На шляху до екологічно чистих хімічних речовин: нові технології

У своєму офісі в Еймсі, штат Айова, професор Жан-Філіпп Тессоньє демонструє ілюстрацію екологічно чистішого майбутнього. На зображенні фермер керує комбайном на кукурудзяному полі, а зібраний урожай направляється на переробку до заводу ферментації, що живиться від вітряних турбін і сонячних панелей.

Отриманий ферментаційний бульйон, що складається з води, солей і дріжджів або бактерій (з ароматом дріжджового пшеничного пива, як зазначає Тессоньє), потрапляє до електробіорафінерії, де його піддають впливу кількох вольт електрики. Ця електрика стає каталізатором реакції, яка продукує молекули, що є основою для Нейлону 6,6 — товарного полімеру, який ми всі купуємо та використовуємо щодня у виробництві одягу, автомобільних компонентів, електричних з'єднувачів, зубних щіток, туристичного спорядження та медичних пристроїв.

«Це поєднання біології та електрики є унікальним для Університету штату Айова», — говорить Тессоньє, професор хімічної та біологічної інженерії імені Річарда С. Сігрейва. «Я не знаю нікого іншого в США, хто займається цим».

Поєднання біологічних реакцій з реакціями, що керуються електрикою, може стати кроком до трансформації хімічного виробництва в екологічно чистішу галузь, яка менше залежить від матеріалів на основі нафти та необхідності їх обробки з високими енергіями, температурами та викидами. Однак ця трансформація не буде легкою.

«Декарбонізація хімічної промисловості залишається сізіфовою працею, такою, що технологічний прогрес часто блокується економічною доцільністю та жорсткою конкуренцією з традиційними хімічними речовинами, отриманими з викопного палива», — написав Тессоньє в хімічному журналі Chem Catalysis.

Щоб прискорити цю трансформацію, Тессоньє очолює чотирирічний проєкт вартістю 2 мільйони доларів під назвою ChaRGE (Chemicals from Renewables through Green Electrochemistry або Хімічні речовини з відновлюваних джерел за допомогою зеленої електрохімії).

Проєкт підтримується Національним науковим фондом США і має на меті продемонструвати, що комбінація біо- та електротехнологій може ефективно та чисто виробляти молекули, цінні для промисловості.

Коріння проєкту сягає 2012 року, коли Тессоньє почав працювати в Університеті штату Айова як доцент, афілійований з розташованим на кампусі Центром біовідновлюваних хімічних речовин. У пошуках заміни викопній сировині в хімічному виробництві Тессоньє зрозумів: «Ви не можете просто замінити A на B, вам потрібно переосмислити ці хімічні перетворення».

Один із прикладів переосмислення хімії: «Як можна прискорити ці перетворення без тепла?». І нова ідея: «Застосувати електричне поле. Використати електрику. Це дозволяє нам вводити енергію в систему при кімнатній температурі та атмосферному тиску».

З подальшою роботою Тессоньє та його колеги навчилися використовувати гібридну систему технологій ферментації та електрохімії для створення біологічних молекул з унікальними властивостями, які слугують будівельними блоками для комерційних нейлонів і пластмас. Вони розробляють процес виробництва додаткових молекул, здатних створювати «полімери з покращеними характеристиками».

Такі результати можуть наблизити команду ChaRGE до мети — «нового підходу до розподіленого хімічного виробництва, що поєднує стійкість, продуктивність та хімічну гнучкість».

Проєкт також робить значний внесок у підготовку кадрів для біовиробництва для штату Айова та за його межами. Хоча в Університеті штату Айова є курс електрохімічної інженерії, Тессоньє зазначає, що три студенти бакалаврату та сім аспірантів у його дослідницькій групі засвоюють важливі уроки в лабораторії на другому поверсі Лабораторії досліджень біовідновлюваних матеріалів Університету штату Айова.

«У кінцевому підсумку цій робочій силі потрібно буде бути якомога ширшою з погляду освіти та досвіду», — каже Тессоньє. Тому студенти в його лабораторії працюють з конверсією біомаси, біологічними процесами, реакційною інженерією, розробкою продуктів, управлінням ланцюгами поставок, виробничими системами, а також електрохімією.

«Робота над цим дослідженням була неоціненним досвідом», — зазначає Деванші Містрі, аспірантка з Мумбаї, Індія, яка є науковим співробітником у лабораторії Тессоньє з 2022 року. «Крім наукових аспектів, це також сприяє моєму професійному розвитку, формуючи навички лідерства, розв'язання проблем та співпраці. До кінця мого PhD я бачу себе дослідником на початку кар'єри, добре підготовленим, щоб зробити внесок у галузь біовиробництва».

Робоча сила в сфері біовиробництва, готова працювати з цими новими ідеями в біосинтезі та електросинтезі, може викликати багато змін, згідно з резюме ChaRGE: декарбонізувати хімічну промисловість США, просувати американське лідерство в хімічному виробництві та покращувати економіку сільських районів.