Si l’industrie pétrochimique veut un jour se sevrer du pétrole et du gaz, elle doit trouver des produits chimiques issus de resources durables qui se glissent sans effort and hard work dans les processus existants de fabrication de produits tels que les carburants, les lubrifiants et les plastiques.



La fabrication biologique de ces produits chimiques est l’option évidente, mais les produits microbiens sont différents des hydrocarbures fossiles de deux manières principales : ils contiennent trop d’oxygène et ils ont trop d’autres atomes qui pendent des carbones. Pour que les hydrocarbures microbiens fonctionnent dans les processus de synthèse existants, ils doivent souvent être désoxygénés – dans le jargon chimique, réduits – et débarrassés des groupes chimiques étrangers, ce qui nécessite de l’énergie.

Une équipe de chimistes de l’Université de Californie à Berkeley et de l’Université du Minnesota a maintenant conçu des microbes pour fabriquer des chaînes d’hydrocarbures qui peuvent être désoxygénées additionally facilement et en utilisant moins d’énergie – essentiellement juste le sucre glucose que les bactéries mangent, moreover un peu Chauffer.



Le processus permet la creation microbienne d’une huge gamme de produits chimiques actuellement fabriqués à partir de pétrole et de gaz – en particulier, des produits tels que des lubrifiants fabriqués à partir d’hydrocarbures à chaîne moyenne, qui contiennent entre huit et 10 atomes de carbone dans la chaîne.

« Une partie du problème lorsque l’on essaie de passer à quelque chose comme le glucose comme matière première pour fabriquer des molécules ou pour diriger l’industrie chimique est que les structures des combustibles fossiles de la pétrochimie sont si différentes – elles sont généralement entièrement réduites, sans substitution d’oxygène, « , a déclaré Michelle Chang, professeur de chimie et de génie chimique et biomoléculaire à l’UC Berkeley.  » Les bactéries savent fabriquer toutes ces molécules complexes qui ont tous ces groupes fonctionnels qui ressortent d’elles, comme tous les produits naturels, mais fabriquer des produits pétrochimiques que nous avons l’habitude d’utiliser comme précurseurs pour l’industrie chimique est un peu un défi pour elles.. »

« Ce processus est une étape vers la désoxygénation de ces produits microbiens, et il nous permet de commencer à fabriquer des choses qui peuvent remplacer les produits pétrochimiques, en utilisant uniquement du glucose issu de la biomasse végétale, qui est furthermore durable et renouvelable », a-t-elle déclaré. « De cette façon, nous pouvons nous éloigner de la pétrochimie et des autres combustibles fossiles. »

Les bactéries ont été conçues pour fabriquer des chaînes d’hydrocarbures de longueur moyenne, ce qui n’avait jamais été réalisé auparavant, bien que d’autres aient développé des processus microbiens pour fabriquer des chaînes additionally courtes et additionally longues, jusqu’à environ 20 atomes de carbone. Mais le processus peut être facilement adapté pour fabriquer des chaînes d’autres longueurs, a déclaré Chang, y compris des hydrocarbures à chaîne courte utilisés comme précurseurs des plastiques les as well as populaires, tels que le polyéthylène.

Elle et ses collègues ont publié leurs résultats cette semaine dans la revue Mother nature Chemistry.

Un bioprocédé pour fabriquer des oléfines

Les hydrocarbures fossiles sont de simples chaînes linéaires d’atomes de carbone avec un atome d’hydrogène attaché à chaque carbone. Mais les processus chimiques optimisés pour les transformer en produits à haute valeur ajoutée ne permettent pas facilement la substitution par des précurseurs produits par des microbes qui sont oxygénés et ont des atomes de carbone décorés avec beaucoup d’autres atomes et petites molécules.

Pour amener les bactéries à produire quelque chose qui puisse remplacer ces précurseurs de combustibles fossiles, Chang et son équipe, y compris les co-premiers auteurs Zhen Wang et Heng Song, anciens boursiers postdoctoraux de l’UC Berkeley, ont recherché dans les bases de données des enzymes d’autres bactéries capables de synthétiser des hydrocarbures à chaîne moyenne.. Ils ont également cherché une enzyme qui pourrait ajouter un groupe chimique spécial, l’acide carboxylique, à une extrémité de l’hydrocarbure, le transformant en ce qu’on appelle un acide gras.

Au full, les chercheurs ont inséré cinq gènes distincts dans la bactérie E. coli, forçant les bactéries à fermenter le glucose et à produire l’acide gras à chaîne moyenne souhaité. Les réactions enzymatiques ajoutées étaient indépendantes ou orthogonales aux propres voies enzymatiques de la bactérie, ce qui fonctionnait mieux que d’essayer de modifier le réseau métabolique complexe de la bactérie.

« Nous avons identifié de nouvelles enzymes qui pourraient en fait fabriquer ces chaînes d’hydrocarbures de taille moyenne et qui étaient orthogonales, donc séparées de la biosynthèse des acides gras par les bactéries. Cela nous permet de l’exécuter séparément, et cela utilise moins d’énergie que si vous utilisiez le voie indigenous de la synthase « , a déclaré Chang. « Les cellules consomment suffisamment de glucose pour survivre, mais parallèlement à cela, vous avez votre chemin à travers tout le sucre pour obtenir des conversions as well as élevées et un rendement élevé. »

Cette dernière étape pour créer un acide gras à chaîne moyenne a préparé le produit pour une conversion facile par réaction catalytique en oléfines, qui sont des précurseurs de polymères et de lubrifiants.

Le groupe UC Berkeley a collaboré avec le groupe du Minnesota dirigé par Paul Dauenhauer, qui a montré qu’une easy réaction catalytique à foundation d’acide appelée catalyse acide de Lewis (d’après le célèbre chimiste de l’UC Berkeley Gilbert Newton Lewis) éliminait facilement l’acide carboxylique des produits microbiens finaux. — Acides 3-hydroxyoctanoïque et 3-hydroxydécanoïque — pour produire les oléfines heptène et nonène, respectivement. La catalyse acide de Lewis utilise beaucoup moins d’énergie que les réactions d’oxydoréduction généralement nécessaires pour éliminer l’oxygène des produits naturels afin de produire des hydrocarbures purs.

 » Les molécules biorenouvelables que le groupe du professeur Chang a fabriquées étaient des matières premières parfaites pour le raffinage catalytique « , a déclaré Dauenhauer, qui qualifie ces molécules précurseurs de bio-pétrole. « Ces molécules contenaient juste assez d’oxygène pour que nous puissions les convertir facilement en molécules as well as grosses et in addition utiles à l’aide de catalyseurs à nanoparticules métalliques. Cela nous a permis d’ajuster la distribution des produits moléculaires selon les besoins, tout comme les produits pétroliers conventionnels, sauf que cette fois nous utilisions des énergies renouvelables Ressources. »

L’heptène, avec sept carbones, et le nonène, avec neuf, peuvent être utilisés directement comme lubrifiants, craqués en hydrocarbures furthermore petits et utilisés comme précurseurs de polymères plastiques, tels que le polyéthylène ou le polypropylène, ou liés pour previous des hydrocarbures encore in addition longs, comme ceux des cires et Gasoline-oil.

« Il s’agit d’un processus général de fabrication de composés cibles, quelle que soit leur longueur de chaîne », a déclaré Chang. « Et vous n’avez pas besoin de concevoir un système enzymatique à chaque fois que vous souhaitez modifier un groupe fonctionnel ou la longueur de la chaîne ou son degré de ramification. »

Malgré leur exploit d’ingénierie métabolique, Chang a noté que l’objectif à very long terme et as well as tough serait de repenser complètement les processus de synthèse des hydrocarbures industriels, y compris les plastiques, afin qu’ils soient optimisés pour utiliser les types de produits chimiques que les microbes produisent normalement, plutôt que modifier les produits microbiens pour les adapter aux processus de synthèse existants.

 » La question  » Et si nous examinions des buildings polymères entièrement nouvelles  ?  » suscite un grand intérêt  ? « , a-t-elle déclaré. « Peut-on fabriquer des monomères à partir de glucose par fermentation pour des plastiques ayant des propriétés similaires aux plastiques que nous utilisons aujourd’hui, mais pas les mêmes constructions que le polyéthylène ou le polypropylène, qui ne sont pas faciles à recycler. »

Le travail a été soutenu par le Heart for Sustainable Polymers, un centre d’innovation chimique soutenu par la National Science Basis (CHE-1901635). Les autres co-auteurs sont Edward Koleski, Noritaka Hara et Yejin Min de l’UC Berkeley et Dae Sung Park et Gaurav Kumar de l’Université du Minnesota.