Una biorrefinería ideal convertiría los cultivos renovables en una variedad de combustibles y productos con pocos residuos. Un desafío importante para la realización de esta visión es qué hacer con la lignina, un material fibroso y difícil de descomponer en las paredes celulares de las plantas que les da su robustez.
Mark E. Griffin, Universidad de Wisconsin-Madison
La lignina representa aproximadamente un cuarto 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 que generalmente se derivan del petróleo y que son los componentes básicos de una amplia gama de productos, desde plásticos hasta productos farmacéuticos.
A pesar de su alta densidad de energía, los investigadores han luchado para encontrar formas de obtener el valor de la lignina, pero esta sustancia natural podría, si se aprovecha, transformar los mercados agrícolas.
Ahora, los científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison y el Centro de Investigación de Bioenergía de Great Lakes (GLBRC) con sus socios en el Centro de Innovación Bioenergética (CBI) han demostrado que una variedad recientemente descubierta de la sustancia, la cateil lignina (C-lignina), tiene atributos que podrían ser adecuados como punto de partida para una gama de bioproductos. Sus hallazgos han sido publicados hoy en Science Advances .
El investigador de GLBRC John Ralph, profesor de bioquímica e ingeniería de sistemas biológicos de UW-Madison, examinó las principales características de la C-lignina en colaboración con Richard Dixon de CBI, distinguido profesor de investigación de bioquímica y biología molecular, que encontró la sustancia en las 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.
Tras un examen más detenido, Yanding Li, un estudiante graduado de ingeniería de sistemas biológicos de UW-Madison en el laboratorio de Ralph, pudo determinar que la C-lignina, 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 formada por 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 ser refinado en una molécula de plataforma única, o una pequeña serie de moléculas de este tipo, que pueden construir una variedad de productos. Li también descubrió un rasgo particularmente favorable: la C-lignina no pierde su forma cuando se pretrata químicamente.
La lignina a menudo contiene varios tipos de monómeros y se deforma cuando se procesa, lo que hace que sea un rompecabezas difícil de resolver para los 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 analizó Li estaba compuesta únicamente de lignina C, que promete 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 varias», dice Li. «Cuanto menos complicado sea nuestro producto, más valor tiene».
Debido a que los monómeros de C-lignina se mantienen unidos por un solo tipo de enlace, llamados enlaces 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 monómeros simples sea bastante sencilla», dice Ralph.
Cuando las plantas se refinan en biocombustibles y bioproductos, la lignina primero se elimina y los azúcares se convierten en materiales comercializables. Este pretratamiento generalmente hace que la lignina se convierta en un enredo.
La estructura de la C-lignina, sin embargo, sobrevive incluso a los métodos más duros de pretratamiento y no se tuerce.
«Incluso el más débil de los tratamientos con ácido o álcali 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 un alto rendimiento para su uso como plataforma química».
Ralph y Li expusieron la lignina C a la hidrogenolisis, una técnica para deconstruir la lignina desarrollada en UW-Madison en 1938 por el pionero de la química Homer Adkins.
El dúo sospechaba que la hidrogenólisis podría romper los enlaces éter que mantienen unidos 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 correcto podría reducirlo a un solo monómero, un resultado sorprendente para un componente de planta a menudo difamado por su obstinación.
Al aislar el código genético que hace que la C-lignina sea tan adecuada para la producción, el equipo de Ralph y sus colaboradores en CBI están trabajando para insertar dichas ligninas en cultivos bioenergéticos que pueden 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 excavadas en 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 la lignina perfecta para una biorrefinería».
Más información: «Una» lignina ideal «facilita la utilización completa de la biomasa» Science Advances (2018). advance.sciencemag.org/content/4/9/eaau2968
Referencia de la revista: Science Advances
Proporcionado por: University of Wisconsin-Madison
Información de: phys.org
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