Wzięli czerstwy chleb i chcą z niego zrobić wodór. To może się udać

Analizy cyklu życia wskazują, iż użycie odpadów piekarniczych i bakterii E. coli może dać proces wodorowania o śladzie węglowym poniżej zera. Badacze użyli starych bochenków jako źródła cukrów, a bakterie zamieniły je w wodór do reakcji wodorowania.

Przemysł chemiczny od dekad opiera się na wodorze wytwarzanym z gazu ziemnego i węgla, co ma ogromny koszt klimatyczny. Teraz naukowcy pokazali, iż tę samą pracę może wykonać kolonia bakterii karmionych czerstwym chlebem, w zwykłej kolbie, bez zewnętrznego wodoru i bez dymiących w atmosferę instalacji. To połączenie mikrobiologii i katalizy metali szlachetnych, które może wyznaczyć nowy kierunek w tzw. zielonej chemii.

Niewidoczny silnik przemysłu

Żeby zrozumieć, dlaczego badacze tak bardzo zabiegają o zielony wodór, trzeba zacząć od samej reakcji, którą chcą zasilić. Wodorowanie to proces chemiczny, w którym do cząsteczek organicznych dodaje się atomy wodoru, najczęściej do wiązań podwójnych węgiel-węgiel. Oznacza to, iż z bardziej reaktywnych, nienasyconych związków powstają stabilniejsze, nasycone produkty.

Ta z pozoru abstrakcyjna reakcja stoi za ogromną częścią współczesnej gospodarki. Wodorowanie utwardza oleje roślinne do postaci margaryny, pomaga w syntezie około 10-15 proc. zarejestrowanych substancji farmaceutycznych, jest też najważniejsze przy produkcji wielu tworzyw sztucznych i dodatków zapachowych.

Problem w tym, iż wodór używany w tych procesach powstaje głównie z paliw kopalnych. Najczęściej rozbija się cząsteczki metanu lub innych węglowodorów w tzw. reformingu parowym, co wymaga wysokiej temperatury i generuje ogromne ilości dwutlenku węgla. Szacunki mówią, iż każda 1 jednostka masy przemysłowego wodoru oznacza emisję rzędu 15-20 kg gazów cieplarnianych, zanim ten wodór w ogóle trafi do reaktora.

To właśnie tę ukrytą cenę wodoru postanowił obejść zespół ze szkockiego Uniwersytetu w Edynburgu. Zamiast wozić gaz z instalacji petrochemicznych, wykorzystali wodór, który bakterie i tak produkują podczas fermentacji cukrów.

Jak E. coli zamienia czerstwy chleb w wodór?

W centrum jest dobrze znana bakteriom i biologom Escherichia coli. To gatunek powszechnie wykorzystywany w laboratoriach jako woła roboczego biologii molekularnej. W warunkach beztlenowych część szczepów E. coli potrafi naturalnie wytwarzać wodór jako produkt uboczny fermentacji. Podczas rozkładu cukrów powstają m.in. kwasy organiczne i formian, a specjalny zestaw enzymów, tzw. kompleks formian-wodór, przekształca formian w dwutlenek węgla i wodór.

Badacze wykorzystali właśnie tę wrodzoną ścieżkę metaboliczną. Zaczęli od rozdrobnionego, starego pieczywa (w publikacjach pojawia się m.in. naan, czyli płaski chleb popularny w kuchni indyjskiej). Z odpadków piekarniczych enzymatycznie wyciągnięto cukry, które stały się pożywką dla bakterii. Następnie kultury E. coli prowadzono w warunkach beztlenowych, w zamkniętej kolbie, tak aby mikroorganizmy były zmuszone do fermentacji i oddychały węglowodanami zamiast tlenem.

W takiej konfiguracji to, co w normalnej hodowli byłoby jedynie odpadem gazowym, staje się cennym surowcem. Wodór nie ulatuje do atmosfery, ale jest łapany w tym samym naczyniu, w którym powstaje. Dzięki temu może od razu napędzać kolejną reakcję chemiczną, bez sprężarek, rurociągów i stalowych butli.

Pallad jako nanofabryka

Samo wytworzenie wodoru przez bakterie to jednak dopiero połowa historii. Żeby mógł on dodać się do cząsteczek chemicznych, potrzebny jest katalizator, czyli substancja, która ułatwia przebieg reakcji, nie zużywając się przy tym w całości. W przemyśle często stosuje się nikiel, platynę lub pallad osadzony na nośniku.

W omawianych badaniach pallad został przyklejony bezpośrednio do powierzchni komórek E. coli. Jony metalu osadzają się na błonie komórkowej i tworzą drobne nanocząstki. To właśnie na ich powierzchni zachodzi najważniejszy etap: cząsteczki H2 rozpadają się na atomy wodoru, które następnie przyłączają się do wiązań podwójnych w rozpuszczonych w roztworze związkach organicznych.

Co ważne, cały proces przebiega w temperaturze zbliżonej do pokojowej i przy ciśnieniu bliskim atmosferycznemu. To zupełne przeciwieństwo klasycznych instalacji wodorowania, gdzie standardem są wysokie temperatury i znaczne nadciśnienia, a więc duże zużycie energii i wysokie wymagania bezpieczeństwa.

Od piekarni do nylonu i zapachów malin

Żeby pokazać, iż ten mikrobiologiczno-metaliczny układ nie jest jedynie ciekawostką, naukowcy przetestowali go na realnych cząsteczkach wykorzystywanych w przemyśle. Wśród produktów pojawił się m.in. kwas adypinowy, najważniejszy monomer do produkcji nylonu, oraz behenowy, stosowany w kosmetykach i odżywkach do włosów jako składnik zmiękczający. Powstał także keton malinowy, znany z przemysłu spożywczego jako nośnik aromatu.

W niektórych doświadczeniach układ osiągał blisko 99 proc. wydajności. Oznacza to, iż niemal wszystkie cząsteczki substratu zostały przekształcone w pożądany produkt. Dla chemików to znak, iż proces nie tylko działa, ale może konkurować z klasycznymi metodami wodorowania, przynajmniej w części zastosowań.

Istotne jest także to, iż wykorzystywane szczepy E. coli były niezmodyfikowane genetycznie albo korzystały z naturalnych ścieżek metabolicznych obecnych u wielu bakterii. Ogranicza to bariery regulacyjne i ułatwia myślenie o skalowaniu, bo w grę wchodzą organizmy, które od dawna są dobrze poznane i stosowane w przemyśle fermentacyjnym.

Kiedy reakcja staje się ujemna węglowo

W zielonej chemii liczy się nie tylko to, skąd pochodzi wodór, ale także bilans całego procesu: od surowców, przez energię, po odpady. Właśnie dlatego badacze przeprowadzili analizę cyklu życia, czyli szczegółowe oszacowanie śladu środowiskowego każdego etapu.

Analiza cyklu życia to narzędzie, które uwzględnia wszystkie wbudowane emisje – od transportu i przetworzenia surowców, przez zużycie energii elektrycznej, aż po zagospodarowanie odpadów. W tym przypadku wzięto pod uwagę zarówno scenariusz wykorzystania odpadów piekarniczych w procesie, jak i alternatywę, w której ten sam chleb trafiłby na wysypisko lub do spalarni.

Okazało się, iż przy odpowiedniej konfiguracji proces może być nie tylko mniej emisyjny niż klasyczne wodorowanie, ale wręcz ujemny węglowo. Dzieje się tak dlatego, iż wykorzystanie czerstwego pieczywa jako surowca ogranicza emisje, które powstałyby przy jego rozkładzie i emisji metanu na składowisku lub przy spalaniu. Jednocześnie nie trzeba produkować wodoru z paliw kopalnych ani podgrzewać dużych reaktorów do wysokich temperatur.

Oznacza to, iż każdy kilogram produktu chemicznego powstającego w takim systemie może wiązać się z netto mniejszą ilością gazów cieplarnianych w atmosferze niż przed reakcją. Dla przemysłu chemicznego, który jest jednym z największych emiterów na świecie, to kusząca perspektywa.