Forskere tager skridt mod mere effektive brændstofraffineringsprocesser

Forskere ved Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocesses Technology (QIBEBT) i Kina har gjort fremskridt mod mere bæredygtig og økonomisk brændstofproduktion ved at udvikle en biokemisk tilgang til at give mere kontrol over omdannelsen af ​​naturgas til brugbart flydende brændstof.

Undersøgelsen udkom den 15. juli i ACS katalyse .

"Biokonvertering af naturgas til flydende brændstof har tiltrukket sig stor opmærksomhed som en lovende tilgang i de seneste år, " sagde Cong Zhiqi, en forfatter på papiret. "Imidlertid, den selektive hydroxylering af metan - hovedbestanddelen af ​​naturgas - har været en af ​​de største udfordringer for det videnskabelige samfund." Cong er professor i det kinesiske videnskabsakademis nøglelaboratorium for biobrændstoffer og Shandong Provincial Key Laboratory of Synthetic Biology i Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocesses Technology.

Metan og propan, en anden komponent af naturgas, er organiske molekyler kaldet alkaner. Består udelukkende af kulstof- og brintatomer, alkaner skal behandles betydeligt, før de kan bruges i brændstof. Processen omfatter indføring af ilt og brint, kaldet hydroxylgrupper, ind i alkanen. Atomerne omarrangerer sig selv, producere en alkohol, der kan bruges som brændstof, såsom ethanol.

Processen er indirekte på grund af, hvor selektive alkaner er, når de reagerer på hydroxylkatalysatorerne. Forskere har arbejdet på at udvikle et enzym, der ensartet vil fremskynde de små alkaners reaktion på hydroxylgrupper, der er nødvendige for at producere brændstof.

Ifølge Cong, dette har været et langvarigt problem på grund af den manglende evne til direkte at hydroxylere små alkaner. Med den nuværende behandling, nogle alkaner er for reaktive og gør det resulterende brændstof ubrugeligt.

I et forsøg på at kontrollere, hvilke alkaner der reagerer og i hvilken grad, Cong og hans team fokuserede på flere proteinvarianter af P450 monooxygenase, som hjælper processen med at indføre hydroxylgrupper i alkanmolekyler. Der er mere end 41, 000 varianter af enzymet, som alle kan forårsage forskellige reaktionsniveauer.

Forskerne opnåede kontrollerbar selektiv hydroxylering af propan gennem det, Cong kalder et kunstigt P450-system drevet af hydrogenperoxid. Systemet består af et dual-function small molecule (DFSM), hydrogenperoxid og varianter af et konstrueret P450-enzym kaldet P450BM3. Den konstruerede P45BM3 er primet til at reagere på hydrogenperoxid, og DFSM holder enzymet og hydrogenperoxid sammen, lader reaktionen opstå.

Reaktionen fortsætter over til propanen, med succes omdanne alkanerne til alkoholer, der kan omdannes til brændstof. De fandt, at systemet havde sammenlignelige eller bedre katalytiske egenskaber end det eneste kendte peroxidafhængige naturlige enzym af små alkaner, afhængig af hvilken variant af P450BM3 de brugte.

Ved konstruktion af varianterne, forskerne erstattede substraterne på den del af enzymet, der binder til hydrogenperoxidet, med mere reaktive versioner. Dette hjalp ellers inerte carbonbindinger med at bryde fra hinanden og binde med andre tilgængelige atomer.

"Denne undersøgelse gav det første eksempel på direkte hydroxylering af små alkaner af de peroxiddrevne P450BM3-varianter. Dette udvider den syntetiske værktøjskasse væsentligt mod udviklingen af ​​en praktisk katalysator til brændstofbehandling, " sagde Cong.

Forskerne forsker nu i de specifikke molekylære mekanismer af reaktionerne, og planlægger at bruge disse oplysninger til at udvikle lignende systemer til brug med andre naturgaskomponenter, såsom metan.

"Vi håber, at vi kan tune enzymet yderligere til brug i metanoxidation, såvel, " sagde Cong.