Ett forskarlag, gemensamt ledd av professor Ji Wook Jang, Professor Yong Hwan Kim, och professor Sang Hoon Joo vid School of Energy and Chemical Engineering vid UNIST, har avslöjat en ny teknik för omvandling av biomassa som kan omvandla rester från skogsbrukets biomassa (dvs. sågspån från timmeravverkning) till högre värdefulla bränslen och kemikalier. Publicerad i novembernumret 2019 av Naturkommunikation , den nya tekniken förväntas minska vårt beroende av produkter tillverkade av petrokemikalier.

I studien, det gemensamma forskarteamet har introducerat ett fusionskatalytiskt system som selektivt kan omvandla lignin, som utgör huvudbeståndsdelen i träavfall, till högvärdiga kemikalier via solenergi.

Lignin, , är den näst vanligaste förnybara biopolymeren efter cellulosa, och kasseras vanligtvis som avfall inom massa- och pappersindustrin i mycket stora mängder. Till skillnad från cellulosa, strukturen av lignin är extremt komplex och saknar sterisk regelbundenhet. Sådana egenskaper gör lignin svårt att bryta ner och ännu svårare att omvandla till något värdefullt. Biokatalysatorer, såsom enzymer, är ofta involverade i ligninnedbrytning, därför noggrann kvantifiering av insatsmaterialet (dvs. Väteperoxid, H2O2) är viktigt för aktiveringen av katalysatorer. För närvarande, processen att utvinna lignin ur biomassa hanteras via Anthraquinone Process. Dock, på grund av högtrycksvätetillstånd och ädelmetallkatalysatorer, detta var inte lämpligt för användning med enzymer.

Forskargruppen löste detta problem genom utvecklingen av ett fackförsett foto-elektro-biokemiskt system för oassisterad, selektiv, och stabil ligninvalorisering. Den största fördelen med detta system är att det involverar tre katalytiska system (en fotokatalysator för fotospänningsgenerering, en elektrokatalysator för H2O2-produktion, och en biokatalysator för ligninvalorisering) som är integrerade för selektiv lignindimervalorisering vid bestrålning med solljus utan behov av elektrisk energi eller ytterligare kemikalier.

Vid utformningen av systemet, forskargruppen placerade polymerelektrolytmembran som separatorer mellan celler för att skydda biokatalysatorn från skadliga förhållanden som genereras under reaktionen, på så sätt bevarade dess stabilitet och aktivitet. Deras resultat visar att det fotoelektro-biokemiska systemet kan katalysera lignindimerklyvning med en 93,7 % omvandlingseffektivitet och 98,7 % selektivitet, vilket vida överträffar de för enkelfack (37,3 % och 34,8 %) och tvåfack (25,0 %, 48,1 %) system. Systemet användes ytterligare för hållbar polymersyntes med en ligninmonomer, koniferylalkohol, med 73,3 % utbyte och 98,3 % omvandlingseffektivitet; dock, polymerutbytena för enkelkammar- och tvåkammarsystemen var endast ca. 0 % och 8,6 %, respektive.

"Denna selektiva ligninvaloriseringsteknik utan hjälp kan omvandla avfallslignin till förädlade aromater och polymerer utan behov av ytterligare energi och kemikalier, ", säger professor Ji Wook Jang. "Detta kan möjligen övervinna problemen i samband med nuvarande biomassauppgradering, såsom dess låga kostnadseffektivitet och begränsade processteknik."

"Denna forskning är betydelsefull eftersom den ger nya möjligheter att omvandla biomassa som avfallsved till aromatiska petrokemikalier på ett miljövänligt sätt, " säger professor Yong Hwan Kim. "Vi tror att utvecklingen och uppskalningen av denna teknik kommer att bli en milstolpe för att ersätta petrokemikalier med biokemikalier."

Resultaten av denna forskning har publicerats i Naturkommunikation .