Nyt biokatalytisk system gør affaldsbiomasse til værdiskabende kemikalier

Et forskerhold, i fællesskab ledet af professor Ji Wook Jang, Professor Yong Hwan Kim, og professor Sang Hoon Joo fra School of Energy and Chemical Engineering ved UNIST, har afsløret en ny biomassekonverteringsteknologi, der kan omdanne skovbrugsbiomasserester (dvs. savsmuld fra tømmerhugst) til brændstoffer og kemikalier af højere værdi. Udgivet i november 2019-udgaven af Naturkommunikation , den nye teknologi forventes at reducere vores afhængighed af produkter fremstillet af petrokemikalier.

I undersøgelsen, det fælles forskerhold har introduceret et fusionskatalytisk system, der selektivt kan omdanne lignin, som udgør hovedbestanddelen af ​​træaffald, til kemikalier af højere værdi via solenergi.

Lignin, , er den næstmest udbredte vedvarende biopolymer efter cellulose, og kasseres normalt som affald i papirmasse- og papirindustrien i meget store mængder. I modsætning til cellulose, strukturen af ​​lignin er ekstremt kompleks og mangler sterisk regelmæssighed. Sådanne egenskaber gør lignin svært at nedbryde og endnu sværere at omdanne til noget værdifuldt. Biokatalysatorer, såsom enzymer, er ofte involveret i nedbrydning af lignin, således omhyggelig kvantificering af inputmaterialet (dvs. brintoverilte, H2O2) er vigtig for aktiveringen af ​​katalysatorer. På nuværende tidspunkt processen med at udvinde lignin fra biomasse håndteres via Anthraquinone Process. Imidlertid, på grund af højtryksbrinttilstand og ædelmetalkatalysatorer, dette var ikke egnet til brug med enzymer.

Forskerholdet løste dette problem via udviklingen af ​​et opdelt foto-elektro-biokemisk system til uassisteret, selektiv, og stabil ligninvalorisering. Den største fordel ved dette system er, at det involverer tre katalytiske systemer (en fotokatalysator til fotospændingsgenerering, en elektrokatalysator til H2O2-produktion, og en biokatalysator til lignin valorisering), der er integreret til selektiv lignin dimer valorisering ved bestråling med sollys uden behov for elektrisk energi eller yderligere kemikalier.

Ved udformningen af ​​systemet, forskerholdet placerede polymerelektrolytmembraner som adskillere mellem cellerne for at beskytte biokatalysatoren mod skadelige forhold, der dannes under reaktionen, dermed bevaret sin stabilitet og aktivitet. Deres resultater viser, at det foto-elektro-biokemiske system kan katalysere lignin-dimer-spaltning med en 93,7% konverteringseffektivitet og 98,7% selektivitet, som langt overgår dem for enkelt-rum (37,3% og 34,8%) og to-rum (25,0%, 48,1 %) systemer. Systemet blev yderligere anvendt til bæredygtig polymersyntese ved hjælp af en ligninmonomer, coniferyl alkohol, med et 73,3% udbytte og 98,3% af omdannelseseffektiviteten; imidlertid, polymerudbyttet af enkelt- og to-rumssystemerne var kun ca. 0 % og 8,6 %, henholdsvis.

"Denne uassisterede selektive ligninvaloriseringsteknologi kunne omdanne affaldslignin til værdiforøgende aromater og polymerer uden behov for yderligere energi og kemikalier, " siger professor Ji Wook Jang. "Dette kunne muligvis overvinde problemerne forbundet med den nuværende biomasseopgradering, såsom dens lave omkostningseffektivitet og begrænsede behandlingsteknologi."

"Denne forskning er vigtig, da den giver nye muligheder for at omdanne biomasse såsom affaldstræ til aromatiske petrokemikalier på en miljøvenlig måde, " siger professor Yong Hwan Kim. "Vi tror på, at udviklingen og opskaleringen af ​​denne teknologi vil være en milepæl for udskiftningen af ​​petrokemikalier med biokemikalier."

Resultaterne af denne forskning er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .