Когда природа создала лигнин — волокнистый древесный материал, который придает растениям их жесткую структуру, — она не срезала углы. Невероятно медленно разрушающийся, лигнин настолько прочен и долговечен, что устойчив к бактериям и гниению.

Так что же происходит со всеми отходами лигнина с сельскохозяйственных угодий, пивоварен и бумажных фабрик? Большая его часть сжигается или закапывается, вызывая загрязнение и растрачивая потенциальные возобновляемые ресурсы.

Теперь исследователи Северо-Западного университета разработали устойчивый и недорогой двухэтапный процесс, который может перерабатывать органические углеродные отходы, включая лигнин. Перерабатывая отходы с помощью биоперерабатывающего завода, управляемого микробами, исследователи превратили лигнин в источники углерода, которые можно было бы использовать в дорогостоящих фармацевтических препаратах растительного происхождения и антиоксидантных нутрицевтиках, а также в наночастицах на основе углерода для доставки лекарств или химических веществ.

Исследование было опубликовано на обложке январского номера журнала ACS Sustainable Chemistry and Engineering.

«Лигнин должен иметь огромную ценность, но по сути он считается отходом», — сказала Кимберли Грей из Northwestern, руководившая исследованием. «Лигнин составляет 20-30% биомассы, но 40% энергии, что много, но этот источник энергии трудно использовать. Природа сделала лигнин настолько неподатливым для обработки, что люди не придумали, как его использовать. Исследователи пытались решить эту проблему на протяжении десятилетий. Взяв за образец нефтеперерабатывающий завод , мы разработали биоперерабатывающий завод, который перерабатывает потоки отходов и производит ценную продукцию».

Грей является семейным председателем Рокселин и Ричарда Пеппер в области гражданского и экологического проектирования и профессором гражданского и экологического проектирования в Инженерной школе Маккормика на Северо-Западе.

Природный строительный материал

Один из самых распространенных органических полимеров в мире, лигнин присутствует во всех сосудистых растениях. Находящийся между клеточными стенками лигнин обеспечивает сильные, крепкие растения, такие как деревья, структурную поддержку. Без лигнина древесина и кора были бы слишком слабыми, чтобы поддерживать деревья. А деревянные дома и мебель просто рухнут.

Но в большинстве отраслей, использующих растения, таких как производство бумаги и пивоварение, лигнин удаляется, оставляя после себя целлюлозу, разновидность сахара. Вместо того, чтобы использовать природный сверхстойкий материал, промышленные бригады сжигают лигнин как дешевое топливо.

«Люди хотят избавиться от лигнина, чтобы добраться до сахаров», — сказал Грей. «Они ферментируют целлюлозу для производства спирта или перерабатывают ее для получения целлюлозы. Что же они делают с лигнином? Они сжигают его как низкокачественное топливо. Это пустая трата».

Топливный элемент на бактериях

Чтобы разработать биоперерабатывающий завод для расщепления углеродных отходов, включая лигнин, исследователи сначала разработали микробную электролизную ячейку (MEC). Подобно топливному элементу, MEC обменивается энергией между анодом и катодом. Но вместо металлического анода биоанод Northwestern содержит экзоэлектрогены — тип бактерий, которые естественным образом вырабатывают электрическую энергию, поедая органические вещества.

«Микробы действуют как катализатор», — сказал соавтор исследования Джордж Уэллс, адъюнкт-профессор гражданской и экологической инженерии в McCormick. «Вместо использования химических катализаторов, которые часто очень дороги и требуют высоких температур, мы используем биологию в качестве катализатора».

Прелесть MEC в том, что он может перерабатывать любые органические отходы — человеческие, сельскохозяйственные или промышленные. MEC перерабатывает наполненную отходами воду через бактерии, которые поглощают углерод. Здесь они разлагают органический углерод до углекислого газа, а затем естественным образом выдыхают электроны. Во время этого процесса извлеченные электроны перетекают от биоанода к катоду (сделанному из углеродной ткани), где они восстанавливают кислород для получения воды. Процесс потребляет протоны, повышая pH воды, превращая ее в едкий раствор. Оттуда едкий раствор можно было использовать для любого количества применений, включая очистку сточных вод.

«Еще одно преимущество этого процесса заключается в том, что он эффективно очищает сточные воды от вредного органического углерода», — сказал Уэллс. «Итак, ключевой продукт — чистая вода».

Но исследователи взяли едкое вещество и снова обратили внимание на лигнин. Соединения лигнина долговечны, потому что они содержат сложные цепи ароматического углерода, которые имеют особый характер связи, образующий кольцо из шести атомов углерода. Каждое ароматическое кольцо содержит чередующиеся двойные и одинарные связи, которые невероятно трудно разорвать.

Разрыв «нерушимых» связей

Однако, когда исследователи подвергли лигнин воздействию едкого химического вещества на биологической основе, полимеры лигнина распались таким образом, что ароматические кольца сохранились. Около 17% обработанного лигнина превратилось в углеродные кольца, называемые флавоноидами, фитонутриентами, богатыми антиоксидантами, которые часто встречаются в добавках. Обычно используемые в медицинской химии , эти кольца могут быть использованы в качестве устойчивых предшественников растительного происхождения для недорогих фармацевтических препаратов и добавок.

«Он разрывает полимерные связи, но выборочно оставляет кольцо», — сказал Грей. «Если вы можете сохранить это кольцо, тогда вы можете создавать ценные материалы. Химики разработали катализаторы, которые разрушают все соединение, а затем им приходится восстанавливать кольцо. Но мы смогли разрушить его выборочно, чтобы сохранить ценные структуры.»

Остальная часть переработанного лигнина (около 80%) превратилась в наночастицы на основе углерода, которые можно было бы использовать для включения веществ для адресной доставки лекарств в организме человека или адресной доставки питательных веществ в растения. Наночастицы также могут стать устойчивой растительной альтернативой солнцезащитным кремам и косметике.

«Очень интересно определить и изучить путь устойчивого восстановления ресурсов из множества потоков отходов», — сказал Уэллс. «У нас есть огромные потоки сточных вод и лигнина, которые дорого обрабатывать самостоятельно. Мы пытаемся переосмыслить их как источники ценности».

Восстановление ресурсов без опасных химикатов

Хотя исследователи могли бы использовать коммерчески доступное каустическое вещество для обработки лигнина, их подход, основанный на МЭК, имеет много преимуществ. Во-первых, зеленый химикат на биологической основе работает лучше. Во-вторых, он безопаснее, дешевле, может использоваться в условиях окружающей среды и может производить химические вещества в случае необходимости.

«Есть много едких веществ, таких как гидроксид натрия , который обычно используется во многих промышленных процессах и очистке сточных вод », — сказал Уэллс. «Но это предполагает транспортировку и хранение большого количества токсичных химических веществ. Это не только дорого, но и опасно для здоровья населения. Гораздо безопаснее и экологичнее производить химические вещества на месте из отходов. количества опасных химикатов и не зависят от цепочек поставок или своевременной доставки грузовиков. Это дает нам гибкость и адаптируемость для производства химикатов прямо на месте, когда они необходимы».

Исследование «Повышение ценности лигнина в мягких условиях: биорафинирование флавоноидов и наночастиц лигнина» было поддержано Инициативой конечной Земли Инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета.