Ett idealiskt bioraffinaderi skulle göra förnybara grödor till en mängd olika bränslen och produkter med lite avfall. En betydande utmaning för att förverkliga denna vision är vad man ska göra med lignin, ett fibröst och svårnedbrytbart material i växternas cellväggar som ger dem sin robusthet.

Lignin utgör ungefär en fjärdedel av växtbiomassan och är den vanligaste källan till förnybara aromater på jorden. Aromater är material med sex kolringar som vanligtvis härrör från petroleum som är byggstenarna för ett brett utbud av produkter – från plast till läkemedel.

Trots sin höga energitäthet, forskare har kämpat för att hitta sätt att inse lignins värde, men detta naturligt förekommande ämne kan, om den används, förändra jordbruksmarknaderna.

Nu, forskare vid University of Wisconsin-Madison och Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC) med partners vid Center for Bioenergy Innovation (CBI) har visat att en nyligen upptäckt variant av ämnet, katekylgnin (C-lignin), har egenskaper som skulle kunna göra den väl lämpad som utgångspunkt för en rad bioprodukter. Deras resultat har publicerats idag i Vetenskapens framsteg .

GLBRC-forskaren John Ralph, en UW-Madison professor i biokemi och biologisk systemteknik, undersökte C-lignins främsta egenskaper i samarbete med CBI:s Richard Dixon, University of North Texas framstående forskningsprofessor i biokemi och molekylärbiologi, som hittade ämnet i fröna av en kontorskaktus. Ralphs labb avslöjade en linjär och homogen natur för ämnet, ovanliga egenskaper för lignin.

Genom ytterligare granskning, Yanding Li, en doktorand i biologisk systemteknik från UW-Madison i Ralph-labbet, kunde fastställa att C-lignin, finns också i beläggningen av vaniljfrön, representerar ett idealiskt lignin för ett bioenergiraffinaderi.

De två grupperna upptäckte att ämnet består av endast en typ av monomer, eller ligninmolekyl, och varje monomer hålls samman på samma sätt. Li och Ralph resonerade att det därför kunde förfinas till en enda plattformsmolekyl, eller en liten mängd sådana molekyler, som kan bygga en mängd olika produkter. Li avslöjade också en särskilt gynnsam egenskap:C-lignin förlorar inte sin form när det förbehandlas kemiskt.

Lignin innehåller ofta flera typer av monomerer och blir missbildat när det bearbetas, gör det till ett svårt pussel att lösa för akademiska forskare och deras industriella motsvarigheter. Pappersfabriker, till exempel, bränner det ofta som bränsle istället för att försöka omvandla lignin till kommersiella bioprodukter.

Provet som Li analyserade bestod enbart av C-lignin, lovande eftersom dess enhetlighet möjliggör enklare bearbetning.

"Biobränsleraffinaderier gillar att använda en "ren" förening snarare än en blandning av flera, "säger Li." Ju mindre komplicerad vår produkt är, desto mer värde har det."

Eftersom C-ligninmonomerer hålls samman av endast en typ av bindning, kallade eterkopplingar, de kan klyvas rent till enheter med rätt kemisk behandling. Dessa byggstenar kan sedan transformeras på olika sätt beroende på önskad effekt.

"Den regelbundna och linjära naturen hos detta lignin, kombinerat med den relativt enkla kemin för att depolymerisera den, gör det ganska enkelt att producera höga utbyten av enkla monomerer, säger Ralph.

När växter förädlas till biobränslen och bioprodukter, ligninet tas först bort, lämnar socker för att omvandlas till säljbara material. Denna förbehandling gör vanligtvis att lignin samlas i en trasslig röra.

C-lignins struktur, dock, överlever även de hårdaste förbehandlingsmetoderna och blir inte vridna.

"Även den svagaste av syra- eller alkalibehandlingar förstör andra lignin, men varje gång jag kollade C-lignin efter en reaktion, den var nästan helt intakt, "säger Li." Vi kan sedan skapa en monomer av god kvalitet med hög avkastning för användning som plattformskemikalie. "

Ralph och Li exponerade C-lignin för hydrogenolys, en teknik för att dekonstruera lignin utvecklad vid UW-Madison 1938 av kemipionjären Homer Adkins.

Duon misstänkte hydrogenolys skulle kunna klyva eterbindningarna som håller ihop C-ligninmonomererna. I detta fall, metoden gav ett enkelt par monomerer i ungefär 90 procents avkastning. Att välja rätt katalysator kan begränsa den till en enda monomer - ett slående resultat för en växtkomponent som ofta smutskastas för sin envishet.

Att isolera den genetiska koden som gör C-lignin så väl lämpat för produktion, Ralph-teamet och medarbetare på CBI arbetar med att infoga sådana ligniner i bioenergigrödor som kan odlas i större skala.

Teamet har nu en viktig plan för att ta tillvara en stor del av de växter som är vana vid att skyfflas in i en förbränningsugn.

"Yanding tog ett steg tillbaka och sa, "Vad mer kan vi göra med det här?" " säger Ralph. "Det större var att förverkliga ett nytt paradigm, en ny lignin-ideotyp, och ett nytt sätt att tänka på det perfekta ligninet för ett bioraffinaderi. "