Все просто как дважды два: берем растение и извлекаем из него целлюлозу. Добавляем несколько энзимов, и преобразовываем молекулы целлюлозы в сахар, ферментируем сахар в спирт, очищаем спирт и получаем топливо.

Раз, два, три, четыре - и мы заправляем наши автомобили травой с лужаек и древесной стружкой вместо импортной нефти. Однако не все так просто. Ученым давно известно, как перерабатывать деревья в этанол, но делать это, получая прибыль - совсем другое дело. Мы можем заправлять автомобили травой с лужаек, но не делаем этого из-за отсутствия цены, приемлемой для людей. Вся проблема - в целлюлозе...

Это самая распространенная органическая молекула на планете, потенциально неограниченный источник энергии. Но эту молекулу сложно разбить на составляющие.

Ученые во многих странах мира сейчас усиленно работают над поиском самого эффективного способа расщепления целлюлозы, и, как следствие, получением более продуктивного и экономичного источника топлива и энергии.

Эволюция позволила животным делать это без проблем: у коров, коз и оленей есть особый желудок, где обитают микроорганизмы, переваривающие эту молекулу; у термитов в пищеварительных каналах есть сотни микроорганизмов, которые помогают ее перерабатывать.

Пока ученые бьются над снижением стоимости альтернативных энергетических ресурсов, политики за последние 2 года сошлись на том, что следует поставить нефть на задний план.

Для этого много причин – цель по сокращению нашей зависимости от нестабильных нефтяных регионов, парниковых газов и нормализация цен на нефть. Очевидно, что США хочет заменить 1 млрд. галлонов бензина альтернативным топливом и то побыстрее.

Даже ветеран нефтяной индустрии Джордж Буш признал, что «Америка имеет зависимость от нефти» и установил цель по замене 20% (35 млрд. галлонов) ежегодного потребления бензина страной возобновляемым топливом к 2017 году.

Но как? Водород пока далек от реальности, заправлять автомобили электричеством, генерированным ветром или солнцем - сложная задача. Остается лишь этанол.

На сегодня мы производим его из зерен кукурузы, потому что это легче сделать, чем получить целлюлозный этанол. Но в лучшем случае он производит на 30% больше энергии, чем потребовалось для выращивания и обработки кукурузы.

Кроме этого, удобрения для сырья и интенсивное культивирование загрязняют водные ресурсы, а растущий спрос поднимает цены на продовольствие. По подсчетам, этанол из кукурузы сможет произвести только 15 млрд. галлонов топлива к 2017 году.

Целлюлозный этанол, в теории, намного лучшая ставка. Растения, пригодные для производства этанола такого рода - это просо прутьевидное, быстрорастущее растение, произрастающее на плато Великие Равнины (США и Канада) и тополя, непригодные для продовольствия.

И, согласно совместному исследованию Департамента энергетики и сельского хозяйства США, мы можем выращивать более 1 млрд. тонн такой биомассы на доступной сельскохозяйственной земле, используя минимальное количество удобрений.

Фактически, около 2/3 того, что мы выбрасываем в мусор, содержит целлюлозу, а значит и потенциальное топливо. Целлюлозный этанол производит на 80% больше энергии, чем необходимо для ее выращивания и преобразования.

Поэтому волна общественного и частного финансирования выливается в исследовательские лаборатории. Рискованные капиталисты инвестируют сотни миллионов долларов в разработку технологии целлюлозы. Бритиш Петролеум выделяет $500 млн для Института по бионаукам, которым управляет Университет Иллинойса и Беркли.

Департамент энергетики обязался выделить $385 млн 6 компаниям, которые строят целлюлозные демонстрационные заводы. В июне Департамент энергетики выделило $125 3-м биоэнергетическим центрам на исследование целлюлозного биотоплива.

Но есть одна зацепка: никто еще не выяснил, как генерировать энергию из растений по конкурентоспособной цене. Поэтому на дорогах еще нет ни одного автомобиля, который бы использовал хоть каплю целлюлозного этанола.

Целлюлоза по своему строению - прочная молекула. И это связано с тем, что 400 млн. лет назад, когда растения вышли на сушу из воды им нужны были крепкие стенки, чтобы защитить себя от микробов, элементов и животных. Чтобы пробить эту броню, необходимо обработать стенки растений химическими веществами.

Затем следуют еще 2 сложные стадии: получение энзимов (целлулаза) для разбития целлюлозы на глюкозу и ксилозу, а затем, используя дрожжи и другие микроорганизмы ферментировать эти сахара в этанол.

Шаг, который озадачивает ученых - это энзимы-протеины, которые встречаются в практически бесконечном разнообразии 3-х мерных структур. Энзимы работают во всех живых клетках, обычно ускоряя химические реакции, которые разбивают сложные молекулы.

Ученые получают их из микроорганизмов, которые производят их. Но задача состоит в том, как дешево и быстро производить энзимы для широкомасштабного применения.

На сегодня целлулазы - это эквиваленты энзимов вакуумных труб: медленные, дорогие и громыхающие. Теперь, обеспеченные средствами, ученые и компании кинулись разрабатывать целлюлозный транзистор.

Некоторые ученые пытаются создать микроб, который сможет объединить 2 основных шага в процессе в лаборатории. Другие используют «прямую эволюцию» и генетику для усовершенствования существующих микроорганизмов, производящих энзимы. А другие прочесывают земной шар в поиске новых микробов.

Президент Буш верит, что революция в этом направлении неизбежна. «Мы находимся на грани открытия, которое позволит нам превращать кучку древесных щепок в сырье для топлива», сказал он в феврале этого года.

Пока неизвестно, будет ли автомобиль будущего ездить на древесных щепках. Это может зависеть от успеха в охоте за крошечными энзимами, которые можно обнаружить в любом месте, начиная с желудка термитов в Центральной Америке и заканчивая лабораторией на заднем дворе дома.

Собиратели

Есть ли в природе лучшие энзимы, доселе не обнаруженные? Компания Verenium, основанная в Кембридже, штат Массачусетс на это надеется и прочесывает весь земной шар в поиске необходимой бактерии.

Ученые компании суют свой нос везде - от исследования экскрементов носорога до желудков коров. Поиски привели их на Коста Рику, которая славится самой крупной популяцией насекомых на планете.

Там команда совместно с микробиологом Джерадом Ледбетем и учеными Коста Рики собирала термитов во влажных лесах.

Термиты - мастера обработки целлюлозы. Они используют смесь бактерий, грибков и других микроорганизмов в своем желудке для переваривания листьев и мертвых деревьев.

Распоров желудок термита, который содержит микролитр вещества, содержащую целую экосистему микробов, они доставили его в лабораторию США и изолировали ДНК. Сейчас они совместно с Министерством энергетики исследуют цепочку ДНК для выявления генов, ответственных за создание целлулазы.

«Пробный анализ показал широкое разнообразие энзимов. Теперь мы определим самую эффективную смесь целлулазы, протестировав это на растениях», сказал Грей. Они хотят найти смесь, которая бы быстрей переваривала клетки целлюлозы, чем гриб T. reesei компании Novozymes.

Компания Verenium, в отличие от Novozymes, занимается только топливным бизнесом. Она руководит пилотным биотопливным заводом на западе Луизианы. Это одно из редких мест на земле, где из энзимов получают топливо.

Процесс начинается с багасса (отходы сахарного тростника после экстракции сахара); который фермеры часто отбрасывают. Багасс проходит по контейнеру через нержавеющие стальные трубы, где его обрабатывают кислотой.

Затем его складируют в контейнеры ( диаметр 10 футов) для прохождения 2-х биологических стадий. Вначале микробы направляют в партию для переработки багасса в сахар.

Затем 2 микроорганизма - включая бактерию Escherichia coli, разработанную Лонни Инграмом, микробиологом Университета Флориды используют для ферментации сахара в спирт.

Предприятие выпускает достаточно этанола, чтобы протестировать базовую технологию. Но Джон Дойль, вице-президент проекта, предвидит строительство более крупного демонстрационного предприятия и хочет показать эффективность экономии, даже перед тем, как компания обнаружит правильные энзимы термитов.

Эпилог-прогноз

Скептики утверждают, что «розовые» мечты сторонников целлюлозы могут разбиться о недостатки этого вещества: необходимо будет модифицировать автомобили, существующие трубопроводы не могут транспортировать целлюлозный этанол, и у нас нет столько земли для ее выращивания.

Сторонники же убеждены, что если топливо будет дешевым и в достаточном количестве, то за этим последует инфраструктура. Например, доктор Линд указывает на тот факт, что автомобили в Бразилии уже модифицированы для езды на этаноле.

Но даже Линд не может предсказать будущее: «Я верю, что в течение 5 лет все спорные вопросы по преобразованию целлюлозной биомассы в этанол будут решены».

Все просто, как дважды два - есть деньги и есть спрос, нужно только найти формулу, а об остальном позаботится сам рынок.

www.newchemistry.ru