Превращение лигнина в деньги: Дорожная карта по улучшению биопереработки лигноцеллюлозного биотоплива

Основная проблема при производстве целлюлозного этанола из растений — что делать с древесным сельскохозяйственным отходом, лигнином. В целлюлозно-бумажной промышленности долгое время бытовала поговорка: из лигнина можно сделать всё, кроме денег.

Новый обзор в журнале Science указывает путь к будущему, где лигнин превращается из отхода в ценные материалы, такие как недорогие углеродные волокна для автомобилей или биопластики. Это создаст новые рынки для лесопромышленного комплекса и повысит рентабельность производства этанола в качестве топлива.

«Мы разработали дорожную карту по интеграции генной инженерии с инструментами аналитической химии, чтобы адаптировать структуру лигнина и метод его выделения для использования в материалах, химикатах и топливе», — заявил Артур Рагаускас, профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии.

Рост индустрии целлюлозного топлива создал поток лигнина, для которого необходимо найти ценное применение. Одновременно федеральные агентства и промышленность финансируют исследования по упрощению процесса переработки биомассы в топливо.

«Один из многообещающих подходов — генетически модифицировать растения так, чтобы они имели более реакционноспособные полисахариды, пригодные для коммерческого применения, а также изменить структурные особенности лигнина, чтобы он стал более привлекательным для материалов, химикатов и топлива», — пояснил Рагаускас.

Исследования, представленные в обзоре, показывают, что теоретически возможно генетически изменить пути синтеза лигнина, чтобы уменьшить количество нежелательных побочных продуктов, эффективнее извлекать целевые полисахариды (сахара, которые можно преобразовать в другие продукты) и повысить коммерческую ценность лигнина.

«Существует достаточно публикаций и данных, чтобы сказать: "Да, мы можем это сделать"», — отметил Рагаускас.

Благодаря работе с трансгенными растениями и дикими растениями, которые естественным образом имеют меньше нежелательных компонентов, биологи, инженеры и химии улучшили понимание химии и структуры лигнина в области биопереработки. Это даёт лучшее представление о теоретическом химическом потенциале лигнина.

«Мы должны быть способны изменить структуру лигнина и выделить его таким образом, чтобы использовать в экологичных материалах или в смесях для различных синтетических полимеров», — сказал Рагаускас.

Это создаст поток полисахаридов для производства этанола, а лигнин-отход с улучшенными структурными характеристиками станет привлекательным для коммерческого применения, например, в полимерах или углеродных волокнах.

Научные подходы применимы к различным растениям, используемым сегодня для производства целлюлозного биотоплива, таким как просо прутьевидное и тополь. В настоящее время лигнин в основном сжигают для получения энергии, покрывая лишь небольшую часть потребностей биорефинеров. Новая дорожная карта подчёркивает, как с помощью существующих инструментов генной инженерии лигнин может стать гораздо более ценным для промышленности.

«Наша первостепенная задача — снизить стоимость переработки биомассы в биотопливо, — сказал Рагаускас. — Но в процессе мы многое узнали о лигнине и, возможно, сможем сделать больше, чем просто снизить затраты. Мы можем адаптировать структуру лигнина для коммерческого применения».