Een ideale bioraffinaderij zou hernieuwbare gewassen omzetten in een verscheidenheid aan brandstoffen en producten met weinig afval. Een belangrijke uitdaging bij het realiseren van deze visie is wat te doen met lignine, een vezelig en moeilijk afbreekbaar materiaal in de celwanden van planten dat ze hun stevigheid geeft.

Lignine maakt ongeveer een kwart van de plantaardige biomassa uit en is de meest overvloedige bron van hernieuwbare aromaten op aarde. Aromaten zijn materialen met zes koolstofringen, meestal afgeleid van aardolie, die de bouwstenen vormen voor een breed scala aan producten, van kunststoffen tot farmaceutische producten.

Ondanks de hoge energiedichtheid, onderzoekers hebben geworsteld om manieren te vinden om de waarde van lignine te realiseren, maar deze van nature voorkomende stof zou, indien aangewend, landbouwmarkten te transformeren.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de University of Wisconsin-Madison en het Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC) met partners van het Center for Bioenergy Innovation (CBI) hebben aangetoond dat een recent ontdekte variëteit van de stof, catechyl lignine (C-lignine), heeft eigenschappen die het geschikt zouden kunnen maken als startpunt voor een reeks bioproducten. Hun bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

GLBRC-onderzoeker John Ralph, een UW-Madison hoogleraar biochemie en biologische systeemtechniek, onderzocht de belangrijkste kenmerken van C-lignine in samenwerking met Richard Dixon van het CBI, Universiteit van Noord-Texas onderscheiden onderzoekshoogleraar biochemie en moleculaire biologie, die de stof vond in de zaden van een kantoorcactus. Ralph's lab onthulde een lineair en homogeen karakter aan de substantie, ongewone eigenschappen voor lignine.

Door verder onderzoek, Yanding Li, een afgestudeerde student biologische systeemtechniek van UW-Madison in het Ralph-lab, kon vaststellen dat C-lignine, ook gevonden in de coating van vanillezaden, vertegenwoordigt een ideale lignine voor een bio-energieraffinaderij.

De twee groepen ontdekten dat de stof uit slechts één type monomeer bestaat, of ligninemolecuul, en elk monomeer wordt op dezelfde manier bij elkaar gehouden. Li en Ralph redeneerden dat het daarom kon worden verfijnd tot een enkel platformmolecuul, of een kleine reeks van dergelijke moleculen, die een verscheidenheid aan producten kan bouwen. Li ontdekte ook een bijzonder gunstige eigenschap:C-lignine verliest zijn vorm niet wanneer het chemisch wordt voorbehandeld.

Lignine bevat vaak verschillende soorten monomeren en wordt bij verwerking misvormd, waardoor het een moeilijke puzzel is om op te lossen voor academische onderzoekers en hun industriële tegenhangers. Papierfabrieken, bijvoorbeeld, verbranden het vaak als brandstof in plaats van te proberen lignine om te zetten in commerciële bioproducten.

Het monster dat Li analyseerde, bestond uitsluitend uit C-lignine, veelbelovend omdat de uniformiteit een eenvoudigere verwerking mogelijk maakt.

"Biobrandstofraffinaderijen gebruiken liever een 'pure' verbinding dan een mengsel van verschillende, " zegt Li. "Hoe minder ingewikkeld ons product is, hoe meer waarde het heeft."

Omdat C-ligninemonomeren bij elkaar worden gehouden door slechts één soort binding, etherverbindingen genoemd, ze kunnen met de juiste chemische behandeling netjes in eenheden worden gesplitst. Deze bouwstenen kunnen vervolgens op verschillende manieren worden getransformeerd, afhankelijk van de gewenste output.

"Het regelmatige en lineaire karakter van deze lignine, gecombineerd met de relatief eenvoudige chemie om het te depolymeriseren, maakt het vrij eenvoudig om hoge opbrengsten van eenvoudige monomeren te produceren, ' zegt Ralf.

Wanneer planten worden geraffineerd tot biobrandstoffen en bioproducten, de lignine wordt eerst weggestript, waardoor suikers worden omgezet in verhandelbare materialen. Deze voorbehandeling zorgt er meestal voor dat lignine zich ophoopt in een verwarde puinhoop.

structuur van C-lignine, echter, overleeft zelfs de zwaarste voorbehandelingsmethoden en raakt niet verdraaid.

"Zelfs de zwakste zuur- of alkalibehandeling vernietigt andere lignine, maar elke keer als ik de C-lignine controleerde na een reactie, het was bijna helemaal intact, ", zegt Li. "We kunnen dan een monomeer van goede kwaliteit maken met een hoge opbrengst voor gebruik als platformchemicaliën."

Ralph en Li stelden C-lignine bloot aan hydrogenolyse, een techniek voor het deconstrueren van lignine, ontwikkeld in UW-Madison in 1938 door chemiepionier Homer Adkins.

Het duo vermoedde dat hydrogenolyse in staat zou zijn om de etherbindingen te splitsen die C-lignine-monomeren bij elkaar houden. In dit geval, de benadering produceerde een eenvoudig paar monomeren met een opbrengst van ongeveer 90 procent. Het kiezen van de juiste katalysator zou het kunnen beperken tot een enkel monomeer - een opvallend resultaat voor een plantenbestanddeel dat vaak wordt verguisd vanwege zijn hardnekkigheid.

Isoleren van de genetische code die C-lignine zo geschikt maakt voor productie, het Ralph-team en medewerkers van het CBI werken eraan om dergelijke lignines toe te voegen aan bio-energiegewassen die op grotere schaal kunnen worden verbouwd.

Het team heeft nu een essentiële blauwdruk voor het gebruik van een groot deel van de installaties die gewend zijn om in een verbrandingsoven te worden geschept.

"Yanding deed een stap achteruit en zei:'Wat kunnen we hier nog meer mee?' " zegt Ralph. "Het belangrijkste was om een ​​nieuw paradigma te realiseren, een nieuw lignine-ideotype, en een nieuwe manier van denken over de perfecte lignine voor een bioraffinaderij."