loại nhựa phổ biến như polyethylene, hydrocarbon mạch dài để sản xuất dầu diesel. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Chemistry .

Các hydrocarbon hóa thạch là các chuỗi nguyên tử cacbon mạch thẳng đơn giản với một nguyên tử hydro được gắn vào mỗi cacbon. Nhưng các quy trình hóa học, được tối ưu hóa để biến hydrocarbon thành các sản phẩm có giá trị cao không dễ dàng cho phép sử dụng những tiền chất từ vi sinh vật.

Để vi khuẩn tạo ra các hydrocarbon tương tự các tiền chất nhiên liệu hóa thạch, nhóm nghiên cứu của GS Chang, cùng các nghiên cứu sinh sau TS Zhen Wang và Heng Song thuộc UC Berkeley tiến hành tìm kiếm cơ sở dữ liệu những enzyme từ các vi khuẩn khác, có thể tổng hợp được hydrocacbon chuỗi trung bình đồng thời tìm kiếm một loại enzyme, có thể thêm một nhóm hóa học đặc biệt, axit cacboxylic vào một đầu của chuỗi hydrocacbon để thành axit béo.

Từ kết quả thu được, các nhà nghiên cứu chèn năm gen riêng biệt vào vi khuẩn E. coli , buộc vi khuẩn này lên men glucose và tạo ra axit béo chuỗi trung bình mong muốn. Các phản ứng enzyme thêm vào không phụ thuộc hoặc trực giao với các con đường tạo enzym riêng của vi khuẩn, có hiểu quả cao hơn so với việc điều chỉnh mạng lưới trao đổi chất phức tạp của vi khuẩn.

Bước cuối cùng quá trình là chuyển đổi axit béo chuỗi trung bình thành olefin bằng phản ứng xúc tác, tiền chất của polymer và chất bôi trơn.

Nhóm UC Berkeley đã hợp tác với nhóm Minnesota do GS Paul Dauenhauer dẫn đầu thực hiện một phản ứng xúc tác đơn giản, được gọi là xúc tác axit Lewis loại bỏ axit cacboxylic khỏi các sản phẩm vi sinh cuối cùng là axit 3-hydroxyoctanoic và axit 3-hydroxydecanoic, tạo thành olefin heptene và none. Xúc tác axit Lewis sử dụng ít năng lượng hơn so với các phản ứng oxy hóa khử, cần thiết để loại bỏ oxy khỏi các sản phẩm tự nhiên, tạo thành hydrocacbon tinh khiết.

 

 Quy trình sản xuất Olefin từ axit béo chuỗi trung bình

Chuỗi heptene với bảy carbon và none với chín carbon, có thể trực tiếp sử dụng làm chất bôi trơn, dễ dàng bẻ khóa thành chuỗi hydrocacbon nhỏ hơn làm tiền chất cho các polymer nhựa như polyetylen hoặc polypropylen, hoặc được liên kết lại tạo thành chuỗi hydrocacbon dài hơn, tương tự như các hydrocacbon trong sáp và dầu diesel.

Tạo được kỳ tích trong kỹ thuật chuyển hóa, GS Chang nhấn mạnh rằng, mục tiêu lâu dài và bền vững hơn là thiết kế lại hoàn toàn các quy trình tổng hợp hydrocacbon công nghiệp và chất dẻo nhằm tối ưu hóa khả năng sử dụng những loại hóa chất mà vi sinh vật tạo ra, hiệu quả hơn việc thay đổi các sản phẩm vi sinh cho phù hợp với các quy trình tổng hợp hiện có. Bằng cách này có thể tạo ra monome từ đường glucose bằng cách lên men để sản xuất chất dẻo có nhưng đặc tính tương tự như nhựa thông dụng nhưng dễ phân hủy và tái chế hơn cấu trúc vững chắc của polyethylene hoặc polypropylene.

Công trình được hỗ trợ từ Trung tâm Polyme Bền vững, Trung tâm Sáng tạo Hóa học do Quỹ Khoa học Quốc gia hỗ trợ (CHE-1901635). Các đồng tác giả khác là Edward Koleski, Noritaka Hara và Yejin Min của UC Berkeley, Dae Sung Park và Gaurav Kumar của Đại học Minnesota.