Fosil yakıtların tükenmesi ve petrokimya üretiminin çevresel etkileri konusundaki endişelerin artmasıyla birlikte, bilim adamları temel endüstriyel kimyasalları üretmek için aktif olarak yenilenebilir stratejiler araştırıyorlar.
Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümünden Araştırmadan Sorumlu Kıdemli Başkan Yardımcısı Seçkin Profesör Sang Yup Lee ve Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KAIST) Kimya Bölümünden Profesör Sunkyu Han liderliğindeki ortak bir araştırma ekibi, glikoz ve gliserol gibi yenilenebilir karbon kaynaklarını daha sonra oksijenli öncüllere dönüştüren entegre bir kemobiyolojik platform geliştirdi. Yakıtlarda, polimerlerde ve tüketici ürünlerinde kullanılan temel aromatik hidrokarbonlar olan benzen, toluen, etilbenzen ve p-ksilen (BTEX) elde etmek için aynı solvent sisteminde oksijeni giderilir.
Bulgular dergide yayınlandı Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri.
Şekerlerden petrolün aromatik hidrokarbonlarına kadar
Araştırmacılar, her biri spesifik bir oksijenli öncü (fenol, benzil alkol, 2-feniletanol veya 2,5-ksilenol) üretmek üzere programlanmış, metabolik olarak tasarlanmış dört Escherichia coli türü tasarladı. Bu ara ürünler, geri bildirimle düzenlenen enzimlerin silinmesi, yola özgü genlerin aşırı ekspresyonu ve metabolik yetenekleri genişletmek için heterolog enzimlerin eklenmesi gibi özel genetik modifikasyonlar yoluyla üretilir.
Fermantasyon sırasında ürünler sürekli olarak organik solvent izopropil miristat (IPM) içerisine ekstre edildi. Çift fonksiyonlu bir solvent görevi gören IPM, aromatik bileşiklerin hücre büyümesi üzerindeki toksik etkilerini hafifletmekle kalmadı, aynı zamanda aşağı yöndeki kimyasal iyileştirme için doğrudan reaksiyon ortamı olarak da hizmet etti.
Ara saflaştırma, solvent değişimi veya damıtma ihtiyacını ortadan kaldıran bu solvent entegreli sistem, yenilenebilir hammaddelerin değerli aromatiklere dönüştürülmesini kolaylaştırdı.
Alışılmadık bir solventte kimyasal engellerin aşılması
Bu çalışmanın merkezi bir yeniliği, kimyasal deoksijenasyon reaksiyonlarının, organik sentezde nadiren kullanılan bir çözücü olan IPM içerisinde verimli bir şekilde çalışacak şekilde uyarlanmasında yatmaktadır. Geleneksel katalizörlerin ve reaktiflerin, çözünürlük sınırlamaları veya biyolojik olarak türetilmiş safsızlıklarla uyumsuzluk nedeniyle bu koşullar altında sıklıkla etkisiz olduğu kanıtlanmıştır.
Ekip, sistematik optimizasyon yoluyla IPM ile uyumlu yumuşak ve seçici katalitik stratejiler oluşturdu. Örneğin, paladyum bazlı bir katalitik sistem kullanılarak fenol, %85’e varan verimle başarılı bir şekilde benzene deoksijenlenirken benzil alkol, IPM ekstraktının aktif kömürle ön işleminden sonra verimli bir şekilde toluene dönüştürüldü.
2-feniletanolün etilbenzene dönüştürülmesi gibi daha zorlu dönüşümler, IPM fazına uyarlanmış bir mezilasyon-indirgeme dizisi yoluyla elde edildi.
Benzer şekilde, gliserolden türetilen 2,5-ksilenol, iki aşamalı bir reaksiyonla %62 verimle p-ksilene dönüştürüldü ve tam BTEX spektrumunun yenilenebilir sentezi tamamlandı.
Sürdürülebilir, modüler bir çerçeve
BTEX üretmenin ötesinde, çalışma mikrobiyal biyosentezi sürekli bir solvent ortamında kimyasal dönüşümlerle entegre etmek için genelleştirilebilir bir çerçeve oluşturuyor.
Bu modüler yaklaşım, enerji talebini azaltır, solvent israfını en aza indirir ve yenilenebilir kimyasal üretimini artırmanın temel faktörleri olan süreç yoğunlaşmasını mümkün kılar.
IPM’nin yüksek kaynama noktası (>300 °C), BTEX bileşikleri fraksiyonel damıtma yoluyla izole edilebildiğinden ve solvent kolaylıkla geri dönüştürülebildiğinden ürünün geri kazanımını kolaylaştırır. Böyle bir tasarım, yeşil kimya ve döngüsel ekonomi ilkeleriyle tutarlı olup, fosil bazlı petrokimyasal süreçlere pratik bir alternatif sunmaktadır.
Karbon nötr bir geleceğe doğru
Makalenin ilk yazarı Dr. Xuan Zou şöyle açıklıyor: “Mikrobiyal metabolizmanın seçiciliğini kimyasal katalizin verimliliğiyle birleştirerek bu platform, kimya endüstrisinde en yaygın kullanılan yapı taşlarından bazılarına yenilenebilir bir yol oluşturuyor. Gelecekteki çabalar, metabolik akışları optimize etmeye, platformu ek aromatik hedeflere genişletmeye ve daha yeşil katalitik sistemleri benimsemeye odaklanacak.”
Ayrıca Değerli Profesör Sang Yup Lee şunu belirtiyor: “BTEX ve ilgili kimyasallara olan küresel talep artmaya devam ederken, bu yenilik, petrol bazlı işlemlere olan bağımlılığın azaltılması için hem bilimsel hem de endüstriyel bir temel sağlıyor. Bu, temel aromatik hidrokarbonların sürdürülebilir tedarikini sağlarken yakıt ve kimya sektörlerinin karbon ayak izini düşürmeye yönelik önemli bir adıma işaret ediyor.”
