Переломный момент для лигнина

Международная команда исследователей под руководством Арта Рагаускаса предлагает новый взгляд на органический полимер, часто считающийся бесполезным побочным продуктом. Их перспектива изложена в статье «Lignin Valorization: Improving Lignin Processing in the Biorefinery» в журнале Science.

Что такое лигнин и почему его сложно изучать?

Лигнин — это основной компонент древесной биомассы и большинства наземных растений; это единственный в природе высокообъёмный ароматический полимер. Он играет ключевую роль в проведении воды через клеточную стенку растения, а также обеспечивает структуру и защитные свойства. В отличие от других природных полимеров, таких как ДНК или целлюлоза, лигнин не имеет упорядоченной вторичной и третичной структуры, что затрудняет его изучение.

Как изменилось научное понимание лигнина?

Стратегические инвестиции Министерства энергетики США (DOE) и других агентств, включая три Центра биоэнергетических исследований, основанные в 2007 году, помогли учёным лучше понять лигнин в рамках исследований по снижению устойчивости биомассы для производства целлюлозного этанола. Повышенное внимание к биотопливу привело к разработке более точных аналитических инструментов и вычислительных моделей. Теперь известно, что структуру лигнина можно кардинально менять с помощью генной инженерии и в процессе производства этанола.

Меняется ли отношение к лигнину как к бесполезному продукту?

Обзор описывает ряд достижений последних лет, которые представляют собой переломный момент. Несколько мировых целлюлозных биорефинерий начинают работу. Для использования лигнина в крупнотоннажных применениях его нужно собрать, переработать и выделить, что и будет делать индустрия целлюлозного этанола. Сейчас до 50% и более лигнина сжигается или идёт в отходы. Теперь можно ставить вопрос: можно ли изменить структуру лигнина, чтобы снизить устойчивость биомассы для получения полисахаридов для топлива и одновременно получить ценный прекурсор для химикатов, топлива и материалов?

Какое применение лигнина может иметь наибольший эффект?

Первым кандидатом являются углеродные волокна из-за огромного потенциального объёма. Модели показывают, что 40–50% конструкционной стали в автомобиле можно заменить композитными материалами на их основе. Однако для этого требуется низкозатратное производство в масштабе сотен тысяч тонн в год. Обычные прекурсоры для углеродного волокна слишком дороги. Лигнин из биорефининга мог бы стать предпочтительным прекурсором, но фундаментальное понимание химии этого процесса пока ограничено. Необходимо создавать растения с определёнными свойствами, разрабатывать щадящие методы экстракции и процессы производства волокон.

Что нужно для реализации потенциала лигнина?

Ключом может стать генная инженерия в сочетании с химией процессов. 7–8 лет назад для исследований использовали лигнин из целлюлозно-бумажной промышленности. Теперь доступ к специально модифицированному лигнину растёт. Автор сравнивает ситуацию с освоением Нового Света: мы высадились, построили небольшое сообщество и видим огромные возможности на западе, но пока не знаем их полных масштабов. Однако уже ясно, что возможности очень перспективны.