Zinātnieki ir parādījuši jaunu tehnoloģiju, kurā bioinženierijas baktērijas var izgatavot rentablas ķīmiskas vielas/polimērus no atjaunojamiem avotiem. iekārta avoti
lignīns ir materiāls, kas ir visu sauszemes augu šūnu sienas sastāvdaļa. Tas ir otrs visbiežāk sastopamais dabiskais polimērs pēc celulozes. Šis materiāls ir vienīgais augos sastopamais polimērs, kas nesastāv no ogļhidrātiem (cukurs) monomēri. Lignocelulozes biopolimēri nodrošina augiem formu, stabilitāti, izturību un stingrību. Lignocelulozes biopolimēri sastāv no trim galvenajām sastāvdaļām: celuloze un hemiceluloze veido karkasu, kurā lignīns ir iekļauts kā sava veida savienotājs, tādējādi nostiprinot šūnas sienu. Šūnu sieniņu lignifikācija padara augus izturīgus pret vēju un kaitēkļiem un palīdz tiem no puves. Lignīns ir milzīgs, bet ļoti nepietiekami izmantots atjaunojamais enerģijas resurss. Lignīns, kas veido līdz pat 30 procentiem no lignocelulozes biomasas, ir neizmantots dārgums – vismaz no ķīmiskā viedokļa. Ķīmiskā rūpniecība galvenokārt ir atkarīga no oglekļa savienojumiem, lai radītu dažādus produktus, piemēram, krāsas, mākslīgās šķiedras, mēslojumu un, pats galvenais, plastmasu. Šajā nozarē tiek izmantoti daži atjaunojamie resursi, piemēram, augu eļļa, ciete, celuloze utt., bet tas veido tikai 13 procentus no visiem savienojumiem.
Lignīns, daudzsološa alternatīva naftai produktu ražošanā
Faktiski lignīns ir vienīgais atjaunojamās enerģijas avots uz zemes, kas satur lielu skaitu aromātisku savienojumu. Tas ir svarīgi, jo aromātiskie savienojumi parasti tiek iegūti no neatjaunojamiem naftas avotiem un pēc tam tiek izmantoti, lai ražotu. plastmasas, krāsas utt. Tādējādi lignīna potenciāls ir ļoti augsts. Salīdzinājumā ar naftu, kas ir neatjaunojams fosilais kurināmais, lignocelulozes iegūst no koks, salmi vai Miscanthus, kas ir atjaunojamie avoti. Lignīnu var audzēt laukos un mežos, un tas parasti ir neitrāls pret klimatu. Pēdējās desmitgadēs lignocelulozes tiek uzskatītas par nopietnu alternatīvu naftai. Nafta šobrīd virza ķīmisko rūpniecību. Nafta ir izejviela daudzām pamata ķīmiskajām vielām, kuras pēc tam izmanto noderīgu produktu ražošanai. Taču nafta ir neatjaunojams avots un sarūk, tāpēc jākoncentrējas uz atjaunojamo avotu atrašanu. Tādējādi attēlā tiek parādīts lignīns, kas šķiet ļoti daudzsološa alternatīva.
Lignīns ir pilns ar lielu enerģiju, taču šīs enerģijas iegūšana ir sarežģīts un dārgs process, un līdz ar to pat iegūtā biodegviela, kā rezultātā parasti ir ļoti augstas izmaksas un nevar ekonomiski aizstāt pašlaik izmantoto “transporta enerģiju”. Ir pētītas daudzas pieejas, lai izstrādātu rentablus veidus, kā sadalīt lignīnu un pārvērst to vērtīgās ķīmiskās vielās. Tomēr vairāki ierobežojumi ir ierobežojuši augu pieskārienu, piemēram, lignīna, pārveidošanu, lai to izmantotu kā alternatīvu enerģijas avotu vai pat mēģinātu padarīt to rentablāku. Nesen veikts pētījums ir veiksmīgi konstruējis baktērijas (E. Coli), lai tās darbotos kā efektīva un produktīva biokonversijas šūnu rūpnīca. baktērijas aug un vairojas ļoti ātri, un tie spēj izturēt skarbos rūpnieciskos procesus. Šī informācija tika apvienota ar izpratni par dabiski pieejamajiem lignīna degradētājiem. Darbs tika publicēts Proceedings of the National Academy of Sciences USA.
Pētnieku komanda, kuru vadīja Dr Seema Singh no Sandia National Laboratories, atrisināja trīs galvenās problēmas, kas rodas, pārvēršot lignīnu platformas ķīmiskās vielās. Pirmais lielais šķērslis ir tas baktērijas E.Coli parasti neražo fermentus, kas nepieciešami pārvēršanai. Zinātnieki tiecas atrisināt šo fermentu ražošanas problēmu, pievienojot fermentācijas gredzenam "induktoru". Šie induktori ir efektīvi, taču ir ļoti dārgi, un tāpēc tie labi neiederas biorafinēšanas rūpnīcu koncepcijā. Pētnieki izmēģināja koncepciju, kurā lignīna atvasināts savienojums, piemēram, vaniļa, tika izmantots kā substrāts, kā arī induktors, izstrādājot baktērijas E.Coli. Tas apietu nepieciešamību pēc dārga induktora. Lai gan, kā atklāja grupa, vaniļa nebija laba izvēle, jo īpaši tāpēc, ka, tiklīdz lignīns sadalās, vaniļa tiek ražota lielos daudzumos un sāk kavēt E.Coli darbību, ti, vaniļa sāk radīt toksicitāti. Bet tas viņiem nāca par labu, kad viņi izstrādāja baktērijas. Jaunajā scenārijā tieši E.Coli toksiskā ķīmiskā viela tiek izmantota, lai uzsāktu sarežģīto “lignīna valorizācijas” procesu. Kad vaniļa ir klāt, tā aktivizē fermentus, un baktērijas sāk pārvērst vanilīnu par kateholu, kas ir vēlamā ķīmiskā viela. Turklāt vanilīna daudzums nekad nesasniedz toksisko līmeni, jo pašreizējā sistēmā tas tiek automātiski regulēts. Trešā un pēdējā problēma bija efektivitāte. Pārveidošanas sistēma bija lēna un pasīva, tāpēc pētnieki pētīja efektīvākus citu baktēriju transportētājus un izstrādāja tos E. Coli, kas pēc tam ātri izsekoja procesu. Toksiskuma un efektivitātes problēmu pārvarēšana, izmantojot šādus novatoriskus risinājumus, var palīdzēt padarīt biodegvielas ražošanu par ekonomiskāku procesu. Un ārējā induktora noņemšana kopā ar automātiskās regulēšanas iekļaušanu var vēl vairāk optimizēt biodegvielas ražošanas procesu.
Ir vispāratzīts, ka, tiklīdz lignīns ir sadalīts, tas spēj nodrošināt vai drīzāk “uzdāvināt” vērtīgas platformas ķimikālijas, kuras pēc tam var pārvērst neilonā, plastmasā, farmācijā un citos svarīgos produktos, ko pašlaik iegūst no naftas. -atjaunojamais enerģijas avots. Šis pētījums ir būtisks, jo tas ir solis ceļā uz rentablu biodegvielas un bioražošanas risinājumu izpēti un izstrādi. Izmantojot bioinženierijas tehnoloģiju, mēs varam ražot lielāku daudzumu platformas ķīmisko vielu un vairākus citus jaunus galaproduktus ne tikai ar baktēriju E.Coli, bet arī ar citiem mikrobu saimniekiem. Autoru turpmākie pētījumi būs vērsti uz šo produktu ekonomiskas ražošanas demonstrēšanu. Šim pētījumam ir milzīga ietekme uz enerģijas ražošanas procesiem un zaļo produktu iespēju klāsta paplašināšanu. Autori atzīmē, ka tuvākajā nākotnē lignocelulozei noteikti vajadzētu papildināt naftu, ja ne to aizstāt.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
Wu W et al. 2018. gads. Ceļā uz E. coli inženieriju ar autoregulācijas sistēmu lignīna valorizācijai. Procesu Nacionālās Zinātņu akadēmijas. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
