Газовая ферментация в химические продукты

Металлургические и нефтеперерабатывающие заводы выпускают колоссальные потоки монооксида углерода и углекислого газа с примесью водорода — газов, слишком разбавленных и грязных для большей части химии, но идеально скроенных для одной группы анаэробных бактерий. Ацетогены едят монооксид углерода. Реактор, полный Clostridium autoethanogenum, превращает доменный газ в этанол при комнатной температуре и атмосферном давлении — вот почему газовая ферментация вообще существует как отрасль. Интересны две вещи: насколько дёшев сам метаболизм и насколько дорога окружающая его физика.

Путь Вуда–Льюндаля: фиксация без АТФ

Всякий иной автотрофный образ жизни платит за фиксацию углерода. Цикл Кальвина тратит несколько АТФ на молекулу CO2; фотосинтетический аппарат — солнечный свет. Ацетогены ведут путь Вуда–Льюндаля, где два однокарбонных фрагмента — один на фолатоподобном кофакторе в метильной ветви, другой связан никель-железным ферментом в карбонильной — соединяются ацетил-КоА-синтазой в ацетил-КоА, универсальную клеточную строительную деталь. Стадия образования связи C–C не потребляет ни одной АТФ; это самый экономный из известных механизмов фиксации углерода. Энергетический фокус в том, что CO сам по себе отличный донор электронов: ацетоген способен жить на одном монооксиде углерода, беря из него и углерод, и восстановительную силу. В учётной форме этанол из чистого CO: 6CO + 3H2O в этанол + 4CO2; этанол из обратного, безуглеродного случая: 2CO2 + 6H2 в этанол + 3H2O. Поскольку клетка восстанавливает ровно столько, сколько нужно для баланса электронов, природный продукт — смесь ацетата и этанола, сдвигаемая к этанолу низким pH и восстановительным газом, — те рычаги, что держат операторы. Чего метаболизм никогда не даёт, так это спектра: никакого распределения продуктов роста цепи, как в синтезе Фишера–Тропша, — одна молекула, с селективностью, которой катализаторный маршрут не достигает.

Узкое место, не являющееся биологическим

Лимитирующая величина сидит вне клетки. CO, CO2 и H2 — одни из наименее растворимых в воде газов: порядка миллимоля на литр при атмосферном давлении и для водорода, и для монооксида. Бактерия способна съесть только то, что растворилось до её мембраны, поэтому продуктивность реактора задаёт объёмный коэффициент массопереноса — скорость, с какой газ перескакивает в жидкость. Всё дорогое в газовой ферментации следует отсюда: тонкопузырчатый барботаж, энергичное перемешивание, сосуды под давлением, чтобы втолкнуть в раствор больше газа, схемы удержания клеток, позволяющие жидкости оставаться, пока газ проносится мимо. По той же причине преимущества биологии по терпимости значат меньше, чем обещают: ацетогены прощают следы серы, убивающие металлический катализатор, и чинятся сами, но никакая терпимость не отменяет закон Генри.

Вниз по цепочке — старая экономика брожения

Продукт выходит разбавленным — несколько процентов спирта в воде, — так что ректификация становится крупной энергетической статьёй, ровно как в зерновом этаноле. Сам продукт встраивается в цепочку drop-in-топлив: рециклинговый этанол кормит ту же каталитическую схему спирт-в-реактивное, что и растительный. Передний край маршрута — кормить ацетогены электронами напрямую, тема микробного электросинтеза. Химия, стало быть, решена и изящна; инженерная величина — с какой скоростью газ растворяется — решает, станет ли металлургический завод нефтепереработкой.