Een onderzoeksteam, gezamenlijk geleid door professor Ji Wook Jang, Professor Yong Hwan Kim, en professor Sang Hoon Joo aan de School of Energy and Chemical Engineering van UNIST, heeft een nieuwe biomassaconversietechnologie onthuld die biomassaresiduen uit de bosbouw (d.w.z. zaagsel van houtkap) in hoogwaardigere brandstoffen en chemicaliën. Gepubliceerd in het novembernummer van 2019 Natuurcommunicatie , de nieuwe technologie zal naar verwachting onze afhankelijkheid van producten gemaakt van petrochemicaliën verminderen.

In de studie, het gezamenlijke onderzoeksteam heeft een fusiekatalytisch systeem geïntroduceerd dat selectief lignine kan omzetten, dat het hoofdbestanddeel vormt van houtafval, via zonne-energie omgezet in hoogwaardige chemicaliën.

lignine, , is het op één na meest voorkomende hernieuwbare biopolymeer na cellulose, en wordt in de pulp- en papierindustrie gewoonlijk in zeer grote hoeveelheden als afval weggegooid. In tegenstelling tot cellulose, de structuur van lignine is extreem complex en mist sterische regelmaat. Dergelijke eigenschappen maken lignine moeilijk af te breken en nog moeilijker om te zetten in iets waardevols. biokatalysatoren, zoals enzymen, zijn vaak betrokken bij de afbraak van lignine, dus zorgvuldige kwantificering van het inputmateriaal (d.w.z. waterstof peroxide, H2O2) is belangrijk voor de activering van katalysatoren. Momenteel, het proces van het extraheren van lignine uit biomassa wordt afgehandeld via het Anthrachinon-proces. Echter, als gevolg van waterstof onder hoge druk en edelmetaalkatalysatoren, dit was niet geschikt voor gebruik met enzymen.

Het onderzoeksteam loste dit probleem op via de ontwikkeling van een gecompartimenteerd foto-elektro-biochemisch systeem voor niet-geassisteerde, selectief, en stabiele valorisatie van lignine. Het belangrijkste voordeel van dit systeem is dat het drie katalytische systemen omvat (een fotokatalysator voor het genereren van fotospanning, een elektrokatalysator voor H2O2-productie, en een biokatalysator voor ligninevalorisatie) die zijn geïntegreerd voor selectieve ligninedimeervalorisatie bij bestraling met zonlicht zonder de noodzaak van elektrische energie of aanvullende chemicaliën.

Bij het ontwerpen van het systeem is het onderzoeksteam plaatste polymere elektrolytmembranen als afscheiders tussen cellen om de biokatalysator te beschermen tegen schadelijke omstandigheden die tijdens de reactie werden gegenereerd, dus behield zijn stabiliteit en activiteit. Hun resultaten tonen aan dat het foto-elektro-biochemische systeem de splitsing van ligninedimeer kan katalyseren met een conversie-efficiëntie van 93,7% en een selectiviteit van 98,7%, die ver uitstijgt boven die van een compartiment (37,3% en 34,8%) en twee compartimenten (25,0%, 48,1%) systemen. Het systeem werd verder toegepast voor duurzame polymeersynthese met behulp van een ligninemonomeer, coniferylalcohol, met een opbrengst van 73,3% en een conversie-efficiëntie van 98,3%; echter, de polymeeropbrengsten van de systemen met één compartiment en de systemen met twee compartimenten waren slechts ca. 0% en 8,6%, respectievelijk.

"Deze niet-geassisteerde selectieve ligninevalorisatietechnologie zou afvallignine kunnen omzetten in aromaten met toegevoegde waarde en polymeer zonder dat er extra energie en chemicaliën nodig zijn, ", zegt professor Ji Wook Jang. "Dit zou mogelijk de problemen kunnen oplossen die gepaard gaan met de huidige opwaardering van biomassa, zoals de lage kosteneffectiviteit en de beperkte verwerkingstechnologie."

"Dit onderzoek is belangrijk omdat het nieuwe mogelijkheden biedt om biomassa zoals afvalhout op een milieuvriendelijke manier om te zetten in aromatische petrochemicaliën, ", zegt professor Yong Hwan Kim. "Wij geloven dat de ontwikkeling en opschaling van deze technologie een mijlpaal zal zijn voor de vervanging van petrochemicaliën door biochemicaliën."

De bevindingen van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .