Forskare vid University of Wisconsin–Madison har utvecklat ett kostnadseffektivt och miljömässigt hållbart sätt att göra ett populärt smärtstillande medel och andra värdefulla produkter från växter istället för petroleum.
Bygger på en tidigare patenterad metod för att producera paracetamol – den aktiva ingrediensen i Tylenol – lovar upptäckten en grönare väg till en av världens mest använda mediciner och andra kemikalier. Ännu viktigare är att det skulle kunna ge nya intäktsströmmar för att göra cellulosabaserade biobränslen – som härrör från icke-livsmedelsväxtfibrer – kostnadsmässigt konkurrenskraftiga med fossila bränslen, den främsta drivkraften bakom klimatförändringarna.
"Vi gjorde FoU för att skala det och göra det realiserbart", säger Steven Karlen, en personalforskare vid Great Lakes Bioenergy Research Center som ledde forskningen som nyligen publicerades i tidskriften ChemSusChem .
Paracetamol, även känd som paracetamol, är ett av de mest använda läkemedlen, med ett globalt marknadsvärde på cirka 130 miljoner dollar per år. Sedan det introducerades i början av 1900-talet har läkemedlet traditionellt tillverkats av derivat av stenkolstjära eller petroleum.
2019 visade Karlen och UW–Madison biokemiprofessor John Ralph hur det kunde tillverkas istället av en förening i poppelträd med hjälp av en välkänd kemisk reaktion.
Nu har Karlens team förbättrat processen för att tillverka paracetamol såväl som andra läkemedel, pigment, textilier och biologiskt nedbrytbar plast med ett kumulativt marknadsvärde på mer än 1,5 miljarder dollar, en portfölj av produkter som Karlen säger skulle kunna stödja dussintals små bioraffinaderier som matas in i större nav utan att mätta marknaden.
Processen är tillgänglig för kommersiell licensiering genom Wisconsin Alumni Research Foundation, den ideella organisationen som kommersialiserar universitetsupptäckter för att stödja pågående forskning.
Paracetamolmolekylen är gjord av en bensenring med sex kol med två kemiska grupper fästa. Poppelträd producerar en liknande förening som kallas p-hydroxibensoat (pHB) i lignin, den del av cellväggen som binder samman växtsocker och ger struktur.
Lignin är proppfullt av värdefulla aromatiska föreningar som kan ersätta många petrokemikalier och förse bioraffinaderier med ytterligare intäktsströmmar för att göra växtbaserade bränslen kostnadskonkurrenskraftiga. Utmaningen är att bryta ner den komplexa och oregelbundna kedjan av molekyler till användbara komponenter.
Det visar sig att pHB är relativt lätt att bryta av med kemisk behandling, men medan den första upptäckten visade att det var kemiskt möjligt att omvandla det till paracetamol, säger Karlen att processen inte omvandlade tillräckligt med råvara till slutprodukten.
Forskaren Vitaliy Tymokhin upptäckte att behandling av poppelbiomassa med en annan – och vanligtvis billigare – metod omvandlade nästan all pHB till en annan kemikalie som sedan kan omvandlas till paracetamol eller en mindre värdefull molekyl med andra tillämpningar.
"Du kan göra färgämnen som svart bläck, polymerer som kan användas i textilier eller materialapplikationer, konvertera det till lim eller till sådana saker", säger Karlen. "Det har en enorm marknad och stort värde."
Genom att återvinna den oreagerade produkten tillbaka i en kontinuerlig reaktor, omvandlade forskarna framgångsrikt 90 % av råmaterialet till paracetamol, som de extraherade med en metod som är billigare än traditionella reningstekniker. Karlen säger att det borde vara möjligt att höja avkastningen till 99%.
Processen är huvudsakligen vattenbaserad, bygger på gröna lösningsmedel och är kontinuerlig snarare än en batch-reaktion, vilket gör den idealisk för industriella tillämpningar.
"När jag hugger upp trädet kan det matas direkt in i en reaktor som drar ut bensamiden", säger Karlen. "Så du stannar aldrig. Så fort som dina lastbilar kan komma in och fylla behållaren, kan du fortsätta bearbeta."
Mer information: Steven D Karlen et al., Produktion av biomassa-deriverad p-hydroxibensamid:syntes av p-aminofenol och paracetamol, ChemSusChem (2024). DOI:10.1002/cssc.202400234
Tillhandahålls av University of Wisconsin-Madison
