Undersøgelse fremskynder omdannelsen af ​​biobrændstofaffald til nyttige kemikalier

Et team ledet af Sandia National Laboratories har demonstreret hurtigere, mere effektive måder at omdanne kasseret plantemateriale til kemikalier for milliarder værd. Holdets resultater kan hjælpe med at transformere økonomien ved at fremstille brændstoffer og andre produkter fra indenlandsk dyrkede vedvarende kilder.

Lignin, det hårde materiale, der er tilbage fra produktionen af ​​biobrændstof, indeholder forbindelser, der kan omdannes til produkter som nylon, plastik og stoffer. Det er en af ​​hovedkomponenterne i plantecellevægge, og giver planter strukturel integritet samt beskyttelse mod mikrobielle angreb.

Produkter fremstillet af omdannet lignin kunne subsidiere produktion af biobrændstof, gøre prisen på biobrændstoffer mere konkurrencedygtig i forhold til olie. Desværre, Lignins sejhed gør det også vanskeligt at udvinde dets værdifulde forbindelser. Forskere har kæmpet i årtier med at dekonstruere det. Som resultat, lignin ligger ofte ubrugt i kæmpe bunker.

Sandia bioingeniør Seema Singh og hendes team har demonstreret to nye veje til ligninkonvertering, der kombinerer fordelene ved tidligere metoder og minimerer deres ulemper. Holdets seneste resultater er beskrevet i journalen Videnskabelige rapporter .

En kemisk og biologisk hybrid vej frem

For at bryde bindingerne mellem forbindelser, der udgør lignin, forskere har enten brugt kemikalier eller bittesmå organismer som bakterier eller svampe. De mere skånsomme biologiske metoder muliggør produktion af specifikke målrettede forbindelser. Men at nedbryde lignin fuldt ud ved hjælp af denne tilgang kan tage uger eller endda måneder.

Omvendt skrappe kemikalier kan dekonstruere lignin på timer eller endda minutter. Men denne metode kræver dyre katalysatorer og er nogle gange giftig, og derfor uholdbare. Værre, kemiske metoder fører til en blanding af forbindelser, der hver især optræder i ekstremt små mængder.

"Du får en lille smule af en masse forskellige kemikalier, når du nedbryder lignin på denne måde, " forklarede Singh. "De mængder, der opnås, er ikke særlig nyttige."

Hendes team har demonstreret to nye teknikker, der inkorporerer hastigheden af ​​en kemisk metode og præcisionen af ​​en biologisk. I begge tilfælde Singhs team producerede i sidste ende kemikalier af høj værdi, der i øjeblikket kun er afledt af petroleum:muconsyre og pyrogallol.

Muconsyre kan nemt omdannes til nylon, plastik, harpiks eller smøremidler, og pyrogallol har anti-cancer applikationer. Sammen, Singh rapporterer, disse kemikalier har en samlet markedsværdi på 255,7 milliarder dollars. "Mukonsyre er, hvad vi kalder et platformskemikalie. Derfra, at skabe nye produkter er egentlig kun et spørgsmål om fantasi, " hun sagde.

Bioengineering forkorter konverteringsprocessen yderligere

Holdets første nye konverteringsmetode er en flertrinsproces, der begynder med at forbehandle lignin med en svag opløsning af hydrogenperoxid og vand. Mellemliggende molekyler vanillin og sprøjte er resultatet af behandlingen.

En stamme af E. coli, der er specielt modificeret af Sandia-mikrobiolog Weihua Wu, indtager derefter disse mellemstadieforbindelser, flere yderligere forbindelser dukker op i blandingen, og i sidste ende resulterer processen i de to endelige kemikalier.

Imidlertid, Singh var ikke tilfreds med mængden af ​​muconsyre fra denne proces. Så, hun og hendes team udfordrede sig selv for at finde en måde at maksimere deres muconsyreudbytte, og testede en anden konverteringsmetode.

Den anden metode springer processen med at skulle nedbryde ligninet helt. I stedet, holdet gensplejsede en tobaksplante. Efterhånden som den vokser, anlægget producerer store mængder intermediært sammensat protocatechuat, kendt som PCA. Derefter, de eneste trin tilbage var at ekstrahere denne forbindelse og bruge den konstruerede E. coli til at fremstille muconsyren.

"Vi sprang stort set over tre fjerdedele af de trin, vi gjorde tidligere, ved at konstruere anlægget til at dyrke mellemprodukter, " sagde Singh. "PCA kan let udvindes fra den modificerede tobak og omdannes til muconsyre med en lille indsats."

Denne anlægsingeniørrute er ikke kun mere effektiv, men det løser også med succes holdets selvpålagte udfordring med at maksimere muconsyreudbyttet med så meget som 34 procent i forhold til tidligere konverteringsmetoder.

Hybride metoder er nøglen til fremtidige indsatser

Sandia finansierede størstedelen af ​​arbejdet med dette projekt gennem sit Laboratory Directed Research and Development-program. Tobaksplanteingeniørarbejdet blev udført af Singhs samarbejdspartnere fra råvaredivisionen på Joint BioEnergy Institute i Emeryville, Californien, herunder Dominique Loque og Aymerick Eudes.

Singh leder biomasseforbehandlingsprogrammet på instituttet, som er bemandet af forskere fra et konsortium af laboratorier, herunder Lawrence Berkeley National Laboratory. Hun mener, at fremtidig forskning i at øge lignins økonomiske værdi vil blive stærkt påvirket af hendes teams demonstrationer.

Den største udfordring på dette område vil være yderligere at maksimere udbyttet af værdifulde kemikalier og den hastighed, hvormed de kan produceres. "Alle forstår, at hybride tilgange er nøglen til lignin-valorisering, " sagde Singh.

Industriel anvendelse af denne teknologi vil afhænge af evnen til hurtigt at producere store mængder højværdiprodukter. "Hvis du kun kan lave milligram mængder på en måned fra en fejl, det vil bare ikke skære det, " sagde Singh. "Du vil have organismerne til at lave kilogram mængder på mindre end en time, ideelt set."