• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Kemi
    Studier påskyndar omvandlingen av biobränsleavfall till användbara kemikalier

    Sandia National Laboratories bioingenjör Seema Singh undersöker en tobaksväxt som är genetiskt konstruerad för enkel utvinning av viktiga kemikalier. Upphovsman:Dino Vournas

    Ett Sandia National Laboratories-ledt team har visat snabbare, mer effektiva sätt att göra kasserade växtämnen till kemikalier värda miljarder. Teamets resultat kan hjälpa till att omvandla ekonomin för att tillverka bränslen och andra produkter från inhemskt odlade förnybara källor.

    Lignin, det tuffa material som återstår från biobränsleproduktion, innehåller föreningar som kan omvandlas till produkter som nylon, plast och droger. Det är en av huvudkomponenterna i växtcellväggar, och ger växter strukturell integritet samt skydd mot mikrobiella attacker.

    Produkter tillverkade av omvandlat lignin kan subventionera produktion av biobränsle, att göra kostnaden för biobränslen mer konkurrenskraftig med petroleum. Tyvärr, lignins seghet gör det också svårt att extrahera dess värdefulla föreningar. Forskare har brottats i decennier med att dekonstruera det. Som ett resultat, lignin sitter ofta oanvänd i gigantiska högar.

    Sandia bioingenjör Seema Singh och hennes team har visat två nya vägar till ligninkonvertering som kombinerar fördelarna med tidigare metoder samtidigt som deras nackdelar minimeras. Teamets senaste fynd beskrivs i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

    En kemisk och biologisk hybridväg framåt

    För att bryta bindningarna mellan föreningar som utgör lignin, forskare har antingen använt kemikalier eller små organismer som bakterier eller svampar. De mildare biologiska metoderna möjliggör produktion av specifika riktade föreningar. Men att helt bryta ner lignin med detta tillvägagångssätt kan ta veckor eller till och med månader.

    Omvänt, hårda kemikalier kan dekonstruera lignin på timmar eller till och med minuter. Men denna metod kräver dyra katalysatorer och är ibland giftig, och därför ohållbart. Värre, kemiska metoder leder till en blandning av föreningar som var och en förekommer i extremt små mängder.

    "Du får lite mycket olika kemikalier när du bryter ner lignin på det här sättet, "förklarade Singh." De mängder som gavs är inte särskilt användbara. "

    Hennes team har visat två nya tekniker som innehåller hastigheten på en kemisk metod och precisionen hos en biologisk. I båda fallen, Singhs team producerade slutligen högvärdiga kemikalier som för närvarande endast härrör från petroleum:mukonsyra och pyrogallol.

    Mukonsyra kan enkelt förvandlas till nylon, plast, hartser eller smörjmedel, och pyrogallol har anticancertillämpningar. Tillsammans, Singh rapporterar, dessa kemikalier har ett sammanlagt marknadsvärde på 255,7 miljarder dollar. "Mukonsyra är vad vi kallar en plattformskemikalie. Därifrån, att skapa nya produkter är egentligen bara en fantasifråga, " Hon sa.

    Bioingenjör förkortar konverteringsprocessen ytterligare

    Teamets första nya omvandlingsmetod är en flerstegsprocess som börjar med att förbehandla lignin med en svag lösning av väteperoxid och vatten. Mellanmolekyler vanillin och syringat är resultatet av behandlingen.

    En stam av E. coli speciellt modifierad av Sandia-mikrobiologen Weihua Wu förbrukar sedan dessa mellanstadiumföreningar, flera ytterligare föreningar dyker upp i blandningen, och slutligen resulterar processen i de två slutliga kemikalierna.

    Dock, Singh var inte nöjd med mängden mukonsyra som gavs från denna process. Så, hon och hennes team utmanade sig själva att hitta ett sätt att maximera sitt mukonsyrautbyte, och testade en andra konverteringsmetod.

    Den andra metoden hoppar över processen med att behöva bryta ner ligninet helt och hållet. Istället, laget genetiskt konstruerade en tobaksväxt. När det växer, anläggningen producerar stora mängder mellanliggande föreningar som protokaterar, känd som PCA. Sedan, de enda stegen som återstod var att extrahera den föreningen och använda den konstruerade E. coli för att tillverka mukonsyran.

    "Vi hoppade i princip över tre fjärdedelar av stegen vi gjorde tidigare genom att konstruera anläggningen för att odla mellanliggande kemikalier, "Singh sa." PCA kan enkelt extraheras från den modifierade tobaken och omvandlas till mukonsyra med liten ansträngning. "

    Denna anläggningsteknikväg är inte bara mer effektiv, men det löser också teamets självutmanade utmaning att maximera mukonsyrautbytet med så mycket som 34 procent jämfört med tidigare omvandlingsmetoder.

    Hybridmetoder är nyckeln till framtida insatser

    Sandia finansierade merparten av arbetet med detta projekt genom sitt Laboratory Directed Research and Development -program. Tobaksanläggningsteknikarbetet utfördes av Singhs medarbetare från råvaruavdelningen vid Joint BioEnergy Institute i Emeryville, Kalifornien, inklusive Dominique Loque och Aymerick Eudes.

    Singh leder biomassaförbehandlingsprogrammet vid institutet, som är bemannad av forskare från ett konsortium av laboratorier inklusive Lawrence Berkeley National Laboratory. Hon tror att framtida forskning om att öka lignins ekonomiska värde kommer att påverkas starkt av hennes teams demonstrationer.

    Den största utmaningen inom detta område kommer att vara att maximera utbytet av värdefulla kemikalier och den hastighet som de kan ge. "Alla förstår att hybridmetoder är nyckeln till ligninvalorisering, "Sa Singh.

    Industriell användning av denna teknik beror på förmågan att snabbt producera stora mängder högvärdiga produkter. "Om du bara kan göra milligrammängder på en månad från ett fel, som bara inte skär det, "Sa Singh." Du vill att organismerna ska göra kilogrammängder på mindre än en timme, helst. "


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com