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Des scientifiques ont développé une nouvelle classe de biocarburants à haute densité énergétique basée sur l'une des molécules les plus uniques de la nature

Les scientifiques des biocarburants ont utilisé une molécule bizarre fabriquée par des bactéries pour développer une nouvelle classe de biocarburants durables suffisamment puissants pour lancer des fusées. Les molécules candidates ont une densité d’énergie projetée supérieure à celle de tout produit pétrolier, y compris les principaux carburants pour l’aviation et les fusées, JetA et RP-1.

La conversion du pétrole en carburants implique une chimie brute inventée pour la première fois par les humains dans les années 1800. Pendant ce temps, les bactéries produisent des molécules d’énergie à base de carbone depuis des milliards d’années. Selon vous, lequel est le meilleur au travail?

Bien conscient des avantages que la biologie a à offrir, un groupe d’experts en biocarburants dirigé par Lawrence Berkeley Countrywide Laboratory (Berkeley Lab) s’est inspiré d’une extraordinaire molécule antifongique fabriquée par la bactérie Streptomyces pour développer un tout nouveau sort de carburant qui a projeté une densité d’énergie supérieure que les carburants lourds les in addition avancés utilisés aujourd’hui, y compris les carburants pour fusées utilisés par la NASA.

“Cette voie biosynthétique fournit une voie propre vers des carburants à haute densité énergétique qui, avant ces travaux, ne pouvaient être produits qu’à partir de pétrole en utilisant un processus de synthèse hautement toxique”, a déclaré le chef de projet Jay Keasling, pionnier de la biologie synthétique et PDG du Département. de l’Energy’s Joint BioEnergy Institute (JBEI).”

L’incroyable potentiel énergétique de ces molécules candidates carburant. provient de la chimie fondamentale de leurs structures. Les molécules polycyclopropanées contiennent de multiples anneaux à trois carbones en forme de triangle qui forcent chaque liaison carbone-carbone dans un angle aigu de 60 degrés. L’énergie potentielle dans cette liaison tendue se traduit par additionally d’énergie pour la combustion que ce qui peut être obtenu avec les structures annulaires furthermore grandes ou les chaînes carbone-carbone que l’on trouve généralement dans les carburants. De in addition, ces constructions permettent aux molécules de carburant de se regrouper étroitement dans un petit volume, augmentant la masse – et donc l’énergie totale – du carburant qui tient dans un réservoir donné.

“Avec les carburants pétrochimiques, vous obtenez une sorte de soupe de molécules différentes et vous n’avez pas beaucoup de contrôle précis sur ces constructions chimiques. Mais c’est ce que nous avons utilisé pendant longtemps et nous avons conçu tous nos moteurs pour qu’ils fonctionnent au pétrole. dérivés », a déclaré Eric Sundstrom, auteur de l’article décrivant les candidats carburants POP publié dans la revue Joule, et chercheur à l’Unité de développement de processus de biocarburants et de bioproduits avancés (ABPDU) de Berkeley Lab.

“Le furthermore grand consortium à l’origine de ce travail, Co-Optima, a été financé pour réfléchir non seulement à la recréation des mêmes carburants à partir de matières premières biosourcées, mais également à la manière dont nous pouvons fabriquer de nouveaux carburants avec de meilleures propriétés”, a déclaré Sundstrom. “La problem qui a conduit à cela est:” Quels sorts de constructions intéressantes la biologie peut-elle créer que la pétrochimie ne peut pas créer? “”

Une quête de l’anneau(x)

Keasling, qui est également professeur à l’UC Berkeley, a longtemps eu l’œil sur les molécules de cyclopropane. Il avait parcouru la littérature scientifique pour trouver des composés organiques avec des anneaux à trois carbones et n’avait trouvé que deux exemples connus, tous deux fabriqués par des bactéries Streptomyces qui sont presque impossibles à cultiver dans un environnement de laboratoire. Heureusement, l’une des molécules avait été étudiée et analysée génétiquement en raison de l’intérêt porté à ses propriétés antifongiques. Découvert en 1990, le produit naturel porte le nom de jawsamycin, auto ses cinq anneaux de cyclopropane sans précédent le font ressembler à une mâchoire remplie de dents pointues.

L’équipe de Keasling, composée de scientifiques du JBEI et de l’ABPDU, a étudié les gènes de la souche originale (S. à la recherche d’une combinaison d’enzymes qui pourraient faire une molécule avec les anneaux dentaires de la jawsamycine tout en sautant les autres functions de la framework. Tel un boulanger réécrivant des recettes pour inventer le dessert parfait, l’équipe espérait remixer la machinerie bactérienne existante pour créer une nouvelle molécule aux propriétés combustibles prêtes à brûler.

albireticuli. “Nous avons recherché dans des milliers de génomes des voies qui produisent naturellement ce dont nous avions besoin. De cette façon, nous avons évité l’ingénierie qui peut ou non fonctionner et avons utilisé la meilleure alternative de la character”, a déclaré Cruz-Morales, chercheur principal au Novo Nordisk Basis Center for Biosustainability, Université procedure du Danemark et co-chercheur principal du laboratoire de produits naturels de levure avec Keasling.

Malheureusement, les bactéries n’étaient pas aussi coopératives en matière de productivité. Omniprésents dans les sols de tous les continents. “Beaucoup de médicaments utilisés aujourd’hui, tels que les immunosuppresseurs, les antibiotiques et les médicaments anticancéreux, sont fabriqués par des Streptomyces modifiés”, a déclaré Cruz-Morales. Ils ont du talent, mais ce sont des divas.” Lorsque deux Streptomyces modifiés différents n’ont pas réussi à fabriquer des POP-FAME en quantités suffisantes.

Les acides gras résultants contiennent jusqu’à sept cycles cyclopropane enchaînés sur un squelette carboné, ce qui leur a valu le nom de fuelimycines. Dans un processus similaire à la creation de biodiesel.

Maintenant on cuisine au cyclopropane

Bien qu’ils n’aient pas encore produit suffisamment de molécules de carburant candidates pour les tests sur le terrain – “vous avez besoin de 10 kilogrammes de carburant pour faire un check dans un vrai moteur de fusée, et nous n’en sommes pas encore là”, a expliqué Cruz-Morales en riant – – ils ont pu évaluer les prédictions de Keasling sur la densité d’énergie.

Des collègues du Pacific Northwest National Laboratory ont analysé les POP-FAME avec la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire pour prouver la présence des anneaux de cyclopropane insaisissables.

L’essence ordinaire a une valeur de 32 mégajoules par litre, le JetA, le carburéacteur le as well as courant, et le RP1, un carburant de fusée populaire à foundation de kérosène.

Au cours de leurs recherches. Malgré ses performances puissantes, la fabrication de Syntin a été interrompue en raison des coûts élevés et du processus désagréable impliqué : une série de réactions synthétiques avec des sous-produits toxiques et un intermédiaire instable et explosif.

“Bien que les POP-FAME partagent des buildings similaires à Syntin, beaucoup ont des densités d’énergie supérieures. Des densités d’énergie furthermore élevées permettent des volumes de carburant plus faibles, ce qui, dans une fusée, peut permettre une augmentation des rates utiles et une diminution des émissions globales”, a déclaré l’auteur Alexander Landera, un scientifique du personnel de Sandia. L’un des prochains objectifs de l’équipe est de créer un processus pour éliminer les deux atomes d’oxygène sur chaque molécule, ce qui ajoute du poids mais aucun avantage de combustion. “Lorsqu’elles sont mélangées à un carburéacteur, les variations correctement désoxygénées des POP-FAME peuvent offrir un avantage similaire”, a ajouté Landera.

Depuis la publication de leur document de preuve de thought, les scientifiques ont commencé à travailler pour augmenter encore additionally l’efficacité de output des bactéries afin d’en générer suffisamment pour les exams de combustion. Ils étudient également comment la voie de generation multi-enzymes pourrait être modifiée pour créer des molécules polycyclopropanées de différentes longueurs. “Nous travaillons sur le réglage de la longueur de la chaîne pour cibler des purposes spécifiques”, a déclaré Sundstrom. “Les carburants à chaîne in addition longue seraient des solides. des chaînes in addition courtes pourraient être meilleures pour le carburéacteur, et au milieu pourrait être une molécule alternative au diesel.”

L’auteur Corinne Scown, directrice de l’analyse technico-économique de JBEI, a ajouté : « La densité d’énergie est tout en ce qui concerne l’aviation et les fusées et c’est là que la biologie peut vraiment briller..”

Finalement, les scientifiques espèrent transformer le processus en une souche de bactéries qui pourrait produire de grandes quantités de molécules de POP à partir de resources de déchets végétaux (comme des résidus agricoles non comestibles et des broussailles nettoyées pour la prévention des incendies de forêt), ce qui en ferait potentiellement le carburant neutre en carbone ultime.

Qui est partant pour un voyage spatial éco-responsable ?

Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du Département américain de l’énergie et le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables. JBEI est un centre de recherche de l’Office of Science Bioenergy.