Uma biorrefinaria ideal transformaria plantações renováveis ​​em uma variedade de combustíveis e produtos com pouco desperdício. Um desafio significativo para concretizar essa visão é o que fazer com a lignina, um material fibroso e difícil de decompor nas paredes celulares das plantas que lhes confere robustez.

A lignina representa cerca de um quarto da biomassa vegetal e é a fonte mais abundante de aromáticos renováveis ​​na Terra. Aromáticos são materiais com seis anéis de carbono geralmente derivados do petróleo que são os blocos de construção para uma ampla gama de produtos - de plásticos a produtos farmacêuticos.

Apesar de sua alta densidade de energia, pesquisadores têm lutado para encontrar maneiras de perceber o valor da lignina, mas esta substância de ocorrência natural poderia, se atrelado, transformar os mercados agrícolas.

Agora, cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison e do Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC) com parceiros do Center for Bioenergy Innovation (CBI) demonstraram que uma variedade recentemente descoberta da substância, catecil lignina (C-lignina), possui atributos que podem torná-lo adequado como ponto de partida para uma variedade de bioprodutos. Suas descobertas foram publicadas hoje em Avanços da Ciência .

Pesquisador do GLBRC John Ralph, um professor de bioquímica e engenharia de sistemas biológicos da UW-Madison, examinou as principais características da lignina C em colaboração com Richard Dixon da CBI, Distinto professor pesquisador de bioquímica e biologia molecular da University of North Texas, que encontrou a substância nas sementes de um cacto de escritório. O laboratório de Ralph revelou uma natureza linear e homogênea para a substância, traços incomuns para lignina.

Por meio de um exame mais aprofundado, Yanding Li, um estudante de graduação em engenharia de sistemas biológicos da UW-Madison no laboratório Ralph, foi capaz de determinar que a lignina C, também encontrado no revestimento de sementes de baunilha, representa uma lignina ideal para uma refinaria de bioenergia.

Os dois grupos descobriram que a substância é composta por apenas um tipo de monômero, ou molécula de lignina, e cada monômero é mantido junto da mesma maneira. Li e Ralph raciocinaram que poderia, portanto, ser refinado em uma única molécula de plataforma, ou uma pequena matriz de tais moléculas, que pode criar uma variedade de produtos. Li também descobriu uma característica particularmente favorável:a lignina C não perde sua forma quando pré-tratada quimicamente.

A lignina geralmente contém vários tipos de monômeros e se torna malformada quando processada, tornando-o um quebra-cabeça difícil de resolver para pesquisadores acadêmicos e seus colegas industriais. Fábricas de papel, por exemplo, frequentemente queimá-lo como combustível em vez de tentar converter a lignina em bioprodutos comerciais.

A amostra que Li analisou era composta apenas por lignina C, promissor porque sua uniformidade permite um processamento mais fácil.

"As refinarias de biocombustíveis gostam de usar um composto 'puro' em vez de uma mistura de vários, "diz Li." Quanto menos complicado for o nosso produto, mais valor ele tem. "

Como os monômeros de lignina C são mantidos juntos por apenas um tipo de ligação, chamados de ligações de éter, eles podem ser clivados em unidades com o tratamento químico correto. Esses blocos de construção podem ser transformados de diferentes maneiras, dependendo da saída desejada.

"A natureza regular e linear desta lignina, combinado com a química relativamente simples para despolimerizá-lo, torna a produção de alto rendimento de monômeros simples bastante simples, "diz Ralph.

Quando as plantas são refinadas em biocombustíveis e bioprodutos, a lignina primeiro é removida, deixando os açúcares para serem convertidos em materiais comercializáveis. Esse pré-tratamento geralmente faz com que a lignina se torne uma confusão emaranhada.

Estrutura da lignina C, Contudo, sobrevive até mesmo aos métodos de pré-tratamento mais severos e não se distorce.

"Mesmo o mais fraco dos tratamentos com ácido ou alcalino destrói outra lignina, mas toda vez que verifiquei a lignina C após uma reação, estava quase totalmente intacto, "diz Li." Podemos então criar um monômero de boa qualidade com alto rendimento para uso como uma plataforma química. "

Ralph e Li expuseram a lignina C à hidrogenólise, uma técnica para desconstruir a lignina desenvolvida na UW-Madison em 1938 pelo pioneiro da química Homer Adkins.

A dupla suspeitou que a hidrogenólise seria capaz de quebrar as ligações de éter que mantêm os monômeros da lignina C unidos. Nesse caso, a abordagem produziu um par simples de monômeros com rendimento de aproximadamente 90 por cento. A escolha do catalisador correto poderia reduzi-lo a um único monômero - um resultado surpreendente para um componente de planta frequentemente difamado por sua obstinação.

Isolar o código genético que torna a lignina C tão adequada para a produção, a equipe de Ralph e os colaboradores do CBI estão trabalhando para inserir essas ligninas em plantações de bioenergia que possam ser cultivadas em maior escala.

A equipe agora tem um projeto vital para o aproveitamento de grande parte das plantas que costumavam ser despejadas em um incinerador.

"Yanding deu um passo para trás e disse:'O que mais podemos fazer com isso?' "diz Ralph." A maior coisa foi perceber um novo paradigma, um novo ideótipo de lignina, e uma nova maneira de pensar sobre a lignina perfeita para uma biorrefinaria. "