Распределённая биоэнергия

Несмотря на простоту бактерий, особенно по сравнению с многоклеточными организмами, эти крошечные существа за многие миллионы лет эволюции обрели ряд нетривиальных способностей. Они проявляют свойства катализаторов, синтезируют различные вещества, размножаются, сами себя ремонтируют, поглощают углекислый газ и даже окисляют металлы.

Используя биологические свойства бактерий, можно разработать немыслимые ранее технологии – дешёвые и применимые в разных сферах. Перспективное научное направление синтетическая биология позволяет внедрять в цепочку ДНК специальные фрагменты для того, чтобы бактерия синтезировала требуемые вещества. Эта наука уже достигла немалых успехов. Например, синтезированы одноклеточные зелёные водоросли, оптимизированные для производства биотоплива, – они в повышенных количествах вырабатывают жиры.

Невидимые помощники

Что ещё можно сделать с помощью синтетической биологии? Мы считаем, что она позволит производить материалы и структуры, которые иначе изготавливать неэффективно или даже невозможно, а также организовывать специфические технологические процессы.

Возьмём для примера электронный мусор. Ежегодно жители развитых стран выбрасывают миллионы тонн ненужной им электроники. «Высокотехнологичный» мусор на 80% оказывается на свалках и бездарно сжигается. Тем временем из 100 тыс. смартфонов можно извлечь 2,4 кг золота, 900 кг меди и 25 кг серебра. При этом мы не учитываем энергию, которая была потрачена на производство электронных устройств, – только материалы.

Кропотливая ручная работа по разборке смартфонов и извлечению микрограммов золота и серебра из каждой микросхемы не окупится. Нужно поручить эту работу кому-то, кто сможет работать на микроуровне, не требуя повышения зарплаты и улучшения условий труда.

В золотодобыче сегодня широко используется технология кучного выщелачивания. Груда шихты поливается жидкостью, которая растворяет металлы, оставляя пустую породу. При этом для химобработки нередко используются крайне токсичные цианиды. Но давайте подумаем, можно ли извлекать драгметаллы из старой электроники более чистым способом? Для этого мы предлагаем на первом этапе с помощью специально синтезированных бактерий окислить металлы и перевести в раствор, на втором – восстановить их из растворённых соединений (см. рис.).

Специально сконструированные бактерии
помогут в переработке электронного мусора

Для глубокой переработки электронного мусора нужно будет иметь бактерии, настроенные на растворение самых разных металлов, в том числе редкоземельных. А как насчёт создания микроорганизмов для извлечения пластмассы из свалок?

Спускаясь на наноуровень

Между тем синтетическая биология пригодна не только для «разборки», но и для «сборки» высокотехнологичных электронных приборов. Бактерии способны создавать сложные молекулы и структуры, синтез которых прямым образом обойдётся слишком дорого. Например, это могут быть нанопровода строго определённой длины.

Вы знаете, что современные полупроводниковые фабрики с их чистыми комнатами и безумно сложным оборудованием стоят миллиарды долларов. Потому что для точного и полного контроля наноструктур в процессе их производства требуется огромная концентрация энергии. И здесь нам на помощь придут бактерии, имеющие встроенные механизмы производства, контроля и ремонта наноструктур. Их можно будет использовать в обычных условиях, без чистых комнат.

Разделяй и властвуй

Кроме того, синтетическая биология пригодна и для изготовления макрообъектов. Это, например, биоплёнки, которым можно научиться придавать необходимые свойства: электрической проводимости, оптического преломления и даже программируемой адгезии. Планомерно двигаясь по этому пути, мы научимся изготавливать дешёвые и качественные мембраны, настроенные на специфические задачи.

Следует ли напоминать, что аккумуляторы электроэнергии, топливные элементы, фильтры обратного осмоса немыслимы без мембран? И мало кто знает, что в США около 16% общего энергопотребления приходится на процессы разделения различных веществ в установках обессоливания, центрифугах, фильтрах, флотационных машинах и т. д. Если заменить все установки дистилляции на мембранные системы, можно экономить 2 трлн киловатт-часов энергии в год.

Выпускаемые в настоящее время мембраны характеризуются высокой стоимостью, неспособностью работать в жёстких условиях (высокие температуры и давления, концентрированные кислотные или щелочные среды), слабой селективностью и склонностью к зарастанию различными веществами. Между тем в бактериях имеются мембраны, свойствам которых можно только позавидовать. При том, что в последнее время в природе обнаружены микроорганизмы, выживающие в весьма жёстких условиях. По нашему мнению, промышленные процессы разделения различных веществ нужно постепенно переводить на биологическую основу.

Тупиковый период?

Обычно микроорганизмы требуют стабильной подачи питательных веществ, поддержания постоянных температуры и кислотности среды. Мы помещаем бактерии в химические реакторы и стараемся удерживать все необходимые параметры в допустимых пределах.

Чтобы наши маленькие помощники работали хорошо и «чувствовали себя счастливыми», созданы специфические биореакторы. В них имеются датчики температуры и кислотности среды, электропривод и лопатки для постоянного перемешивания смеси, аэраторы для нагнетания воздуха или кислорода, насосы и трубы для подачи питательных веществ и т. д. Получается достаточно сложная система, потребляющая немало электроэнергии и повышающая себестоимость конечной продукции. Эта проблема становится совершенно очевидной в случае, когда нужно нарастить объёмы производства путём его масштабирования.

Жизнь в силосной яме

Давайте вспомним, что традиционный биореактор, обеспечивающий промышленные объёмы производства, представляет собой большую силосную яму. Её содержимое можно перемешивать лопатой – с трудом и крайне медленно. О поддержании одинаковых параметров реакции по всему объёму силосной ямы можно забыть. Как же управлять подобным производством?

Гигантская силосная яма заполнена

На помощь приходит концепция параллельного инжиниринга, которую сформулировал Марио Гарсия Санз (см. «Энерговектор», № 7/2018, с. 4). В данном случае речь может идти о подстройке состава биокатализаторов и других действиях в разных частях реактора по мере локальных изменений параметров среды. Например, в случае резкого подскока кислотности среды нужно её погасить.

Для подобного управления потребуется целая система датчиков температуры и кислотности. Также нужно будет иметь распределённую систему актуаторов, то есть труб для подачи биокатализаторов, питательной смеси, реагентов и воздуха.

Нужно понимать, что, в отличие от обычных химических катализаторов, биологические живо реагируют на рабочие условия. То есть бактерии сами могут служить индикаторами состояния среды. Для эффективного поддержания оптимальных режимов в разных частях силосной ямы (где-то извлекаются готовые продукты, а где-то только были засыпаны свежие реагенты), вероятно, потребуются разные вариации рабочих микроорганизмов или даже целое сообщество бактерий, поддерживающих разные этапы процесса.

Используя подобный подход, можно существенно удешевить биотопливо. Но всё же, по нашему мнению, биотехнологии лучше служат целям сохранения природы, вторичной переработки материалов и энергосбережения, чем непосредственного производства энергоносителей.

Об авторах: Виктория Чернова – член научного совета агентства ARPA-E, Марк вон Кейц – директор исследовательской программы ARPA-E.

Эта статья первоначально была опубликована в газете «Энерговектор»".

распечатать     добавить в «Избранное»