Это похоже на современную алхимию: превращение сахара в углеводороды, содержащиеся в бензине.

Но именно это и сделали ученые.

В предстоящем исследовании, опубликованном в журнале Nature Chemistry, исследователи сообщают об использовании чудес биологии и химии для превращения глюкозы (одного из видов сахара) в олефины (один из углеводородов и один из нескольких типов молекул, из которых состоит бензин).

Проект возглавляли биохимики Чжэнь К. Ван из Университета Баффало и Мишель Чанг из Калифорнийского университета в Беркли.

Этот документ, который будет опубликован 22 ноября, знаменует собой прогресс в усилиях по созданию экологически безопасного биотоплива.

По словам Ванга, олефины составляют небольшой процент молекул в бензине, который производится в настоящее время, но процесс, разработанный командой, вероятно, может быть скорректирован в будущем для получения и других типов углеводородов, включая некоторые другие компоненты бензина. Она также отмечает, что олефины имеют нетопливное применение, поскольку они используются в промышленных смазках и в качестве прекурсоров для производства пластмасс.

Двухэтапный процесс с использованием микробов, поедающих сахар, и катализатора.

Чтобы завершить исследование, исследователи начали с кормления глюкозой штаммов кишечной палочки, которые не представляют опасности для здоровья человека.

«Эти микробы — сахарные наркоманы, даже хуже, чем наши дети», — шутит Ван.

E. coli в экспериментах была генетически модифицирована для производства набора из четырех ферментов, которые превращают глюкозу в соединения, называемые 3-гидроксижирными кислотами. По мере того как бактерии потребляли глюкозу, они также начали производить жирные кислоты.

Чтобы завершить преобразование, команда использовала катализатор под названием пятиокись ниобия (Nb2O5), чтобы отщепить нежелательные части жирных кислот в химическом процессе с образованием конечного продукта: олефинов.

Ученые идентифицировали ферменты и катализатор методом проб и ошибок, тестируя различные молекулы со свойствами, которые соответствовали поставленным задачам.

«Мы объединили то, что биология может сделать лучше всего, с тем, что химия может сделать лучше всего, и мы объединили их, чтобы создать этот двухэтапный процесс», — говорит Ван, доктор философии, доцент биологических наук Колледжа искусств и наук UB. «Используя этот метод, мы смогли производить олефины прямо из глюкозы».

Глюкоза образуется в результате фотосинтеза, который вытягивает CO2 из воздуха.

«Производство биотоплива из возобновляемых источников, таких как глюкоза, имеет большой потенциал для развития технологий зеленой энергии», — говорит Ван.

«Глюкоза вырабатывается растениями посредством фотосинтеза, который превращает углекислый газ (CO2) и воду в кислород и сахар. Таким образом, углерод в глюкозе, а затем и в олефинах, на самом деле образуется из углекислого газа, который был извлечен из атмосферы. , — объясняет Ван.

Однако необходимы дополнительные исследования, чтобы понять преимущества нового метода и можно ли его эффективно расширить для производства биотоплива или для других целей. Один из первых вопросов, на который нужно будет ответить, — сколько энергии потребляет процесс производства олефинов; если стоимость энергии слишком высока, технология должна быть оптимизирована для практического применения в промышленных масштабах.

Ученые также заинтересованы в увеличении урожайности. В настоящее время для производства около 8 молекул олефина требуется 100 молекул глюкозы, говорит Ван. Она хотела бы улучшить это соотношение, сосредоточив внимание на том, чтобы уговорить кишечную палочку производить больше 3-гидроксижирных кислот на каждый грамм потребляемой глюкозы.

Соавторы исследования по естественной химии: Ван; Чанг; Хэн Сун, доктор философии, Калифорнийский университет в Беркли и Уханьский университет в Китае; Эдвард Дж. Колески, Норитака Хара, доктор философии, и Еджин Мин из Калифорнийского университета в Беркли; Дэ Сунг Пак, доктор философии, Гаурав Кумар, доктор философии, и Пол Дж. Дауэнхауэр, доктор философии, из Университета Миннесоты (Пак сейчас работает в Корейском научно-исследовательском институте химической технологии).

Исследование финансировалось Национальным научным фондом США; докторская программа Камиллы и Генри Дрейфуса по химии окружающей среды; и Исследовательский фонд Государственного университета Нью-Йорка.

Солнечная энергия играет важную роль в борьбе с изменением климата как заменитель ископаемого топлива. Сенсибилизированные красителем солнечные элементы обещают стать недорогим дополнением к фотоэлектрическим системам, которые мы знаем сегодня. Их главная особенность — сенсибилизаторы красителей, прикрепленные к их поверхности. Исследователи из Базельского университета продолжают улучшать эффективность сенсибилизаторов с использованием железа — широко доступного и экологически чистого металла.

Сенсибилизаторы — это ярко окрашенные соединения, которые поглощают свет и преобразуют его энергию в электричество, высвобождая электроны и «вводя» их в полупроводник. До сих пор сенсибилизаторы, используемые в сенсибилизированных красителями солнечных элементах, либо были относительно недолговечными, либо требовали использования очень редких и дорогих металлов. Таким образом, святым Граалем фотоэлектрических исследований является разработка сенсибилизаторов с использованием железа — металла, который является экологически чистым и наиболее распространенным переходным металлом на нашей планете.

В течение многих лет эксперты считали соединения железа непригодными для этих применений, поскольку их возбужденное состояние после поглощения света слишком непродолжительно, чтобы их можно было использовать для производства энергии. Ситуация изменилась около семи лет назад с открытием нового класса соединений железа с так называемыми N-гетероциклическими карбенами (NHC).

Исследовательская группа, возглавляемая профессором Эдвином Констеблем и профессором Кэтрин Хаускрофт на химическом факультете Базельского университета, работает с этими соединениями в течение ряда лет. Команда, возглавляемая руководителем проекта доктором Марией Беккер, теперь сообщает о своих результатах с сенсибилизатором на основе нового семейства NHC в специализированном журнале Dalton Transactions.

Немного уксуса и жира

«Мы знали, что должны разработать материалы, которые будут прилипать к поверхности полупроводника и чей характер позволит одновременно оптимизировать расположение функциональных светопоглощающих компонентов на поверхности», — объясняет Беккер.

Исследователи использовали двоякий подход к этим проблемам: во-первых, они включили группы карбоновых кислот (как в уксусе) в соединение железа, чтобы связать его с поверхностью полупроводника. Во-вторых, они сделали соединения «жирными», добавив длинные углеродные цепи, которые сделали поверхностный слой более жидким и более легким для закрепления.

Эти сенсибилизированные красителем прототипы солнечных элементов достигли общей эффективности только 1%, в то время как сегодняшние коммерчески доступные солнечные элементы достигают эффективности около 20%. «Тем не менее, полученные результаты являются важной вехой, которая будет стимулировать дальнейшие исследования этих новых материалов», — убежденно говорит Беккер.

Краткосрочное давление на маржу ударило по быстроразвивающейся отрасли специальной химии

Специализированная химическая промышленность — это быстро развивающаяся отрасль в Индии, которая извлекает выгоду из высокого внутреннего спроса и экспортных возможностей. Отрасль находится в особенно благоприятном положении, поскольку многие глобальные игроки стремятся уменьшить свою зависимость от Китая после Covid-19. Недавние меры по борьбе с загрязнением в Китае также привели к закрытию многих заводов в этой стране. Это приносит прямую пользу их индийским коллегам.

Кратковременные встречные ветры
Специализированная химия продолжает оставаться быстрорастущей отраслью. Однако в краткосрочной и среднесрочной перспективе она становится свидетелем нескольких встречных ветров на фронте маржи.

Цены на сырье в химической промышленности растут. Это ведет к росту цен по всей цепочке создания стоимости. Рост цен неизбежен на основные химические вещества, химические вещества на основе хлора, производственно-сбытовые цепочки бензола, этиленовые цепочки и растительные масла. Закрытие заводов по всему Китаю еще больше обострило нехватку сырья. В результате резко выросли цены по всей цепочке создания стоимости химической продукции.

Эта проблема была подчеркнута несколькими компаниями в комментариях руководства к отчетам о доходах за первый квартал. Aarti Industries отметила резкий рост цен на сырье. Другие крупные игроки, включая Galaxy Surfactants и Fine Organics, также подчеркнули отсутствие ключевого сырья, что привело к внезапному скачку цен на сырье.

Контейнерный кризис
Помимо роста затрат на сырье, отечественные игроки также сталкиваются с возрождающейся проблемой контейнеров.

Путь роста
Несмотря на возникающие препятствия на рынке маржи, индийская отрасль специальной химии имеет большие перспективы роста.

Ожидается, что к 2025 отрасль вырастет вдвое до 64 миллиардов долларов с текущего размера рынка в 32 миллиарда долларов. Индийские производители также стремятся реализовать эти возможности, объявив об агрессивных планах капитальных вложений в первом квартале 22 финансового года несколькими игроками, специализирующимися в химической отрасли.

Например, дополнительные фармацевтические мощности компании Aarti Industries увеличены.

Премьер-министр Моди хочет, чтобы к 2047 году страна стала энергетически независимой и стала глобальным водородным центром.

Индия поставила амбициозные цели в отношении возобновляемых источников энергии и производства экологически чистого водорода, стремясь стать глобальным водородным центром и отказаться от своей зависимости от импортных ископаемых видов топлива.

15 августа, в День независимости Индии, премьер-министр Нарендра Моди взял на себя обязательство выполнить Национальную водородную миссию, чтобы активизировать усилия Индии по смягчению последствий изменения климата. Моди хочет, чтобы Индия стала крупным мировым центром производства и экспорта экологически чистого водорода. Чтобы поддержать эту амбицию, Индия также поставила цели по выработке 175 ГВт возобновляемой энергии к 2022 году; 450 ГВт к 2030 году; и полная энергетическая независимость к 2047 году. По состоянию на конец апреля 2021 года установленная мощность возобновляемых источников энергии в Индии оценивается примерно в 95 ГВт, включая 40,5 ГВт солнечной энергии.

Специализированная химическая промышленность — это быстро развивающаяся отрасль в Индии, которая извлекает выгоду из высокого внутреннего спроса и экспортных возможностей. Отрасль находится в особенно благоприятном положении, поскольку многие глобальные игроки стремятся уменьшить свою зависимость от Китая после Covid-19. Недавние меры по борьбе с загрязнением в Китае также привели к закрытию многих заводов в этой стране. Это приносит прямую пользу их индийским коллегам.

Цены на сырье в химической промышленности растут. Это ведет к росту цен по всей цепочке создания стоимости. Рост цен неизбежен на основные химические вещества, химические вещества на основе хлора, производственно-сбытовые цепочки бензола, этиленовые цепочки и растительные масла. Закрытие заводов по всему Китаю еще больше обострило нехватку сырья. В результате цены по всей цепочке создания стоимости химической продукции резко выросли.

Эта проблема была подчеркнута несколькими компаниями в комментариях руководства к отчетам о доходах за первый квартал. Aarti Industries отметила резкий рост цен на сырье. Другие крупные игроки, включая Galaxy Surfactants и Fine Organics, также подчеркнули отсутствие ключевого сырья, что привело к внезапному скачку цен на сырье.

Контейнерный кризис
Помимо растущих затрат на сырье, отечественные игроки также сталкиваются с возрождающейся проблемой контейнеров.

Путь роста
Несмотря на возникающие препятствия на рынке маржи, индийская отрасль специальной химии имеет большие перспективы роста.

Ожидается, что к 25 году отрасль вырастет вдвое до 64 миллиардов долларов с текущего размера рынка в 32 миллиарда долларов. Индийские производители также стремятся реализовать эти возможности, объявив об агрессивных планах капитальных вложений в первом квартале 22 финансового года несколькими игроками, специализирующимися в химической отрасли.

SABIC, мировой лидер в химической промышленности, и Beiersdorf будут обновлять упаковку своей лидирующей в мире линейки кремов для лица «NIVEA Naturally Good» с использованием сертифицированных SABIC возобновляемых полимеров. Полипропиленовая (ПП) смола SABIC на биологической основе, входящая в ее портфель TRUCIRCLE ™, будет использоваться для производства банок для дневных и ночных кремов для лица Beiersdorf NIVEA Naturally Good. Новая упаковка NIVEA будет поэтапно внедряться в точках продаж по всему миру с октября 2021 года и станет важным вкладом в помощь компании Beiersdorf в сокращении использования первичного полипропилена на основе ископаемых углеводородов.

Новый продукт соответствует амбициозным целям компании Beiersdorf в области устойчивой упаковки на 2025 год, которые заключаются в сокращении количества ископаемого первичного пластика для косметической упаковки на 50 процентов. Новые экологически чистые банки NIVEA вносят свой вклад в Программу устойчивого развития CARE BEYOND SKIN, с помощью которой компания стремится к значительному сокращению выбросов углерода и воздействия на окружающую среду. В повестке дня поставлены три основные цели в области упаковки, которые должны быть достигнуты к 2025 году по сравнению с 2019 годом: сделать всю упаковку группы на 100 процентов многоразовой, пригодной для повторного использования или вторичной переработки; увеличить долю вторичного сырья в пластиковой упаковке до 30 процентов; и сократить использование первичного пластика на основе ископаемого топлива на 50 процентов.

Компания Beiersdorf рада внести это важное изменение в упаковку своей продукции под брендом NIVEA и первой на массовом рынке средств по уходу за кожей использовать полипропилен, полученный из биологически чистого сырья второго поколения, во всем мире. Вместе с SABIC они сделали важный шаг вперед в преобразовании традиционной упаковки на основе ископаемого топлива в сегменте косметики и ухода за кожей в сторону полностью экологически безопасных альтернативных материалов.

Инновационная упаковка для косметики с использованием наших сертифицированных возобновляемых полиолефинов может сыграть важную роль в минимизации истощения запасов ископаемого топлива на широком спектре рынков потребительских товаров массового потребления, а новая упаковка NIVEA компании Beiersdorf может служить образцом для подражания в этом поиске. Материалы SABIC из возобновляемых источников облегчают переход от существующих ископаемых применений без ущерба для чистоты, качества, безопасности или удобства. SABIC полна решимости помочь своим партнерам по сотрудничеству извлечь выгоду из этого потенциала. Мы стремимся сотрудничать с партнерами по всей цепочке создания стоимости в стремлении к более устойчивому и замкнутому будущему.

В настоящее время общество сталкивается с одними из самых серьезных проблем, и мы должны работать вместе, чтобы их решить. Видение будущего компании SABIC заключается в том, что пластик никогда не должен попадать в окружающую среду, на свалки или в наши океаны, а вместо этого должен использоваться повторно и превращаться в новые продукты. Это видение требует полной трансформации цепочки создания стоимости. Мы работаем с нашими партнерами по добыче и переработке, чтобы заново изобрести и проложить путь к экономике замкнутого цикла на благо людей и планеты. Сотрудничая по всей производственно-сбытовой цепочке, SABIC смогла внедрить решения для сертифицированных круговых полимеров (химическая переработка), решения для механической переработки и сертифицированные возобновляемые полимеры в упаковочной промышленности. Наши многочисленные партнерские отношения, такие как с Beiersdorf, являются результатом настоящего сотрудничества и инноваций, а также еще одним шагом вперед к тому, чтобы замкнуть цикл по использованным пластмассам.

Более того, новая банка NIVEA — выдающийся пример успешного трехстороннего сотрудничества в цепочке создания стоимости, ускоряющего время от идеи до полки розничного продавца. Привлекая SABIC к сотрудничеству с Berry Global, давним и надежным партнером владельца бренда по производству упаковки для ухода за лицом, Байерсдорф сумел продвинуть проект от концепции до реализации всего за девять месяцев.

Covid-19 невероятными темпами ускорил распространение электронной коммерции. Хотя продажи через крупные сети супермаркетов в течение некоторого времени двигались в этом направлении, вспышка коронавируса стала катализатором скачка в переходе к онлайн-покупкам.

Это также создает проблему устойчивости. В электронной торговле обычно используется больше упаковки, чем в традиционной розничной торговле, хотя потребители все чаще ожидают, что интернет-магазины и бренды будут использовать экологически безопасные варианты. Итак, как бренды будут адаптироваться к требованиям электронной корзины и что это означает для упаковочной промышленности?

Приоритеты дизайна упаковки сместятся

Меры по изоляции привели к всплеску интереса потребителей к покупкам в Интернете. Основная проблема для брендов заключается в том, как продавать и адаптироваться к электронной корзине, а не бороться за ценное положение на полках супермаркетов. По мере того, как все больше потребителей переходят к покупкам в Интернете, а экономические последствия начинают кусаться, розничные продавцы, вероятно, будут стремиться сократить расходы путем переоценки требований к физическим стеллажам и маркетинговых расходов.

Во многих отношениях электронная коммерция предоставляет более простые маркетинговые возможности с меньшим вниманием к привлекательному дизайну упаковки и большей нагрузкой на рекламу бренда. Таким образом, будущий дизайн упаковки может перейти к более простому подходу, ориентированному на цели устойчивого развития — меньшее воздействие на окружающую среду, меньше отходов и минимальный углеродный след.

Мы уже видим это в действии. В августе 2020 года Evian представила бутылку из 100% RPET без этикеток, заменив этикетку тисненым текстом. Приоритетом дизайна было сокращение количества пластиковых отходов и упрощение переработки, а не создание визуально привлекательного для проходящего потребителя в традиционных физических помещениях розничной торговли.

Платформы прямого доступа к потребителю развиваются

Некоторые мировые бренды даже пытаются полностью исключить посредников и продавать товары напрямую потребителям. Например, PepsiCo запустила два новых веб-сайта, позволяющих потребителям покупать как пакеты продуктов PepsiCo, так и отдельные закуски. Такой подход может помочь стимулировать продажи продукции и повысить общий спрос на упаковку.

Однако не все каналы прямого доступа к потребителю подходят для упаковки. Поскольку рост потребления в домашних условиях сохранится в течение некоторого времени, бренды ищут другие решения. Если снова взглянуть на PepsiCo в качестве примера, то после приобретения SodaStream в 2018 году компания может отказаться от пластиковых бутылок. Вместо этого он позволяет потребителям приобретать концентраты, которые можно использовать на устройствах, по несколько более низкой цене, чем продукты, предварительно разлитые в бутылки. SodaStream может стать частью будущих предложений PepsiCo для прямых потребителей в сочетании с упором на укрепление своего бизнеса в сфере электронной коммерции.

Есть угроза для целей устойчивого развития брендов, но она не является непреодолимой.

В электронной торговле обычно используется больше упаковки, но потребители все чаще ожидают, что интернет-магазины и бренды будут использовать экологически безопасные варианты упаковки.

Многие интернет-магазины в течение многих лет стремились сократить количество отходов упаковки и перейти к экологически безопасным вариантам, особенно в отношении вторичной почтовой упаковки. Задача для новичков на рынке, особенно для продуктовых магазинов, состоит в том, чтобы найти баланс между заявленным желанием сократить объем пластиковой упаковки и потребностью в безопасных и недорогих решениях для доставки свежих продуктов, рыбы и мяса к дверям клиентов.

За пределами продуктового магазина розничные онлайн-дистрибьюторы сталкиваются с проблемой отсутствия прозрачности и подотчетности со стороны производителей продукции. Например, упаковка для электронных товаров редко подвергается такому же вниманию, как бутылки с водой — что-то вроде символа войны с пластиком.

Многие мировые бренды пытаются переориентировать идею устойчивого развития с пластмасс на более широкую повестку дня, сосредоточив внимание на общем углеродном следе. Эти компании могут извлечь выгоду из перехода к электронной торговле, несмотря на возросший спрос на пластиковую упаковку. Ранний анализ показывает, что углеродный след от электронной торговли может быть на 50% меньше, чем у традиционной розничной торговли, благодаря большей консолидации заказов и оптимизации сети.

В целом переход к электронной торговле следует рассматривать не как препятствие для достижения целей устойчивого развития, а как возможность также продвигать зарождающиеся инициативы, особенно в отношении сбора. Например, более крупный рынок электронной коммерции может стать идеальной платформой для интеграции инициатив по сбору и переработке, таких как проект Terracycle’s Loop.

Электронная торговля — это возможность для устойчивого развития

В заключение, мы видим три ключевые темы в наших перспективах электронной коммерции и устойчивого развития.

Переход к электронной торговле не следует рассматривать как препятствие для достижения целей устойчивого развития. Увеличение расходов на электронную торговлю, вероятно, приведет к увеличению спроса на пластиковую упаковку, но может предоставить возможности для повышения устойчивости и повышения собираемости платежей.

Дизайн упаковки напитков, вероятно, станет более простым, без этикеток, бесцветным и более легким в переработке. Однако нишевые безбутылочные решения, скорее всего, останутся новинкой.

Несмотря на недавние инновации в сфере прямого обращения к потребителю со стороны отдельных владельцев брендов, потребители, вероятно, по-прежнему будут отдавать предпочтение традиционному универсальному подходу к продуктовым и розничным покупкам.

Пластмассы обладают рядом важных свойств, которые делают их пригодными в качестве упаковочных материалов: они универсальны, прочны и легки, обладают хорошими барьерными свойствами и дешевы. Следовательно, большая часть упаковки сделана из пластика, что делает ее крупнейшим отраслевым источником спроса на пластик.

Проблема с пластиком в том, что он производит много отходов. Низкая стоимость пластиковой упаковки по сравнению с продуктом, который она защищает, означает, что большая часть упаковки традиционно разрабатывалась для одноразового использования. Но «война с пластиком» меняет отрасль. В настоящее время в цепочке создания стоимости упаковки основное внимание уделяется модернизации систем для решения этой проблемы, включая повторное использование пластмасс.

Подходы к повторному использованию могут принимать различные формы, включая модели «пополнения» и «возврата».

Повторное использование является важным (но часто упускаемым из виду) компонентом «сокращения, повторного использования, переработки».

Поскольку мир ищет альтернативы одноразовым пластиковым изделиям, модели повторного использования становятся ключевым инструментом для упаковочных компаний.

Существует устоявшаяся иерархия преимущественного управления отходами. В конце списка наименее желательный подход — это бесхозяйственность — например, путем захламления или открытых свалок. Это приводит к максимальному ущербу окружающей среде и минимальному сохранению материальных ценностей. На другом конце спектра лучший результат — с точки зрения отходов — это полное предотвращение производства.

По мере продвижения вверх по иерархии мы минимизируем потери, сохраняем большую ценность и уменьшаем количество энергии, необходимое для возвращения материалов в эксплуатацию.

Таким образом, цепочка создания стоимости упаковки, оптимизированная для обеспечения устойчивости, будет направлена на изменение пропорции пластиковой упаковки, пригодной для многоразового использования.

Повторное использование сегодня играет незначительную роль на большинстве рынков упаковки. Германия является заметным исключением из-за продолжающихся обязательств по использованию многоразовых или многоразовых одноразовых бутылок для многих видов напитков. Немецкий закон об упаковке был обновлен в мае 2021 года, в результате чего были удалены почти все исключения из этих обязательств и с 2023 года была введена альтернатива многоразового использования для упаковки еды и напитков на вынос.

Пока Германия остается в стороне, другие страны будут с интересом наблюдать за последствиями обновленного закона. В случае успеха другие страны могут последовать их примеру, особенно те, на которые распространяется налог на пластик в ЕС.

Изменения не произойдут в одночасье. Распространение моделей повторного использования потребует координации между широким кругом заинтересованных сторон. Они потребуют реорганизации цепочек создания стоимости, чтобы предоставить потребителям рентабельные, устойчивые и, что особенно важно, удобные упаковочные решения. Логистика, технологии, дизайн продукта и коммуникации — все это необходимо для обеспечения доли рынка для моделей повторного использования.

Тем не менее, изменения происходят, и импульс к моделям повторного использования растет. Компании внимательно относятся к материальным и репутационным выгодам, и многие потребительские бренды экспериментируют с различными подходами — от многоразовых бутылок для шампуня до многоразовых чашек для кофе на вынос.

Воздействие будет варьироваться от рынка к рынку. Эксперименты — в основном, но не исключительно — в настоящее время сосредоточены в странах с высоким уровнем доходов, что обусловлено озабоченностью потребителей, более низкой чувствительностью к ценам и тенденциями регулирования. Коммерциализация этих моделей также, вероятно, в первую очередь будет расширяться на этих рынках.

Проницаемость также зависит от области применения и полимера. Из-за их широкого использования в жесткой упаковке полиэтилентерефталат (ПЭТ), полипропилен (ПП) и полистирол (ПС) больше всего подвержены снижению спроса при переходе к моделям повторного использования. По оценкам, для отдельных областей применения спрос на полимеры может снизиться на 25%.