Met ruwe olie die voor minder dan $ 50 per vat wordt verkocht, er is weinig economische prikkel om biohernieuwbare chemicaliën te ontwikkelen als slechts tijdelijke vervangingen voor petrochemicaliën.

Dat is een realiteit waarvan leiders van het National Science Foundation Engineering Research Center for Biorenewable Chemicals (CBiRC), gevestigd aan de Iowa State University, een nieuw model voorstellen voor het creëren, toepassen, en het commercialiseren van chemicaliën gemaakt van maïsstengels, houtsnippers en andere bronnen van biomassa.

Het model van de onderzoekers is gebaseerd op negen jaar CBiRC-werk om te bestuderen, risico's te verminderen en biohernieuwbare technologieën te ontwikkelen. Het model roept op tot het identificeren van "biogeprivilegieerde moleculen" die unieke eigenschappen bieden die tot nieuwe producten kunnen leiden.

Het model werd geïntroduceerd door Brent Shanks en Peter Keeling van CBiRC in een recent artikel over perspectieven, "Biogeprivilegieerde moleculen:waarde creëren uit biomassa, " gepubliceerd door het tijdschrift Groene chemie en staat op de omslag. Shanks is de directeur van CBiRC, een Anson Marston Distinguished Professor in Engineering aan de staat Iowa en de Mike and Jean Steffenson Chair in Chemical and Biological Engineering. Keeling is directeur industriële samenwerking en innovatie voor CBiRC.

"Biogeprivilegieerde moleculen hebben door hun oorsprong van biologisch afgeleide moleculen en de daarmee gepaard gaande overvloed aan functionaliteiten het potentieel om de horizon van bioproducten aanzienlijk uit te breiden buiten het bereik van petrochemicaliën, ’ schreven Shanks en Keeling in hun krant.

De twee definiëren biobevoorrechte moleculen als chemische tussenproducten die afkomstig zijn van biologische bronnen en efficiënt kunnen worden omgezet in verschillende producten, inclusief nieuwe chemicaliën en drop-in vervangingen voor bestaande chemicaliën.

Shanks en Keeling presenteerden ook hun ideeën over biogeprivilegieerde moleculen tijdens een workshop in januari, ondersteund door de National Science Foundation, en een conferentie in juni, gesponsord door het Amerikaanse ministerie van Energie.

"Waar we het over hebben zijn nieuwe moleculen met nieuwe eigenschappen, "Zei Keeling. "Er is niet over deze moleculen nagedacht omdat ze niet mogelijk waren uit petrochemicaliën. Maar deze nieuwigheid zou van grote waarde kunnen zijn."

Shanks zei dat CBiRC - opgericht in 2008 met als doel de instrumenten van biologen en chemici te combineren om hybride technologieën te ontwikkelen voor de productie van biohernieuwbare chemicaliën - de weg heeft gewezen naar zo'n benadering.

Geen nieuwe moleculen

Olieraffinaderijen die ruwe olie omzetten in brandstoffen, produceren ook lichte gassen als bijproduct. Bedrijven hebben die gassen genomen en omgezet in de intermediaire moleculen (alkenen en aromaten) die de petrochemische industrie voeden en haar kunststoffen produceren, vezels, lijmen, wasmiddelen, verven, inkt en nog veel meer.

Dat is een industrie die al meer dan een eeuw bestaat. Als resultaat, het werkt met bekende moleculen en efficiënte processen die goedkope chemicaliën produceren.

Shanks zei dat onderzoekers verbonden aan CBiRC, die is ondersteund door een reeks subsidies van in totaal $ 35,26 miljoen van de National Science Foundation, vonden geen economisch haalbare manieren voor biobased chemicaliën om die petrochemicaliën te vervangen door goedkope ruwe olie.

Maar, hij zei dat de petrochemische industrie al twee decennia geen nieuwe commerciële moleculen heeft geproduceerd. En dat heeft een opening gecreëerd voor waardevolle biobased chemicaliën.

"De vraag die je moet stellen is:'Hebben we alle moleculen die we nodig hebben?', zei Shanks. 'Zijn we klaar?'

Over naar biobased moleculen

Shanks zei dat CBiRC-onderzoekers wetenschappers en ingenieurs in de consumentenproductenindustrie hebben gevraagd of ze alle moleculen hadden die ze nodig hadden.

"Het klinkende antwoord dat we krijgen is nee, "zei hij. "Ze zeggen, 'We hebben nieuwe innovatie nodig, Nieuwe artikelen, nieuwe moleculen.'"

Dus waar komen die moleculen vandaan?

Shanks en Keeling wijzen op biomassa uit planten als bron van nieuwe intermediaire moleculen.

"Van biomassa afgeleide grondstoffen zijn in het bijzonder veelbelovend voor het drastisch vergroten van de pool van mogelijke tussenproducten, omdat ze een rijk scala aan chemische complexiteit bieden, ’ schreven ze in hun krant.

De resulterende chemische producten kunnen geneesmiddelen van de volgende generatie zijn, nutraceutica, antimicrobiële middelen, insecticiden, herbiciden, consumptiegoederen en speciale chemicaliën.

"Het lijdt geen twijfel dat van biomassa afgeleide moleculen een grote belofte inhouden voor het genereren van producten met verbeterde eigenschappen, " Zij schreven.

De CBiRC-manier

Nu CBiRC negen jaar bestaat, Shanks zei dat het onderzoekscentrum verschillende casestudies heeft die aantonen hoe biogeprivilegieerde moleculen nieuwe producten en kansen creëren.

Muconzuur is een voorbeeld dat wordt aangehaald in de Groene chemie papier.

Vorig jaar, twee onderzoekers verbonden aan CBiRC - Zengyi Shao en Jean-Philippe Tessonnier, Iowa State-assistent-professoren van chemische en biologische technologie - rapporteerden hoe ze een biorenewable nylon produceerden.

Ze begonnen met genetisch gemanipuleerde gist - "een microbiële fabriek, " Shao zei - dat fermenteert glucose tot muconzuur. Dan, met behulp van een metaalkatalysator en een beetje elektriciteit, de onderzoekers produceerden 3-hexeendizuur. Met enkele eenvoudige scheidings- en polymerisatiestappen, ze kwamen uit bij biobased, onverzadigd nylon-6, 6.

"Er is geen goede manier om vanuit de petrochemie bij dit molecuul te komen, "Zei Shanks. "Maar biologie kan zoveel dingen doen."

Het zal veel testen vergen om erachter te komen wat biogeprivilegieerde moleculen precies kunnen doen. En dus schreven Shanks en Keeling dat de weg vooruit nieuwe computationele en experimentele strategieën zou moeten omvatten om biogebaseerde chemicaliën te testen voor nieuwe en waardevolle toepassingen.

Alweer, Keeling zei dat CBiRC eraan werkt om de weg te wijzen door benaderingen te ontwikkelen om systematisch biogeprivilegieerde moleculen te identificeren, evenals strategieën met een hoge doorvoer die snel duizenden nieuwe moleculen kunnen evalueren voor toepassingen in verschillende industrieën.

"We zeggen, 'Laten we moleculen maken, '" zei Keeling. "Het is heel moeilijk om je weg naar een nieuw molecuul te ontwerpen. Dus we nemen nieuwe, biogeprivilegieerde moleculen en kijken waar ze het beste kunnen worden gebruikt."