Med råolja som säljs för mindre än 50 dollar per fat, det finns få ekonomiska incitament att utveckla bioförnybara kemikalier som endast drop-in ersättningar för petrokemikalier.

Det är en verklighet som har fått ledare för National Science Foundation Engineering Research Center for Biorenewable Chemicals (CBiRC) baserat vid Iowa State University att föreslå en ny modell för att skapa, ansöker, och kommersialisera kemikalier gjorda av majsstjälkar, träflis och andra biomassakällor.

Forskarnas modell bygger på nio års CBiRC-arbete för att studera, minska riskerna och utveckla bioförnybar teknik. Modellen kräver att man identifierar "bioprivilegierade molekyler" som erbjuder unika egenskaper som kan leda till nya produkter.

Modellen introducerades av CBiRC:s Brent Shanks och Peter Keeling i en ny artikel med perspektiv, "Bioprivilegierade molekyler:skapa värde från biomassa, " publicerad av tidskriften Grön kemi och med på omslaget. Shanks är chef för CBiRC, en Anson Marston Distinguished Professor in Engineering vid Iowa State och Mike and Jean Steffenson Chair i Chemical and Biological Engineering. Keeling är chef för industriellt samarbete och innovation för CBiRC.

"Bioprivilegierade molekyler genom sitt ursprung från biologiskt härledda molekyler och åtföljande uppsjö av funktioner har potentialen att kraftigt expandera bioprodukthorisonten utanför räckvidden för petrokemikalier, "Skrev Shanks och Keeling i sin tidning.

De två definierar bioprivilegierade molekyler som kemiska mellanprodukter som kommer från biologiska källor och som effektivt kan omvandlas till olika produkter, inklusive nya kemikalier och drop-in-ersättningar för befintliga kemikalier.

Shanks och Keeling presenterade också sina idéer om bioprivilegierade molekyler under en januari-workshop med stöd av National Science Foundation och en junikonferens sponsrad av U.S. Department of Energy.

"Vad vi pratar om är nya molekyler med nya egenskaper, " Sa Keeling. "De här molekylerna har man inte tänkt på eftersom de inte var möjliga från petrokemikalier. Men det kan finnas ett stort värde i den här nyheten."

Shanks sa att CBiRC - etablerat 2008 med målet att kombinera biologers och kemisters verktyg för att utveckla hybridteknologier för att producera bioförnybara kemikalier - har visat vägen till just ett sådant tillvägagångssätt.

Inga nya molekyler

Oljeraffinaderier som omvandlar råolja till bränslen producerar också lätta gaser som en biprodukt. Företag har tagit dessa gaser och förvandlat dem till de mellanliggande molekylerna (alkener och aromater) som matar den petrokemiska industrin och producerar dess plast, fibrer, lim, tvättmedel, målar, bläck och mycket mer.

Det är en bransch som har funnits i mer än ett sekel. Som ett resultat, det arbetar med välbekanta molekyler och effektiva processer som producerar billiga kemikalier.

Shanks sa att forskare anslutna till CBiRC, som har stöttats av en serie anslag på totalt 35,26 miljoner USD från National Science Foundation, hittade inte ekonomiskt lönsamma sätt för biobaserade kemikalier att ersätta dessa petrokemikalier från billig råolja.

Men, han sa att den petrokemiska industrin inte har producerat nya kommersiella molekyler på två decennier. Och det har skapat vad som kan vara en öppning för värdefulla biobaserade kemikalier.

"Frågan du måste ställa är, 'Har vi alla molekyler vi behöver?'" sa Shanks. "Är vi klara?"

Övergår till biobaserade molekyler

Shanks sa att CBiRC-forskare har frågat forskare och ingenjörer inom konsumentproduktindustrin om de hade alla molekyler de behövde.

"Det rungande svaret vi får är nej, " sa han. "De säger, "Vi behöver ny innovation, Nya produkter, nya molekyler."

Så var ska dessa molekyler komma ifrån?

Shanks och Keeling pekar på biomassa från växter som en källa till nya mellanliggande molekyler.

"Biomass-härledda råvaror har särskilt lovande för att dramatiskt öka poolen av möjliga intermediärer eftersom de ger ett rikt utbud av kemisk komplexitet, " skrev de i sin tidning.

De resulterande kemiska produkterna kan vara nästa generations läkemedel, näringsämnen, antimikrobiella medel, insekticider, herbicider, konsumentvaror och specialkemikalier.

"Det råder ingen tvekan om att biomassa-härledda molekyler har ett stort löfte för att generera produkter med förbättrade egenskaper, " de skrev.

CBiRC-sättet

Nu när CBiRC har funnits i nio år, Shanks sa att forskningscentret har flera fallstudier som visar hur bioprivilegierade molekyler skapar nya produkter och möjligheter.

Mukonsyra är ett exempel som nämns i Grön kemi papper.

Förra året, två forskare knutna till CBiRC - Zengyi Shao och Jean-Philippe Tessonnier, Iowa State biträdande professorer i kemi och biologisk teknik - rapporterade hur de producerade en bioförnybar nylon.

De började med genmanipulerad jäst - "en mikrobiell fabrik, "Shao sa - att jäser glukos till mukonsyra. Sedan, använder en metallkatalysator och lite elektricitet, forskarna producerade 3-hexendisyra. Med några enkla separations- och polymerisationssteg, de slutade med biobaserad, omättad nylon-6, 6.

"Det finns inget bra sätt att komma till den här molekylen från petrokemikalier, "Sade Shanks. "Men biologi kan göra så många saker."

Det kommer att krävas mycket testning för att ta reda på exakt vad bioprivilegierade molekyler kan göra. Och så skrev Shanks och Keeling att vägen framåt borde innefatta nya beräknings- och experimentella strategier för att testa biobaserade kemikalier för nya och värdefulla tillämpningar.

Ännu en gång, Keeling sa att CBiRC arbetar för att visa vägen genom att utveckla metoder för att systematiskt identifiera bioprivilegierade molekyler såväl som strategier med hög genomströmning som snabbt kan utvärdera tusentals nya molekyler för tillämpningar i olika industrier.

"Vi säger, "Låt oss göra molekyler, "" sa Keeling. "Det är väldigt svårt att utforma sig till en ny molekyl. Så vi tar nya, bioprivilegierade molekyler och se var de bäst kan användas."