3D tištěný bioreaktor přemění metan na metanol jako nic  
Jak vyrobit bioreaktor na výrobu metanolu z metanu? Stačí si sehnat šikovný enzym z metanotrofní bakterie, vhodný polymer a 3D tiskárnu.

 

Právě vytištěný 3D tištěný polymer s enzymy. Kredit: George Kitrinos / LLNL.
Právě vytištěný 3D tištěný polymer s enzymy. Kredit: George Kitrinos / LLNL.

Technologický pokrok v těžbě ropy a zemního plynu přinesl nová ohromná ložiska zemního plynu, který z velké části obsahuje metan. S metanem je ale problém, protože se oproti kapalným palivům obtížně skladuje a transportuje. Metan navíc, ať už pochází z těžby na nalezištích anebo ze zemědělství i přírodních zdrojů, přispívá k nemalé části soudobého globálního oteplování, jako velice schopný skleníkový plyn. Co s ním?

 

 

Sarah Baker. Kredit: George Kitrinos / LLNL.
Sarah Baker. Kredit: George Kitrinos / LLNL.

 


V současné době sice existují průmyslové technologie, s jejichž pomocí lze z metanu vyrobit zajímavé produkty, obvykle ale fungují za vysokých teplot a tlaků, a bývají komplikované. Metan zpracovávají na finální produkty jenom s malou účinností a vyplatí se jedině při produkci ve velmi velkém měřítku. V současné době je ale přitom poptávka po ekonomicky výhodných technologiích zpracování metanu na zajímavé uhlovodíky ze zdrojů, které jsou malé, jen dočasné, anebo obtížně dostupné.


Vědci laboratoří Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) nabízejí velmi rafinované řešení, které spojuje biologii a technologii 3D tisku. Vytvořili tak bioreaktor, který umí nepřetržitě z metanu vyrábět metanol, za pokojové teploty a tlaku. Dokázali to tak, že si vypůjčili enzymy od metanotrofních bakterií, které jsou specializované na konzumaci metanu, a tyto enzymy smíchali s polymery, které pak vytiskli 3D tiskárnou do podoby bioreaktorů. A je to bomba, přinejmenším podle časopisu Nature Communications, který jejich výzkum uveřejnil.

 

Výroba 3D tištěného polymeru v LLNL. Kredit: George Kitrinos / LLNL.
Výroba 3D tištěného polymeru v LLNL. Kredit: George Kitrinos / LLNL.

 


Vedoucí projektu chemička Sarah Baker se pochlubila, že si takto zpracované enzymy v polymeru udržely až 100 procent své původní aktivity. Výhodou rovněž je, že enzymy ve 3D tištěném polymeru představují velmi praktickou a široce použitelnou platformu, kterou bude možné využít v mnoha různých aplikacích v energetickém nebo chemickém průmyslu.

 

Jediný známý katalyzátor, ať už jde o průmyslové nebo biologické procesy, který umožňuje přeměnu metanu na metanol za pokojových podmínek a se slušnou účinností, je enzym metan–monooxygenáza (MMO). Na této reakci mohou pracovat i samotné metanotrofní bakterie, které mají uvedený enzym ve své výbavě. Takový postup by ale vyžadoval další energii navíc pro životní pochody bakterií a nebyl by proto až tak efektivní. Bakerová a spol. si tudíž vzali enzymy metanotrofů a použili je přímo k výrobě metanolu.

 

Lawrence Livermore National Laboratory
Logo: LLNL


Ukázalo se, že to bylo šťastné řešení. Enzymy šikovně umístěné v polymerech bioreaktorů zaručují dobře kontrolované reakce v pokojových podmínkách a také slušnou efektivitu přeměny metanu na metanol. 3D tištěný polymer s enzymem lze využít mnohokrát opakovaně, což rovněž přispívá k jeho atraktivitě pro vývoj nových technologií. Podle Joshuaha Stolaroffa z týmu Bakerové nejsou dnešní průmyslové bioreaktory pro přeměny plynů na kapaliny příliš vhodné. S jejich konceptem enzymů ve 3D tištěných polymerech se otevírají možnosti vývoje nových typů bioreaktorů, s mnohem vyšší produkcí a nižší spotřebou energie. 

Literatura
Lawrence Livermore National Laboratory 15. 6. 2016, Nature Communications online 15. 6. 2016.

Datum: 16.06.2016
Tisk článku

Stavebnice Geomag Pro metal 60 pcs -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 999 Kč
cena: 899 Kč
Stavebnice Geomag Pro metal 60 pcs

Související články:

Japonci poprvé na světě vytěžili plyn z podmořských hydrátů metanu     Autor: Stanislav Mihulka (17.03.2013)
Zničily permský svět zlovolné metanosarcíny?     Autor: Stanislav Mihulka (02.04.2014)
Jak z oxidu uhličitého vykouzlit metanol?     Autor: Stanislav Mihulka (11.02.2016)



Diskuze:

Chemická nádhera, ekonomický nesmysl

Kamil Kubů,2016-06-17 09:28:12

Jako interdisciplinární práce v oboru chemie a mechaniky naprosto vynikající. Ale z pohledu perspektivy levné průmyslové produkce obnovitelného paliva s užitečnými vlastnostmi je to jenom bláznova naděje. Stavět továrnu na přeměnu metanu na metylalkohol tímto způsobem jenom proto, že se metanol lépe skladuje a transportuje než metan, je čiré bláznovství.

Stačí vyjít ze skutečné rovnice přeměny, uvedené v citované práci na Nature.com

CH4 + O2 + 2e + 2H -> CH3OH + H2O

a přiznání autorů že "A convenient reductant for industrial use would be hydrogen, which can be used to regenerate NADH catalysed by hydrogenase enzymes, and which can be reformed from a portion of the methane fed to the system."

Jinými slovy, na každou molekulu metanu, kterou přeměníte na molekulu metanolu spotřebujete další molekulu metanu, aby jste získali potřebné množství vodíku jako vstupní materiál přeměny, pokud budeme uvažovat výrobu vodíky z metanu reformací. Alternativou by bylo elektrolýzou rozkládat vzniklou vodu a tak vodík regenerovat a nespotřebovávat jako vstupní materiál. Ale to je jen výměna látky (CH4) za energii (elektrolýza).

Aby to celé dávalo ekonomicky smysl, musela by celá infrastruktura plus operační náklady katalytické přeměny metanu na metanol být levnější než infrastruktura a provozní náklady na zkapalňování metanu. A o tom se dá s úspěchem pochybovat, i když se budeme bavit pouze o finančním vyjádření. Pokud bychom do toho zahrnuli i poněkud problematický ukazatel EROEI, pak se obávám že nový objev prohrává na celé čáře.

Odpovědět


Též klamavá reklama. Protože jako obyčejný smrtelník nemám přístup do Nature, tak jsem se naivně domníval, že zvládli CH4 +1/2 O2 = CH3OH+-2e obvodem

Josef Hrncirik,2016-06-17 10:20:24

Odpovědět


Re: Též klamavá reklama. Protože jako obyčejný smrtelník nemám přístup do Nature, tak jsem se naivně domníval, že zvládli CH4 +1/2 O2 = CH3OH+-2e obvodem

Kamil Kubů,2016-06-20 08:33:26

Já se tedy z hlediska dostupnosti vědeckých publikací za obyčejného smrtelníka rád považuji.

Na téhle adrese je oznámení LLNL https://www.llnl.gov/news/3-d-printed-polymer-turns-methane-methanol

Odtamtud pak vede link přímo na publikaci Nature
http://www.nature.com/ncomms/2016/160615/ncomms11900/pdf/ncomms11900.pdf

Další zarážející fakt, je intenzita reakce. Samotný enzym má podle studie "výkon" "activity of pMMO alone( 96±15 nmol MeOH min-1 mg-1)". Jinými slovy, potřebujete tunu enzymu pMMO abyste vyrobili cca 96 mol žádoucího produktu za jednu minutu, což představuje cca 2,5 litru. V roce 2015 se v ČR spotřebovalo cca 7,5 miliardy litrů pohonných hmot (benzín a nafta). Při totálně kontinuálním provozu 24X7 365 dní v roce by bylo potřeba pro výrobu tohoto množství paliva cca 5700 tun enzymu pMMO, který by se neopotřebovával, nespotřebovával, neničil, prostě byl by už navždy. A to je jistě pouze zbožné přání, ke kterému bude mít realita přímo neskutečně daleko. Zatímco v živých organismech dochází k jeho potřebné syntéze pravděpodobně kontinuálním způsobem, pro biorekator by bylo potřeba jej neustále vyrábět a formovat 3D tiskem do formy náplně boirekatoru. Stačí si v článku přečíst postup získávání potřebného množství enzymu z buněčného materiálu a převést si to průmyslové výroby v řádech desítek tisíc tun za rok. Kapitálové a provozní náklady je potřeba přičíst k nákladům na přeměnu metanu na metanol.

A to celé jen proto, že metanol se lépe natankuje do nádrže než metan.

Odpovědět


Nature = zdroj poučení, ale především zábavy

Josef Hrncirik,2016-06-21 08:17:13

Díky za link, po několika pokusech mě to dovedlo po článku až k supplementu.
Nicméně, pokud jsem hledal něco důležitého jinde, tak min. za 30 stříbrných jako vždy.
Trochu srandy zdarma: kultivovali 16 lt, ale kolik MMO vykultivovali neuvedeno. Jen při jaké koncentraci ho uskladňovat.
Z fig.3 je vidět, že po 20 cyklech oxidací je to mrtvé z 1/2.
s. 4. lifetime turnover 4,3 nmol/mg MMO ? potom kremace.
s. 6. cca 11.ř. :koncentrace CH3OH byla jen 12 - 6% očekávané.
s.8 gas phase. CH4/vzduch = 1/1. Proč to nemíchají s čistým O2. Skutečně si ty granty nezaslouží. To můžou zrovna pálit dolary v Sýrii.
A to si přitom v tab.1 suplementu namodelovali že v tlustých střevech by měli míchat CH4/O2 = 1/7 a v tenkých 1/10. Proč tak nečinili?
Krásně to rozjeli: 4 mg NADH/ml 25 i 40°C, stačí si vybrat gas 0,5 liquid; 0,75 ml/min; 5 mg MMO/ml ? kolik mg se ale tají a analýza roztoku metylu taky. Ještě by z toho ruský troll či Putin mohl vypočítat rychlost tvorby meťáku kg/m3*den v počátečně nadšeném a doposud vidícím 3D reaktoru.
Obr.3: Po 300 min. provozu je průtočný 3D reaktor mrtev ze 2/3 a zralý na kremaci. Amen.
Na játra alkoholikovy to stále nemá.

Jaká je spotřeba nebohých nosiček vody NADH na vytažení 1ks CH3OH do horské prémie?
Určitě jen teoretické 2 ks?

Odpovědět

Katalyzátor na každú kravu aby prešla emisnou kontrolou

Tomáš Štec,2016-06-16 22:40:11

No a teraz dostane každá krava plynopriepustnú odbočku z hrubého čreva, druhé (syntetické) vemeno s týmto bioreaktorom, a popri dojení sa dá ešte rovno aj natankovať…

Odpovědět


Skutečným vrcholem evoluce a konečnou jsou játra alkoholikovy a plíce kuřákovy

Josef Hrncirik,2016-06-17 07:12:25

Játra 1kg, plíce 0,8 kg na O2 + 0,8 kg na CH4 + 4 kg krev = 7kg drobů (13 l) = cca 350,- Kč v akci.
Při poklesu výkonu na 1/2 po 120 dnech (vedlejší oxidace krví) je lze smluvně vykoupit za 1/2, tj. proinvestováno 175,- Kč.
Pro udržení 60 let výkonu v záruce je zapotřebí dodávat cca 1g bílkovin/1 kg*den, tj. provozní náklady 1 dne jsou 175,-/120 + cca 2,- stravné = 3,5 Kč/den.
Udávaná oxidační mohutnost lidské síly je 3,5 ml O2/kg*min; agregát 7kg pak má potenciál 35 280 ml STP, tj. 1,6 mol O2/boží den, tj. při 2 CH4 + O2 = 2 CH3OH = 102 g CH3OH/den = 33,- Kč/kg metyláku*den při váze agregátu 69 kg (tj. objemu 127 l).
Je to min. 3*dražší než z reaktoru.
Enzym (kvasinky) přestávají fungovat při cca 10% alkoholu.
Produkt agregátu by tedy byl cca 10 l 10% methanolového vína za 33,-Kč; které by bylo nutno přepálit na čistý, jedině konkurence schopný 100% methanol.

Odpovědět


2D tisk poukázek na palivo ($) je určitě jednoduší a lukrativnější

Josef Hrncirik,2016-06-17 07:25:16

Odpovědět

Takhle své školné nikdy neumoří. Trhy si žádají jen koncovku. 2 CH3OH = C2H5OH + H2O

Josef Hrncirik,2016-06-16 21:42:40

Odpovědět


Re: Takhle své školné nikdy neumoří. Trhy si žádají jen koncovku. 2 CH3OH = C2H5OH + H2O

Milan Krnic,2016-06-18 14:02:48

Hlavní je, že to pomůže boji proti tomu soudobému globálnímu oteplování.
Kdy tedy jen zbývá doladit pár maličkostí, jako je třeba určit výchozí globální planetární teplotu, abych snad konečně věděl, oproti čemu že se to globálně otepluje.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace