Una biorrefinería ideal convertiría los cultivos renovables en una variedad de combustibles y productos con poco desperdicio. Un desafío significativo para lograr esta visión es qué hacer con la lignina, un material fibroso y difícil de descomponer en las paredes celulares deplantas que les da su robustez.
La lignina representa aproximadamente una cuarta parte de la biomasa vegetal y es la fuente más abundante de aromáticos renovables en la Tierra. Los aromáticos son materiales con seis anillos de carbono generalmente derivados del petróleo que son los bloques de construcción para una amplia gama de productos, desde plásticos hastaproductos farmacéuticos
A pesar de su alta densidad de energía, los investigadores han luchado por encontrar formas de obtener el valor de la lignina, pero esta sustancia natural podría, si se aprovechara, transformar los mercados agrícolas.
Ahora, científicos del Centro de Investigación de Bioenergía de la Universidad de Wisconsin-Madison y Great Lakes GLBRC con socios del Centro de Innovación de Bioenergía CBI han demostrado que una variedad recientemente descubierta de la sustancia, la catequil lignina C-lignina, tiene atributos que podrían hacerla adecuada como punto de partida para una gama de bioproductos. Sus hallazgos se han publicado hoy en Avances científicos .
El investigador de GLBRC, John Ralph, profesor de bioquímica e ingeniería de sistemas biológicos de la UW-Madison, examinó las principales características de C-lignin en colaboración con Richard Dixon, profesor distinguido de investigación de bioquímica y biología molecular de la Universidad de North Texas en CBI, quien encontró la sustancia enlas semillas de un cactus de oficina. El laboratorio de Ralph reveló una naturaleza lineal y homogénea a la sustancia, rasgos poco comunes para la lignina.
Mediante un examen más detallado, Yanding Li, un estudiante graduado de ingeniería de sistemas biológicos de UW-Madison en el laboratorio Ralph, pudo determinar que la lignina C, también encontrada en el recubrimiento de semillas de vainilla, representa una lignina ideal para una refinería de bioenergía.
Los dos grupos descubrieron que la sustancia está compuesta de un solo tipo de monómero, o molécula de lignina, y cada monómero se mantiene unido de la misma manera. Li y Ralph razonaron que, por lo tanto, podría refinarse en una sola molécula de plataforma,o una pequeña variedad de tales moléculas, que pueden construir una variedad de productos. Li también descubrió un rasgo particularmente favorable: la C-lignina no pierde su forma cuando se trata químicamente.
La lignina a menudo contiene varios tipos de monómeros y se deforma cuando se procesa, por lo que es difícil de resolver para investigadores académicos y sus contrapartes industriales. Las fábricas de papel, por ejemplo, a menudo lo queman como combustible en lugar de intentar convertir la lignina en bioproductos comerciales.
La muestra que Li analizó estaba compuesta únicamente de C-lignina, prometedora porque su uniformidad permite un procesamiento más fácil.
"A las refinerías de biocombustibles les gusta usar un compuesto 'puro' en lugar de una mezcla de varios", dice Li. "Cuanto menos complicado es nuestro producto, más valor tiene".
Debido a que los monómeros de lignina C se mantienen unidos por un solo tipo de enlace, llamado enlaces de éter, se pueden dividir limpiamente en unidades con el tratamiento químico adecuado. Estos bloques de construcción se pueden transformar de diferentes maneras dependiendo de la salida deseada.
"La naturaleza regular y lineal de esta lignina, combinada con la química relativamente simple para despolimerizarla, hace que la producción de altos rendimientos de monómeros simples sea bastante sencilla", dice Ralph.
Cuando las plantas se refinan en biocombustibles y bioproductos, la lignina primero se elimina, dejando que los azúcares se conviertan en materiales comercializables. Este tratamiento previo generalmente hace que la lignina se convierta en un enredo enredado.
Sin embargo, la estructura de la C-lignina sobrevive incluso los métodos de pretratamiento más duros y no se tuerce.
"Incluso el más débil de los tratamientos ácidos o alcalinos destruye otra lignina, pero cada vez que revisé la C-lignina después de una reacción, estaba casi completamente intacta", dice Li. "Entonces podemos crear un monómero de buena calidad con alto rendimientopara su uso como plataforma química "
Ralph y Li expusieron C-lignina a hidrogenólisis, una técnica para deconstruir lignina desarrollada en UW-Madison en 1938 por el pionero de la química Homer Adkins.
El dúo sospechaba que la hidrogenólisis sería capaz de escindir los enlaces de éter que mantienen unidos a los monómeros de lignina C. En este caso, el enfoque produjo un par simple de monómeros con un rendimiento de aproximadamente el 90 por ciento. Elegir el catalizador adecuado podría reducirlo a unmonómero único: un resultado sorprendente para un componente de la planta a menudo difamado por su obstinación.
Aislando el código genético que hace que la C-lignina sea tan adecuada para la producción, el equipo de Ralph y los colaboradores de CBI están trabajando para insertar tales ligninas en cultivos de bioenergía que puedan cultivarse a mayor escala.
El equipo ahora tiene un plan vital para hacer uso de una gran parte de las plantas que están acostumbradas a ser empujadas a un incinerador.
"Yanding dio un paso atrás y dijo: '¿Qué más podemos hacer con esto?'", Dice Ralph. "Lo más importante fue realizar un nuevo paradigma, un nuevo ideotipo de lignina y una nueva forma de pensar acerca de lo perfectolignina para una biorefinería "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Mark E. Griffin. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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