Una bioraffineria ideale trasformerebbe le colture rinnovabili in una varietà di combustibili e prodotti con pochi rifiuti. Una sfida significativa nella realizzazione di questa visione è cosa fare con la lignina, un materiale fibroso e difficile da scomporre nelle pareti cellulari delle piante che conferisce loro robustezza.

La lignina costituisce circa un quarto della biomassa vegetale ed è la fonte più abbondante di aromatici rinnovabili sulla Terra. Gli aromatici sono materiali con sei anelli di carbonio solitamente derivati ​​dal petrolio che sono gli elementi costitutivi di un'ampia gamma di prodotti, dalla plastica ai prodotti farmaceutici.

Nonostante la sua elevata densità energetica, i ricercatori hanno lottato per trovare modi per realizzare il valore della lignina, ma questa sostanza naturale potrebbe, se imbrigliato, trasformare i mercati agricoli.

Ora, scienziati dell'Università del Wisconsin-Madison e del Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC) con i partner del Center for Bioenergy Innovation (CBI) hanno dimostrato che una varietà recentemente scoperta della sostanza, catechil lignina (C-lignina), ha caratteristiche che potrebbero renderlo adatto come punto di partenza per una gamma di bioprodotti. I loro risultati sono stati pubblicati oggi in Progressi scientifici .

Il ricercatore GLBRC John Ralph, un professore UW-Madison di biochimica e ingegneria dei sistemi biologici, ha esaminato le principali caratteristiche della C-lignina in collaborazione con Richard Dixon del CBI, Illustre professore di biochimica e biologia molecolare della University of North Texas, che ha trovato la sostanza nei semi di un cactus da ufficio. Il laboratorio di Ralph ha rivelato alla sostanza una natura lineare e omogenea, tratti non comuni per la lignina.

Attraverso un ulteriore esame, Yanding Li, uno studente laureato in ingegneria dei sistemi biologici UW-Madison nel laboratorio Ralph, è stato in grado di determinare che C-lignina, si trova anche nel rivestimento dei semi di vaniglia, rappresenta una lignina ideale per una raffineria di bioenergia.

I due gruppi hanno scoperto che la sostanza è costituita da un solo tipo di monomero, o molecola di lignina, e ogni monomero è tenuto insieme nello stesso modo. Li e Ralph hanno pensato che potesse quindi essere raffinato in una singola molecola piattaforma, o una piccola serie di tali molecole, che può costruire una varietà di prodotti. Li ha anche scoperto un tratto particolarmente favorevole:la C-lignina non perde la sua forma quando pretrattata chimicamente.

La lignina contiene spesso diversi tipi di monomeri e si deforma quando viene elaborata, rendendolo un enigma difficile da risolvere per i ricercatori accademici e le loro controparti industriali. fabbriche di carta, Per esempio, spesso lo bruciano come combustibile piuttosto che tentare di convertire la lignina in bioprodotti commerciali.

Il campione analizzato da Li era composto esclusivamente da C-lignina, promettente perché la sua uniformità consente una più facile lavorazione.

"Le raffinerie di biocarburanti preferiscono utilizzare un composto 'puro' piuttosto che una miscela di diversi, " dice Li. "Meno complicato è il nostro prodotto, più valore ha."

Poiché i monomeri di C-lignina sono tenuti insieme da un solo tipo di legame, chiamati legami eterei, possono essere scissi in modo pulito in unità con il giusto trattamento chimico. Questi blocchi costitutivi possono quindi essere trasformati in modi diversi a seconda dell'output desiderato.

"La natura regolare e lineare di questa lignina, combinato con la chimica relativamente semplice per depolimerizzarlo, rende abbastanza semplice la produzione di alte rese di monomeri semplici, "dice Ralph.

Quando le piante vengono raffinate in biocarburanti e bioprodotti, la lignina viene prima strappata via, lasciando gli zuccheri da convertire in materiali commerciabili. Questo pretrattamento di solito fa sì che la lignina si appallottoli in un pasticcio aggrovigliato.

struttura della C-lignina, però, sopravvive anche ai metodi di pretrattamento più severi e non si deforma.

"Anche il più debole dei trattamenti acidi o alcalini distrugge l'altra lignina, ma ogni volta che controllavo la C-lignina dopo una reazione, era quasi del tutto intatto, " dice Li. "Possiamo quindi creare un monomero di buona qualità ad alta resa da utilizzare come piattaforma chimica".

Ralph e Li hanno esposto la C-lignina all'idrogenolisi, una tecnica per decostruire la lignina sviluppata alla UW-Madison nel 1938 dal pioniere della chimica Homer Adkins.

Il duo sospettava che l'idrogenolisi sarebbe stata in grado di scindere i legami eterei che tengono insieme i monomeri di C-lignina. In questo caso, l'approccio ha prodotto una semplice coppia di monomeri con una resa di circa il 90%. La scelta del catalizzatore giusto potrebbe restringerlo a un singolo monomero, un risultato sorprendente per un componente vegetale spesso diffamato per la sua ostinazione.

Isolando il codice genetico che rende la C-lignina così adatta alla produzione, il team Ralph e i collaboratori del CBI stanno lavorando per inserire tali lignine in colture bioenergetiche che possono essere coltivate su scala più ampia.

Il team ha ora un progetto vitale per utilizzare gran parte delle piante che sono abituate a essere spalate in un inceneritore.

"Yanding fece un passo indietro e disse:"Cosa possiamo fare di più con questo?" " dice Ralph. "La cosa più importante era realizzare un nuovo paradigma, un nuovo ideotipo di lignina, e un nuovo modo di pensare alla lignina perfetta per una bioraffineria."