Een door Sandia National Laboratories geleid team heeft sneller, efficiëntere manieren om afgedankt plantaardig materiaal om te zetten in chemicaliën ter waarde van miljarden. De bevindingen van het team kunnen helpen de economie van het maken van brandstoffen en andere producten uit in eigen land verbouwde hernieuwbare bronnen te transformeren.

lignine, het taaie materiaal dat overblijft bij de productie van biobrandstoffen, bevat verbindingen die kunnen worden omgezet in producten zoals nylon, plastic en medicijnen. Het is een van de belangrijkste componenten van plantencelwanden, en geeft planten structurele integriteit en bescherming tegen microbiële aanvallen.

Producten gemaakt van geconverteerde lignine zouden de productie van biobrandstoffen kunnen subsidiëren, waardoor de kosten van biobrandstoffen concurrerender worden met aardolie. Helaas, De taaiheid van lignine maakt het ook moeilijk om de waardevolle verbindingen te extraheren. Wetenschappers worstelen al tientallen jaren met de deconstructie ervan. Als resultaat, lignine ligt vaak ongebruikt in gigantische stapels.

Sandia-bio-ingenieur Seema Singh en haar team hebben twee nieuwe routes naar lignineconversie aangetoond die de voordelen van eerdere methoden combineren en tegelijkertijd de nadelen minimaliseren. De recente bevindingen van het team worden beschreven in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Een chemisch en biologisch hybride pad voorwaarts

Om de bindingen tussen verbindingen waaruit lignine bestaat te verbreken, wetenschappers hebben chemicaliën of kleine organismen zoals bacteriën of schimmels gebruikt. De zachtere biologische methoden maken de productie van specifieke gerichte verbindingen mogelijk. Maar om lignine met deze aanpak volledig af te breken, kan weken of zelfs maanden duren.

Omgekeerd, agressieve chemicaliën kunnen lignine in uren of zelfs minuten deconstrueren. Maar deze methode vereist dure katalysatoren en is soms giftig, en dus onhoudbaar. Slechter, chemische methoden leiden tot een mengsel van verbindingen die elk in extreem kleine hoeveelheden voorkomen.

"Je krijgt een heel aantal verschillende chemicaliën binnen als je lignine op deze manier afbreekt, " legde Singh uit. "De verkregen hoeveelheden zijn niet erg nuttig."

Haar team heeft twee nieuwe technieken gedemonstreerd die de snelheid van een chemische methode en de precisie van een biologische combineren. In beide gevallen, Het team van Singh produceerde uiteindelijk hoogwaardige chemicaliën die momenteel alleen uit aardolie worden gewonnen:muconzuur en pyrogallol.

Muconzuur kan gemakkelijk worden omgezet in nylon, kunststoffen, harsen of smeermiddelen, en pyrogallol heeft toepassingen tegen kanker. Samen, Singh meldt, deze chemicaliën hebben een gecombineerde marktwaarde van $ 255,7 miljard. "Muconzuur is wat we een platformchemicalie noemen. Van daaruit het creëren van nieuwe producten is eigenlijk gewoon een kwestie van verbeelding, " ze zei.

Bioengineering verkort het conversieproces verder

De eerste nieuwe conversiemethode van het team is een meerfasenproces dat begint met het voorbehandelen van lignine met een zwakke oplossing van waterstofperoxide en water. Intermediaire moleculen vanilline en spuit zijn het resultaat van de behandeling.

Een stam van E. coli die speciaal is gemodificeerd door Sandia-microbioloog Weihua Wu, consumeert vervolgens deze verbindingen in het middenstadium, er komen verschillende extra verbindingen in de mix, en uiteindelijk resulteert het proces in de twee uiteindelijke chemicaliën.

Echter, Singh was niet tevreden met de hoeveelheid muconzuur die uit dit proces voortkwam. Dus, zij en haar team daagden zichzelf uit om een ​​manier te vinden om hun muconzuuropbrengst te maximaliseren, en testte een tweede conversiemethode.

De tweede methode slaat het proces van het volledig afbreken van de lignine over. In plaats daarvan, het team heeft een tabaksplant genetisch gemanipuleerd. Naarmate het groeit, de plant produceert grote hoeveelheden tussenproduct protocatechuaat, bekend als PCA. Vervolgens, de enige resterende stappen waren om die verbinding te extraheren en de gemanipuleerde E. coli te gebruiken om het muconzuur te maken.

"We hebben in feite driekwart van de stappen overgeslagen die we eerder deden door de fabriek te ontwerpen om tussenchemicaliën te verbouwen, " zei Singh. "PCA kan gemakkelijk uit de gemodificeerde tabak worden gehaald en met weinig inspanning worden omgezet in muconzuur."

Deze installatietechniek is niet alleen efficiënter, maar het lost ook met succes de zelfopgelegde uitdaging van het team op om de muconzuuropbrengst te maximaliseren met maar liefst 34 procent ten opzichte van eerdere conversiemethoden.

Hybride methoden zijn de sleutel tot toekomstige inspanningen

Sandia financierde het merendeel van het werk aan dit project via haar Laboratory Directed Research and Development-programma. Het engineeringwerk voor tabaksplanten werd gedaan door Singhs medewerkers van de grondstofdivisie van het Joint BioEnergy Institute in Emeryville, Californië, waaronder Dominique Loque en Aymerick Eudes.

Singh leidt het biomassavoorbehandelingsprogramma van het instituut, die wordt bemand door wetenschappers van een consortium van laboratoria, waaronder het Lawrence Berkeley National Laboratory. Ze gelooft dat toekomstig onderzoek naar het vergroten van de economische waarde van lignine sterk zal worden beïnvloed door de demonstraties van haar team.

De grootste uitdaging op dit gebied is het verder maximaliseren van de opbrengst van waardevolle chemicaliën en de snelheid waarmee ze kunnen worden opgeleverd. "Iedereen begrijpt dat hybride benaderingen de sleutel zijn tot de valorisatie van lignine, ' zei Singh.

De industriële toepassing van deze technologie zal afhangen van het vermogen om snel grote hoeveelheden hoogwaardige producten te produceren. "Als je in een maand maar milligrammen kunt verdienen met een bug, dat redt het gewoon niet, Singh zei. "Je wilt dat de organismen in minder dan een uur kilo's maken, ideaal."