Oprydning af brintoverilteproduktion

Den mest almindelige proces til fremstilling af hydrogenperoxid begynder med en meget giftig, brandfarlig arbejdsopløsning, der er kombineret med brint, filtreret, kombineret med ilt, blandet i vand, og derefter koncentreret til ekstremt høje niveauer for forsendelse.

Transportprocessen er lige så indviklet. De fleste af de massive kemiske fabrikker, der fremstiller brintoverilte, er placeret i Rusland og Kina. For store markeder som den amerikanske olie- og gasindustri, koncentreret hydrogenperoxid fragtes normalt til Amerika, fortyndet, derefter sendt via jernbane eller lastbil til steder som det vestlige Texas, hvor et servicefirma køber det og pumper det for kunden.

Al denne kompleksitet maskerer det faktum, at hydrogenperoxid er strukturelt simpelt. Faktisk, en stor gruppe af specialiserede proteiner, kaldet enzymer, har længe været kendt for at arbejde med brintoverilte i forskellige biologiske systemer. Men at oversætte den viden til en mere naturlig måde at skabe brintoverilte på har vist sig at være vanskelig - indtil for nylig.

I de sidste par år, opstarten Solugen, som var medstiftet af en MIT-alumne, har produceret hydrogenperoxid ved at kombinere genetisk modificerede enzymer med organiske forbindelser som plantesukker. Reaktionen skaber biobaseret hydrogenperoxid samt organiske syrer, og virksomheden siger, at denne metode er billigere, sikrere, og langt mindre giftig end traditionelle processer.

Solugen har i øjeblikket to pilotanlæg i Texas, der producerer mere end 10 tons hydrogenperoxid om dagen, med en meget større pladsåbning næste sommer. Teknologien har potentialet til at dekarbonisere produktionen af ​​et ekstremt almindeligt kemikalie, der bruges til en lang række forbruger- og industrielle anvendelser.

Videnskabsvirksomheder som Solugen er ofte startet af forskere, der har brugt år på at studere et specifikt problem. Deres succes afhænger ofte af at sikre offentlige tilskud eller virksomhedspartnerskaber. Men Solugen har en meget mere farverig historie.

Virksomheden kan tilskrive sin succes til forskning i bugspytkirtelkræft, en Facebook-gruppe af float spa-entusiaster, et frugtbart væld på Home Depot, og fremkomsten af ​​flere felter, der gør Solugens løsning mulig.

At klare sig med hjælp fra Facebook-venner

Solugens medstifter Gaurab Chakrabarti var på medicinsk skole og studerede kræft i bugspytkirtlen i 2015, da han opdagede et enzym i kræftceller, der kunne fungere i ekstremt høje koncentrationer af hydrogenperoxid.

Enzymet krævede et andet dyrt kemikalie for at være nyttigt i reaktioner, så Chakrabarti samarbejdede med Sean Hunt SM '13 Ph.D. '16, som han var blevet ven med, mens han gik på medicinstudiet med Hunt' kone. Hunt studerede mere traditionelle kemiske behandlingsmetoder til sin ph.d. da Chakrabarti viste ham enzymet.

"Min baggrund er ikke i bioteknologi, så jeg er en slags biotekskeptiker i bedring, Hunt siger. "Jeg lærte om enzymer i skolen, og alle vidste, hvor aktive og selektive de var, men de var bare så ustabile og svære at fremstille."

Ved hjælp af beregningsmetoder for proteindesign, Hunt og Chakrabarti var i stand til at genetisk modificere enzymet for at få det til at producere hydrogenperoxid ved stuetemperatur, når det kombineres med billige organiske forbindelser som sukker.

Kort efter, grundlæggerne var finalister i 2016 MIT $100K pitch konkurrencen, tjener $10, 000. Men de var stadig ikke sikre på, at teknologien var værd at forfølge.

Så blev de kontaktet af en Facebook-gruppe af float spa-entusiaster. Float spas suspenderer folk i saltvand, mens de lukker al støj og lys ude for at hjælpe dem med at opnå sansedeprivation. Hydrogenperoxid bruges til at holde float spa-vand rent.

"Der er omkring 400 float spas i USA, og de er alle på én Facebook-gruppe, og en ejer så vores MIT $100K pitch-video og delte den med Facebook-gruppen, Hunt forklarer. "Det var virkelig det, der fik os til at fortsætte Solugen den sommer. Fordi vi blev kontaktet af disse float spa-ejere og sagde, "Dette er, hvor meget vi betaler for peroxid. Hvis I kan klare det, vi køber det."

Opmuntret, grundlæggerne lejede billig laboratorieplads i Dallas og sendte et af deres tidlige enzymdesigns til en proteinproducent i Kina. Så brugte Hunt $7, 000 i Home Depot for at skabe en pilotreaktor, han beskriver som "denne lille PVC-boblesøjle."

Mangler penge, Grundlæggerne købte 55 gallon tromler sukker og kørte dem gennem reaktoren med deres enzym, se triumferende på, da organiske syrer og brintoverilte kom ud i den anden ende. Grundlæggerne begyndte at sælge alt det peroxid, de kunne producere, nogle gange sover på gulvet for at holde reaktoren kørende hele natten. I december 2016, de tjente $10, 000 om måneden ved at sælge spande peroxid til float spa-fællesskabet.

Virksomheden brugte sin PVC-boblereaktor indtil sommeren 2017, da de byggede en fuldautomatisk reaktor, der var i stand til at producere 10 gange mere brintoverilte. Det var, da de flyttede ind i olie- og gasindustrien.

En stor, giftigt problem

Mens virksomheder pumper olie og gas op af jorden, de genererer store mængder forurenet saltvand, som skal behandles eller bortskaffes. Der produceres milliarder af gallons af sådant vand hver dag alene i USA. Hydrogenperoxid er almindeligt anvendt i behandlingsprocessen, men de traditionelle metoder til at skabe hydrogenperoxid, ud over at være farlige, efterlade et enormt CO2-fodaftryk forbundet med den konstante udluftning af arbejdsløsningen.

"Det, jeg virkelig elsker ved det her, er, at det er en sand miljøkrise, som jeg tror, ​​vi gør en stor forskel på, Hunt siger, bemærker, at andre kemikalier, der bruges til at behandle spildevand, er ekstremt giftige og ikke nedbrydes biologisk, som hydrogenperoxid gør.

Solugens nuværende produktionsfaciliteter sender koncentrerede former for hydrogenperoxid, men grundlæggerne planlægger at bygge "minimøller" ved siden af ​​olie- og gasanlæg, der ikke kræver koncentration og fortynding, for yderligere at reducere omkostningerne og forbedre bæredygtigheden.

"Da vi byggede disse ting ud, vi indså, at fordi vi laver al denne kemi med enzymer, hvor det er stuetemperatur, i vand, og lavtryk, det er meget sikkert, og som et resultat kan vi bygge disse små anlæg, Hunt siger. "Det er virkelig spændende for os. … For eksempel, du kan sælge brintoverilte for $2 pr. gallon. Det koster $1,50 pr. gallon bare at sende det til kunden. Fragten er næsten prisen på kemikaliet. Og i nogle tilfælde, det er mere end selve kemikaliet."

Solugens løsning er også spændende, fordi den ikke kunne have eksisteret indtil for nylig. For at fremstille sine proprietære enzymer, virksomheden udnytter ret nye metoder til beregningsmæssigt proteindesign og genteknologi. Den er også afhængig af en industri af proteinkontraktproducenter, der kan producere store mængder konstruerede enzymer til langt billigere end hvad der ville have været muligt selv for fem år siden.

Ser frem til, Hunt siger, at Solugens infrastruktur kan bruges til at co-producere hundredvis af forskellige organiske syrer ved at ændre de enzymer og forbindelser, der blandes. Et af de co-produkter, han er mest begejstret for, er eddikesyre, som bruges til at lave eddike. Eddikesyre bruges også til fremstilling af vigtige materialer som polyesterfiber og plastik.

"Brintoverilte og eddikesyre er grundlæggende byggesten for vores økonomi, Hunt siger. "Vi ser Solugen som en platform [for andre løsninger]. På lang sigt, det er det, der virkelig begejstrer os."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.