От въздуха

Това е стара мечта на химията: Вземете излишния въглероден диоксид от атмосферата и го превърнете във висококачествени вещества. Зад това стои идеята за рафиниране на нетоксичния и леснодостъпен парников газ чрез включването му в друга молекула. Една такава мечтана реакция е превръщането на метана с въглероден диоксид в оцетна киселина. Той обаче все още не е осъществен и следователно все още принадлежи към сферата на мечтите. Тъй като рециклирането на материали от въглероден диоксид обикновено е свързано с голям разход на енергия. Само развитието на сложни катализаторни системи може да доведе до тази цел.

Не на последно място поради тази причина има интензивна дейност в областта на изследванията на катализатори от около десет години и „реакциите на мечтите“ напредват съответно. Например, полиуретанът, основен материал за матрачна пяна, вече може да се произвежда в промишлени мащаби чрез добавяне на CO₂. Сега група химици от Техническия университет в Мюнхен са синтезирали друго важно вещество чрез добавяне на въглероден диоксид. Джулия Мартин, Лукас Ейзолд и Арне Скера са успели да произведат аминокиселината метионин с помощта на ензими. Този протеинов градивен елемент се използва в големи количества, особено при угояване на животни.

В началото имаше реклама

Тримата химици са използвали веществото метионал, естествен продукт на разпадане на метионин, като изходен материал. По-рано се смяташе, че реакцията, при която метионинът се превръща в метион с освобождаването на CO₂, не е толкова лесно обратима. Това обикновено изисква високо налягане и температура. Но мюнхенските химици намериха по-лесен начин: те идентифицираха два ензима, които, когато се комбинират, произвеждат големи количества аминокиселина от метионален и газообразен въглероден диоксид при налягане от само два бара. След оптимизиране на биокатализаторите, изследователите на Skerra дори успяха да постигнат добив до 40 процента, както пишат в списание "Nature Catalysis".

Експериментите първоначално са проведени в малък лабораторен автоклав. Процедурата е сравнително проста: всички реакционни съставки се изсипват в съда под налягане и се оставят там за максимум два дни. Както показват подробни проучвания, ензимът декарбоксилаза първоначално си върши работата и прикачва CO a група към метиона. Във втори етап аминогрупа след това се прехвърля от друг подходящ ензим. Резултатът е аминокиселината метионин.

Поредицата от тестове започна с търг на химическата компания Evonik, един от най-големите производители на метионин. Това вещество е една от осемте аминокиселини, които са от съществено значение за хората и се използва широко в угояване на животни, тъй като птиците и свинете използват храната си по-добре чрез добавянето му. Годишното производство на метионин е десет милиона тона. Аминокиселината се произвежда в промишлен мащаб в шестстепенен процес, при който се използва циановодород - известен също като силно токсичен циановодород -.

В търсене на по-безопасен производствен процес, Evonik се обърна към германските университети преди пет години. Избрани са редица предложения, включително това на мюнхенските химици. Арне Скера и неговите колеги успяха да покажат успехи в началото на сътрудничеството, така че техният изследователски проект се финансира оттогава.

Висок добив въпреки меките условия

Природата винаги е голям модел за подражание, когато става въпрос за определяне на CO₂. По време на фотосинтезата - задвижвана от светлинна енергия - въглеродният диоксид се абсорбира от зелените растения и се изгражда в органични съединения. Въпреки това, общо 14 ензима участват във фиксирането на CO₂, а добивът е само 20%. С техния процес Скера и неговите колеги могат да покажат по-добър запис.

В миналото имаше няколко опита да се фиксира въглеродният диоксид биокаталитично. Това обаче беше направено със свръхкритичен CO₂, който причинява изключително високо налягане, или с разтвори, съдържащи карбонат, които са силно алкални и следователно силно корозивни. Мюнхенските учени, от друга страна, използват газообразен CO₂ при меки условия на налягане и с почти неутрална степен на киселинност.

В допълнение към метионин, други аминокиселини също могат да бъдат произведени биокаталитично с процеса. Химиците успяха да получат левцин и изолевцин съответно от 3-метилбутанал и 2-метибутанал. По-нататъшното усъвършенстване на ензимите трябва да позволи широкомащабно производство в бъдеще. През следващата година Evonik ще стартира нов завод за производство на метионин в Сингапур с годишен капацитет от 150 000 тона, но мюнхенската реакция на мечтите все още не се използва там.