Новый процесс помогает преодолеть препятствия для производства возобновляемого топлива и химикатов

Новое исследование Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США демонстрирует концепцию, открывающую возможности для успешного преобразования лигнина в различные виды возобновляемого топлива, химикатов и материалов.

Исследование «Valorization Through Integrated Biological Funneling and Chemical Catalysis» опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences. Оно исследует инновационный метод переработки лигнина.

Процесс преобразования глюкозы из биомассы в топливо, такое как этанол, хорошо изучен. Однако растения также содержат значительное количество лигнина — до 30% их клеточных стенок. Лигнин — это гетерогенный ароматический полимер, который растения используют для укрепления клеточных стенок, но его часто считают помехой для экономически эффективного получения углеводов. Остаточный лигнин обычно сжигают, поскольку его трудно деполимеризовать и превратить в полезное топливо или химикаты.

«Биоочистительные заводы, преобразующие целлюлозную биомассу в жидкое транспортное топливо, обычно производят больше лигнина, чем необходимо для энергоснабжения процесса», — сказал старший инженер NREL и соавтор исследования Грегг Бекхэм. — «Отчаянно необходимы стратегии, включающие новые подходы к преобразованию оставшегося лигнина в более разнообразные и ценные продукты».

Хотя деполимеризация лигнина изучается почти столетие, разработка экономически эффективных процессов его переработки была ограничена.

В природе некоторые микроорганизмы научились преодолевать гетерогенность лигнина. Грибки гниения и некоторые бактерии способны выделять мощные ферменты или химические окислители для расщепления лигнина в клеточных стенках растений, что приводит к образованию гетерогенной смеси ароматических молекул. Некоторые бактерии развили «воронкообразные» метаболические пути для усвоения этих молекул и использования их в качестве источника углерода и энергии.

Это новое исследование показывает, что разработка процессов биологической конверсии для такого организма, утилизирующего лигнин, может открыть новые пути для преодоления его гетерогенности. Это, в свою очередь, может позволить получать более широкий спектр молекул из лигноцеллюлозной биомассы.

«Продемонстрированный нами концептуальный подход может быть применен ко многим различным типам сырья биомассы и сочетаться со многими стратегиями расщепления лигнина, инженерии биологических путей для получения различных промежуточных продуктов и каталитического облагораживания биологического продукта для разработки более широкого спектра ценных молекул из лигнина», — сказал Бекхэм. — «Это открывает перспективы для самых разных промышленных применений. Хотя это очень интересно, безусловно, для обеспечения экономической жизнеспособности этого процесса предстоит еще значительная технологическая разработка».

На данное исследование подана заявка на патент. Офис по передаче технологий NREL будет работать с исследователями над поиском потенциальных лицензиатов технологии.

Кроме того, исследователи из NREL участвовали в недавнем обзоре по переработке лигнина, опубликованном в журнале Science. В этом обзоре был подчеркнут широкий потенциал производства ценных продуктов из лигнина, включая недорогие углеродные волокна, конструкционные пластмассы и термопластичные эластомеры, полимерные пеноматериалы и мембраны, а также различные виды топлива и химикатов, которые в настоящее время производятся из нефти.