Lignin, en komplex organisk polymer, är en av huvudkomponenterna i trä, som ger strukturellt stöd och styvhet för att göra träden starka nog att motstå väder och vind. När man omvandlar trä till papper är lignin en nyckelingrediens som måste tas bort, och det blir ofta avfall.

Marcus Foston, docent i energi, miljö &kemiteknik vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis, undersöker hur man kan tillföra värde till lignin genom att bryta ner det till små molekyler som strukturellt liknar syresatta kolväten. Dessa förnybara kemikalier är nyckelkomponenter i många industriella processer och produkter, men de kommer traditionellt från icke-förnybar petroleum.

Fostons studie av demontering av lignin, gjord i samarbete med Sai Venkatesh Pingali, en neutronspridningsforskare vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL), publicerades 17 januari i ACS Sustainable Chemistry &Engineering .

"Lignins struktur ser faktiskt mycket ut som det vi får från petroleum", säger Foston, som också är chef för WashU:s Synthetic Biology Manufacturing of Advanced Materials Research Center (SMARC). "I nuvarande tillverkningsprocesser lägger vi tid på att få petroleum att se ut som elementen i lignin. Istället använder jag en katalysator för att bryta ner lignin lättare och på ett sådant sätt att det producerar specifika kemikalier. När vi kan producera kemikalier från lignin i en form vi vill, då kan vi mer effektivt använda lignin, som är en riklig biprodukt av att massa trä till papper."

Tillsammans med medarbetare på ORNL använde Foston neutronspridning för att studera hur lignin interagerar med lösningsmedel och katalysatorer under dess demontering under reaktionsförhållanden, inklusive hög temperatur och tryck. ORNL:s avancerade anläggningar gjorde det möjligt för forskare att observera reaktionsprocessen i realtid för att förbättra sin katalysator och ytterligare effektivisera reaktionssystem för lignindepolymerisation.

Denna direkta syn på molekylär nivå är avgörande, sa Foston, för att ta reda på hur katalysatorn och ligninet beter sig i lösning och för att säkerställa att ligninet inte återkondenseras till en polymer med bindningar som forskare inte lätt kan bryta.

"I den här studien funderar vi specifikt på hur vi kan ta den stora mängden lignin som produceras under biobränsle- eller pappersproduktion och använda den för att göra förnybara kemikalier som ersätter några av de kemikalier vi för närvarande får från petroleum," sa Foston .

"Mer allmänt kan samma depolymerisationsprinciper som vi utforskar med lignin användas i andra applikationer. Till exempel gäller samma lärdomar från denna studie för scenarier för plastavfall, där ett tillvägagångssätt är att dekonstruera plastavfall till små molekyler som kan vara används för att tillverka plast eller andra användbara produkter."

"I slutändan vill vi ta ett gäng kemikalier som kommer från petroleum och ta reda på hur vi kan göra dem förnybart," tillade Foston. "Allt vi lär oss om lignin kommer att gälla även för andra utrymmen."

Mer information: Jialiang Zhang et al, Structural Evolution of Lignin Using In Situ Small-Angle Neutron Scattering under Catalytic Disassembly, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c06368

Journalinformation: ACS Sustainable Chemistry &Engineering

Tillhandahålls av Washington University i St. Louis