BME Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar

A fenntarthatóság és a szénhidrátok kémiájának legfrissebb eredményeit foglalták össze műegyetemi szakemberek az Amerikai Kémiai Társaság havi folyóiratában.

 

Manapság sokan beszélnek a „zöld” kémia, a fenntartható kémia és a fenntartható fejlődés fogalmáról: ezek gyakran összemosódnak, különösen ha olyan kifejezésekkel használják együtt mint a biomassza és a megújuló nyersanyagforrások – hangsúlyozta Mika László Tamás, a Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar (VBK) Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék tanszékvezetője, aki a témáról kollégáival együtt a közelmúltban publikált a rangos Chemical Reviews hasábjain. Hozzátette: „a zöld mozgalmak képviselői gyakran gondolják úgy, hogy a megújuló energiaforrásokkal vagy vegyipari alapanyagokkal a jövőben az emberiség minden energia- és nyersanyagigényét fedezni lehet, holott ez korántsem ilyen egyértelmű. Fontos, hogy megalapozott számításokra, tudományos igényű kutatásokra épüljenek a fenntarthatósághoz kapcsolódó jóslások”. Ezt segítheti elő a folyóirat tematikus különszáma, amelyben Cséfalvay Edittel, a Gépészmérnöki Kar (GPK) Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék docensével és Németh Áronnal, a VBK Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék adjunktusával a kérdéskör szénhidrátokra vonatkozó részét és a témakörben releváns fenntarthatósági mutatókat foglalták össze.

 

 

Az Chemical Reviews az Amerikai Kémiai Társaság (American Chemical Society) havonta megjelenő lapja, amelyet 1924-ben alapítottak. A szakmailag szigorúan lektorált (peer-review) havi szemle impakt-faktora 47,9, ami a terület legrangosabb fórumává teszi. (Az impakt faktor, azaz a hatástényező egy adott folyóirat idézettségének elemzésén alapuló, a tudományos teljesítményt mérő mutató. Ez jelzi, hogy mennyi a lap két egymás utáni évfolyamában közölt cikkek átlagos idézettsége a rákövetkező harmadik évben – a szerk.) A fenntartható kémiáról szóló tematikus számot Horváth István Tamás professzor, a City University of Hong Kong Kémiai Tanszékének egyetemi tanára, a BME címzetes egyetemi tanára, a terület nemzetközi szaktekintélye szerkesztette. A csaknem nyolcszáz oldalas, nyolc tanulmányt magában foglaló kiadvány tartalmazza az elmúlt néhány év szakirodalmának a biomassza alapú energiaforrásokra és vegyipari alapanyagokra vonatkozó legfontosabb eredményeit; szó esik benne többek között a energia-tárolásról, a víz, mint oldószer szerepéről, a biomasszában található egyik komponens, a lignin átalakításáról, a vegyiparban óriási mennyiségben használt oldószerekről, a szén-dioxid átalakításáról, polimerkémiáról, valamint a biokatalízisről, ami nélkül a modern gyógyszeripar, vegyipar, élelmiszeripar nem létezhet.   A folyóirat lapjain első ízben jelent meg olyan közlemény, amelynek összes szerzője műegyetemi oktató-kutató. (Műegyetemi cikkírók korábban csak társszerzőként szerepeltek – szerk.). A 108 oldalas és 762 hivatkozást tartalmazó tanulmány címe: Catalytic Conversion of Carbohydrates to Initial Platform Chemicals: Chemistry and Sustainability (Szénhidrátok átalakítása elsődleges platformmolekulákká: kémia és fenntarthatóság).

 

„A kutatócsoportom csaknem nyolc éve foglalkozik a biomassza alapú úgynevezett platform molekulák témakörével, előállítási körülményeik tökéletesítésével, újabb alkalmazási lehetőségek felderítésével, így adódott a feladat, hogy a szénhidrátok átalakítását is megvizsgáljuk” – emlékezett Mika László Tamás.

 

 

A folyóirat felkérése arra szólt, hogy kritikus elemzéssel foglaljuk össze az elmúlt néhány év szakirodalmi eredményeit. Hamar kiderült, hogy a rendkívüli mennyiségű szakcikk feldolgozását és szelektálását egyedül nem lehet végrehajtani, szükséges a kari és tanszéki összefogás. Az is világossá vált, hogy a kémia önmagában kevés a fenntarthatóság megértéshez és elemzéséhez. A fenntarthatósági aspektusokat Cséfalvay Edit összegezte – részletezte a kutató. „Mivel bizonyos platform molekulákat nem lehet biotechnológia nélkül előállítani, így találtuk meg Németh Áront, akivel korábban már dolgoztunk” – fűzte hozzá.

 

A platform molekulák – kiindulási vegyületek – építőelemek: sokféle bonyolult anyagcsoport, amelyek lehetnek további köztes - és végtermékek. A klasszikus petrolkémiai ipar igen kisszámú platform molekulát használ, amelyek közül a legfontosabbak: a benzol, a toulol, a xilolok, az etilén, a propilén, a butadién, és a szintézisgáz (CO, H₂). A biomasszára épülő kémia ennél sokkal szerteágazóbb vegyületcsoportokkal dolgozik; ezeket a hazai és a nemzetközi kutatások egyaránt nagy erőkkel vizsgálnak. „Az egyik platform vegyületről, az 5-hidroxi-metil-2-furfural molekuláról például csak 2013-ban egy olyan száz oldalas összefoglaló cikk jelent meg, amely 543 hivatkozásra épül” – illusztrálta a terület iránti hatalmas érdeklődést Mika László Tamás. A munka nehézségét így főként a szakirodalom megfelelő szempontok szerinti szűkítése jelentette – beszélt a feladat egyik legnagyobb kihívásáról.

 

 

Hogyan foglaljuk össze a kémia és a fenntarthatóság kérdéskörét? – tette fel a kérdést a szakember, majd kifejtette: kémiai alapokat a kémia és a termodinamika törvényszerűségei diktálják. A kutatók a kémiai és a biotechnológiai reakciómechanizmusok objektív alapjaira támaszkodva szelektáltak a releváns eredmények közül. Az egyensúlyi reakciók, az energiaszintek és a termodinamika molekuláris szinten határozza meg a fenntarthatóságot. „Ha például egy eljárás során 50% melléktermékem van, semmiképpen nem fogok tudni 100% hozamot elérni a kívánt termékből” – szemléltette példával az elmondottakat. Hozzátette: „ezt szűrőként rögzítettük a cikkek kigyűjtésénél is: az 50%-nál kisebb hozamú eljárások közül csak egy-két különösen érdekeset említettünk a tanulmányunkban”. 

 

A cikk alfejezetei meghatározott struktúrát követtek: az adott platform molekulát és történetét bevezető néhány gondolat után az ipari felhasználhatóság, később az esetleges gazdasági mutatók részletei következtek. Utána az előállításukra vonatkozó reakciómechanizmusokat összegezték – azaz elméletileg mit tesz lehetővé maga a kémia –, ezután számba vették a tudományos-technikai előállítási lehetőségeket, lépéseket, és kihívásokat. Az alapszintű biotechnológiai kutatásoknál a legmodernebb genetikai eredményeket is taglalták, amelyeket konklúzióval és kitekintéssel zártak le.

 

„A fenntarthatóság energetikai és termodinamikai alapokra épül, amivel az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszéken foglalkozom” – mesélte Cséfalvay Edit, aki megerősítette, hogy a legnagyobb kihívás a cikkek megfelelő szelektálása volt: saját területén például több mint ötszáz különféle mutatóval dolgoztak. Ismertetése szerint a feladata azon mérőszámok összegyűjtése és értékelése volt, amelyeket korábban a kutatók a biomassza-feldolgozással termékekre, eljárásokra, reakciókra megalkottak. „Ugyan a tanulmány 99%-a review, tehát összefoglaló munka, de beleépítettem abba a Horváth professzorral korábban kidolgozott, és nagyon hasznosnak bizonyuló úgynevezett etanol ekvivalensre vonatkozó vizsgálódásainkat” – osztotta meg a részleteket a bme.hu-val.

 

 

Az etanol ekvivalens (EE) azt az etanol mennyiséget jelenti – kilogrammban, tonnában, vagy millió tonnában kifejezve –, amellyel fedezni lehet egy adott nyersanyagból előállított energia mennyiségét, vagy amelyből egy adott szén-alapú vegyi anyag termelése biztosítható. Az EE numerikus értéket közöl arra, hogy fenntartható-e egy-egy molekula előállítása, így egy közös „nyelvként”, mutatóként használható a fosszilis és a biomassza alapú nyersanyagok, termékek, eljárások és technológiák összehasonlítására. A mérőszám látványosan mutathatja be azt is, mekkora területet kell kukoricával beültetni, hogy a kérdéses mennyiségű etanol létrejöjjön. A cikk bírálói egyértelműen üdvözölték az új mutató bevezetését. „Ez a mérőszám objektív, politikai-társadalmi-gazdasági érdekektől mentes termodinamikai fogódzókat ad ahhoz, hogy fenntartható-e egy adott termék, vagy vegyi eljárás” – ecsetelte Cséfalvay Edit.

 

 

A biológiai-biotechnológiai szakirodalom áttekintését Németh Áron vállalta. „Kutatócsoportom alkalmazott mikrobiológiával és ennek iparosításával foglalkozik a Fermentációs Félüzemi Laborban”  – mesélte, hozzátéve, hogy „a cikkben a platform molekulákra koncentráltunk, de lehetett volna a kisebb volumenű, de nagyobb hozzáadott értékű anyagok előállítását kutatnunk, mint például a prebiotikumok, a vitaminok, a hormonok, a peszticidek, stb. Szűkítenünk kellett a kört, ami nehézséget jelentett”.

 

 

A kutató szakterületén új távlatokat nyitott a genetika fejlődése felé, amelynek módszereivel lényegében minden átalakítható más vegyületté. A módosított gének termékei (fehérjék, enzimek) a természetben egyébként nem végbemenő reakció utakat is létrehozhatnak. Komplex rendszerek, új vagy megváltozott anyagcsere utak jöhetnek létre, aminek óriási irodalma van. „Kezdetben minden, az iparban fontos mikroorganizmust vizsgálva akartam megrajzolni egy táblázatot, de olyan hatalmas lett volna, hogy mindenképpen szűkítenem kellett. A biotechnológiában csak az ipari alkalmazás küszöbén álló, vagy már meg is valósult kutatásokat vettem figyelembe. Nagy tanulsága volt a munkánknak, hogy elsajátítottuk a szelektív olvasást” – árulta el Németh Áron.

 

A műegyetemi oktatók-kutatók a bírálati fázis után még két hónapig dolgoztak a visszakapott szöveggel. „A cikkből leszűrt konklúziókat már beépítettem az őszi kurzusaimba” – világított rá az oktatásban is hasznosuló eredményekre Mika László Tamás. Kiemelte: „a hallgatók számára a törzsanyag leadása mellett a legfrissebb nemzetközi eredmények bemutatása is fontos, és ehhez kiváló alkalmat adott e cikk megírása. Legjobb tudomásunk szerint nincs olyan összefoglaló közlemény, amely együtt dolgozza fel a biokémiai és a klasszikus katalitikus kémiai átalakításokat. Bízunk benne, hogy a vegyészeken, vegyészmérnökökön kívül a fenntarthatósággal szélesebb értelemben foglalkozó szakemberek egyaránt haszonnal forgatják majd közleményünket”.

 

HA - GI

Fotó: Philip János

 

Forrás: bme.hu