Wetenschap
Houtafval transformeren voor duurzame productie
Lignine, een complex organisch polymeer, is een van de belangrijkste componenten van hout en biedt structurele ondersteuning en stijfheid om bomen sterk genoeg te maken om de elementen te weerstaan. Bij het transformeren van hout in papier is lignine een belangrijk ingrediënt dat moet worden verwijderd, en het wordt vaak afval.
Marcus Foston, universitair hoofddocent energie, milieu- en chemische technologie aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis, onderzoekt hoe waarde kan worden toegevoegd aan lignine door het af te breken in kleine moleculen die structureel vergelijkbaar zijn met zuurstofrijke koolwaterstoffen. Deze hernieuwbare chemicaliën zijn belangrijke componenten in veel industriële processen en producten, maar worden traditioneel gewonnen uit niet-hernieuwbare aardolie.
Fostons onderzoek naar de demontage van lignine, uitgevoerd in samenwerking met Sai Venkatesh Pingali, een neutronenverstrooiingswetenschapper aan het Oak Ridge National Laboratory (ORNL), werd op 17 januari gepubliceerd in ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
"De structuur van Lignine lijkt eigenlijk veel op wat we uit aardolie halen", zegt Foston, die ook directeur is van WashU's Synthetic Biology Manufacturing of Advanced Materials Research Center (SMARC). "In de huidige productieprocessen besteden we tijd aan het laten lijken van aardolie op de elementen van lignine. In plaats daarvan gebruik ik een katalysator om lignine gemakkelijker af te breken en op zo'n manier dat het specifieke chemicaliën produceert. Zodra we chemische stoffen uit lignine kunnen produceren in de vorm die wij willen, dan kunnen we efficiënter gebruik maken van lignine, een overvloedig bijproduct van het verpulveren van hout tot papier."
Met medewerkers van ORNL gebruikte Foston neutronenverstrooiing om te bestuderen hoe lignine interageert met oplosmiddelen en katalysatoren tijdens de demontage ervan onder reactieomstandigheden, waaronder hoge temperatuur en druk. Dankzij de geavanceerde faciliteiten van ORNL konden onderzoekers het reactieproces in realtime observeren om hun katalysator te verbeteren en reactiesystemen voor de depolymerisatie van lignine verder te stroomlijnen.
Deze directe kijk op moleculair niveau is volgens Foston van cruciaal belang om erachter te komen hoe de katalysator en lignine zich in oplossing gedragen en om ervoor te zorgen dat de lignine niet opnieuw condenseert tot een polymeer met bindingen die wetenschappers niet gemakkelijk kunnen verbreken.
"In deze studie denken we specifiek na over hoe we de grote hoeveelheid lignine die wordt geproduceerd tijdens de productie van biobrandstoffen of papier kunnen gebruiken om hernieuwbare chemicaliën te maken die een deel van de chemicaliën vervangen die we momenteel uit aardolie halen," zei Foston. .
"In bredere zin zouden dezelfde depolymerisatieprincipes die we met lignine onderzoeken, in andere toepassingen kunnen worden gebruikt. Dezelfde lessen uit deze studie zijn bijvoorbeeld van toepassing op scenario's voor plastic afval, waarbij één benadering bestaat uit het deconstrueren van plastic afval in kleine moleculen die gebruikt om plastic of andere nuttige producten te maken."
"Uiteindelijk willen we een aantal chemicaliën nemen die uit aardolie komen en uitzoeken hoe we die hernieuwbaar kunnen maken", voegde Foston eraan toe. "Alles wat we leren over lignine zal ook van toepassing zijn op andere ruimtes."