Forskere finder værdi i usædvanlig type plantemateriale

Et ideelt bioraffinaderi ville forvandle vedvarende afgrøder til en række forskellige brændstoffer og produkter med lidt affald. En væsentlig udfordring i at realisere denne vision er, hvad man skal gøre med lignin, et fibrøst og svært nedbrydeligt materiale i planters cellevægge, der giver dem deres robusthed.

Lignin udgør omkring en fjerdedel af plantebiomassen og er den mest udbredte kilde til vedvarende aromater på Jorden. Aromatiske materialer er materialer med seks kulstofringe, der normalt er afledt af petroleum, som er byggestenene til en bred vifte af produkter - fra plastik til lægemidler.

På trods af sin høje energitæthed, forskere har kæmpet for at finde måder at realisere lignins værdi, men dette naturligt forekommende stof kunne, hvis den bliver udnyttet, transformere landbrugsmarkederne.

Nu, forskere ved University of Wisconsin-Madison og Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC) med partnere ved Center for Bioenergy Innovation (CBI) har vist, at en nyligt opdaget variant af stoffet, catechyl lignin (C-lignin), har egenskaber, der kunne gøre den velegnet som udgangspunkt for en række bioprodukter. Deres resultater er blevet offentliggjort i dag i Videnskabens fremskridt .

GLBRC-forsker John Ralph, en UW-Madison professor i biokemi og biologisk systemteknik, undersøgte C-lignins vigtigste egenskaber i samarbejde med CBI's Richard Dixon, University of North Texas anerkendt forskningsprofessor i biokemi og molekylærbiologi, der fandt stoffet i frøene af en kontorkaktus. Ralphs laboratorium afslørede en lineær og homogen karakter af stoffet, ualmindelige egenskaber for lignin.

Gennem yderligere undersøgelse, Yanding Li, en UW-Madison biologiske systemer ingeniørstuderende i Ralph lab, var i stand til at bestemme, at C-lignin, findes også i belægningen af ​​vaniljefrø, repræsenterer en ideel lignin til et bioenergiraffinaderi.

De to grupper opdagede, at stoffet kun består af én type monomer, eller lignin molekyle, og hver monomer holdes sammen på samme måde. Li og Ralph begrundede, at det derfor kunne raffineres til et enkelt platformsmolekyle, eller en lille række af sådanne molekyler, der kan bygge en række produkter. Li afslørede også en særlig gunstig egenskab:C-lignin mister ikke sin form, når den forbehandles kemisk.

Lignin indeholder ofte flere slags monomerer og bliver misdannet, når det behandles, gør det til et svært puslespil at løse for akademiske forskere og deres industrielle kolleger. Papirfabrikker, for eksempel, brænder det ofte som brændstof i stedet for at forsøge at omdanne lignin til kommercielle bioprodukter.

Prøven, som Li analyserede, bestod udelukkende af C-lignin, lovende, fordi dens ensartethed giver mulighed for lettere behandling.

"Biobrændstofraffinaderier kan lide at bruge en 'ren' forbindelse frem for en blanding af flere, " siger Li. "Jo mindre kompliceret vores produkt er, jo mere værdi har det."

Fordi C-lignin monomerer holdes sammen af ​​kun én slags binding, kaldet etherforbindelser, de kan spaltes rent i enheder med den rette kemiske behandling. Disse byggeklodser kan derefter transformeres på forskellige måder afhængigt af det ønskede output.

"Den regelmæssige og lineære natur af denne lignin, kombineret med den relativt simple kemi til at depolymerisere det, gør det ret ligetil at producere høje udbytter af simple monomerer, " siger Ralph.

Når planter raffineres til biobrændstoffer og bioprodukter, ligninet bliver først strippet væk, efterlader sukker, der skal omdannes til salgbare materialer. Denne forbehandling får normalt lignin til at kugle op i et sammenfiltret rod.

C-lignins struktur, imidlertid, overlever selv de hårdeste forbehandlingsmetoder og bliver ikke fordrejet.

"Selv den svageste af syre- eller alkalibehandlinger ødelægger andet lignin, men hver gang jeg tjekkede C-lignin efter en reaktion, den var næsten helt intakt, " siger Li. "Så kan vi skabe en monomer af god kvalitet med højt udbytte til brug som platformkemikalie."

Ralph og Li udsatte C-lignin for hydrogenolyse, en teknik til at dekonstruere lignin udviklet på UW-Madison i 1938 af kemi-pioneren Homer Adkins.

Duoen formodede hydrogenolyse ville være i stand til at spalte etherbindingerne, der holder C-ligninmonomerer sammen. I dette tilfælde, metoden producerede et simpelt par monomerer i omkring 90 procent udbytte. At vælge den rigtige katalysator kunne indsnævre den til en enkelt monomer - et slående resultat for en plantekomponent, der ofte bliver udskældt for sin stædighed.

Isolering af den genetiske kode, der gør C-lignin så velegnet til produktion, Ralph-teamet og samarbejdspartnere på CBI arbejder på at indsætte sådanne ligniner i bioenergiafgrøder, der kan dyrkes i større skala.

Holdet har nu en vigtig plan for at gøre brug af en stor del af de planter, der er vant til at blive skovlet ind i et forbrændingsanlæg.

"Yanding tog et skridt tilbage og sagde, 'Hvad mere kan vi gøre med det her?' " siger Ralph. "Det større var at realisere et nyt paradigme, en ny lignin-ideotype, og en ny måde at tænke på den perfekte lignin til et bioraffinaderi."