Din aer subțire Cum dioxidul de carbon devine o materie primă pentru aminoacizi prin cataliză
Este un vechi vis al chimiei: luați excesul de dioxid de carbon din atmosferă și transformați-l în substanțe de înaltă calitate. În spatele acestui lucru se află ideea rafinării gazului cu efect de seră netoxic și ușor disponibil prin încorporarea acestuia într-o altă moleculă. O astfel de reacție de vis este conversia metanului cu dioxid de carbon în acid acetic. Cu toate acestea, nu a fost încă realizat și, prin urmare, aparține încă tărâmului viselor. Deoarece reciclarea materialelor de dioxid de carbon este de obicei asociată cu o cheltuială mare de energie. Doar dezvoltarea unor sisteme sofisticate de catalizator poate atinge acest obiectiv.
Nu în ultimul rând, din acest motiv, există o activitate intensă în domeniul cercetării catalizatorilor de aproximativ zece ani, iar „reacțiile visului” fac progrese în consecință. De exemplu, poliuretanul, un material de bază pentru spuma saltelei, poate fi acum produs la scară industrială prin adăugarea de CO₂. Acum, un grup de chimiști de la Universitatea Tehnică din München a sintetizat o altă substanță importantă prin adăugarea de dioxid de carbon. Julia Martin, Lukas Eisoldt și Arne Skerra au reușit să producă aminoacidul metionină cu ajutorul enzimelor. Acest bloc de proteine este utilizat în cantități mari, în special la îngrășarea animalelor.
La început a existat o reclamă
Cei trei chimiști au folosit ca materie primă substanța metională, un produs natural descompus din metionină. Se credea anterior că reacția în care metionina se transformă în metională cu eliberarea de CO release nu este atât de ușor reversibilă. Acest lucru necesită de obicei presiune și temperatură ridicate. Chimiștii din München au găsit însă o cale mai simplă: au identificat două enzime care, atunci când sunt combinate, produc cantități mari de aminoacizi din dioxidul de carbon metanic și gazos la o presiune de doar doi bari. După optimizarea biocatalizatorilor, cercetătorii Skerra au reușit chiar să obțină randamente de până la 40%, așa cum scriu în revista „Nature Catalysis”.
Experimentele au fost inițial efectuate într-o mică autoclavă de laborator. Procedura a fost relativ simplă: toate ingredientele de reacție au fost turnate în vasul sub presiune și lăsate acolo timp de maximum două zile. După cum au arătat studii detaliate, enzima decarboxilază își face inițial treaba și atașează o grupare CO₂ la metional. Într-o a doua etapă, o grupare amino este apoi transferată de o altă enzimă adecvată. Rezultatul este aminoacidul metionină.
Seria de teste a început cu o ofertă de la compania chimică Evonik, unul dintre cei mai mari producători de metionină. Această substanță este unul dintre cei opt aminoacizi esențiali pentru oameni și este utilizată pe scară largă pentru îngrășarea animalelor, deoarece păsările de curte și porcii își folosesc hrana mai bine prin adăugarea sa. Producția anuală de metionină este de zece milioane de tone. Aminoacidul este produs la scară industrială într-un proces în șase etape în care se folosește cianură de hidrogen - cunoscută și sub numele de cianură de hidrogen foarte toxică -.
În căutarea unui proces de producție mai sigur, Evonik a abordat universitățile germane în urmă cu cinci ani. Au fost selectate o serie de propuneri, inclusiv cea a chimistilor din München. Arne Skerra și colegii săi au putut demonstra succesele timpurii în cooperare, astfel încât proiectul lor de cercetare a fost finanțat de atunci.
Randament ridicat în ciuda condițiilor ușoare
Natura este întotdeauna un model excelent atunci când vine vorba de fixarea CO₂. În timpul fotosintezei - condus de energia luminii - dioxidul de carbon este absorbit de plantele verzi și acumulat în compuși organici. Cu toate acestea, un total de 14 enzime sunt implicate în fixarea CO₂, iar randamentul este de doar 20%. Prin procesul lor, Skerra și colegii săi pot arăta un record mai bun.
În trecut au existat mai multe încercări de a fixa biocatalitic dioxidul de carbon. Cu toate acestea, acest lucru a fost făcut cu CO₂ supercritic, care a cauzat presiuni extrem de ridicate, sau cu soluții care conțin carbonat, care sunt foarte alcaline și, prin urmare, foarte corozive. Oamenii de știință din München, pe de altă parte, utilizează CO₂ gazos în condiții de presiune ușoară și cu un grad de aciditate aproape neutru.
Pe lângă metionină, alți aminoacizi pot fi produși și biocatalitic cu procesul. Chimiștii au reușit să obțină leucină și izoleucină din 3-metilbutanal și respectiv 2-metibutanal. Perfecționarea suplimentară a enzimelor ar trebui să permită o producție pe scară largă în viitor. În anul care vine, Evonik va începe o nouă fabrică de producție de metionină în Singapore, cu o capacitate anuală de 150.000 de tone - dar reacția de vis de la München nu este încă utilizată acolo.