Группа исследователей из Центра прямого каталитического превращения биомассы в биотопливо при Университете Пердью (C3Bio) разработала процесс, в котором используется химический катализатор и тепло для ускорения реакций, превращающих лигнин в ценные химические продукты. Лигнин — это прочная и очень сложная молекула, которая придает клеточной стенке растений жесткую структуру.Группу возглавил Махди Абу-Омар, профессор химии Р. Б. Уэтерилла и профессор химической инженерии и заместитель директора C3Bio.
«Мы можем взять лигнин — который на большинстве заводов биопереработки считают отходами сжигаемым ради получения тепла — и превратить его в ценные молекулы, которые используются в ароматизаторах, ароматизаторах и высокооктановом топливе для реактивных двигателей», — сказал Абу-Омар. «Мы можем сделать это, одновременно производя из биомассы целлюлозу, не содержащую лигнина, которая является основой этанола и других жидких видов топлива. Мы делаем все это в одноэтапном процессе».
Биомасса растений состоит в основном из лигнина и целлюлозы, длинной цепи молекул сахара, которая является основным материалом стенок растительных клеток. При стандартном производстве этанола ферменты используются для расщепления биомассы и высвобождения сахаров. Затем дрожжи насыщаются сахаром и производят этанол.Лигнин действует как физический барьер, затрудняющий извлечение сахаров из биомассы, и действует как химический барьер, отравляющий ферменты.
По его словам, многие процессы очистки включают в себя жесткие этапы предварительной обработки для разложения и удаления лигнина.«Лигнин — это гораздо больше, чем просто прочный барьер, мешающий нам получить полезные вещества из биомассы, и нам нужно взглянуть на проблему по-другому», — сказал Абу-Омар. «Хотя на лигнин приходится примерно 25 процентов биомассы по весу, на него приходится примерно 37 процентов углерода в биомассе.
Поскольку лигнин может быть очень ценным источником углерода, нам просто нужен способ использовать его, не подвергая опасности сахара, которые мы потребность в биотопливе ».Команда Purdue разработала процесс, который начинается с необработанной колотой и фрезерованной древесины из экологически чистых тополей, эвкалипта или березы.
Катализатор добавляется для инициирования и ускорения желаемых химических реакций, но они не расходуются и могут быть переработаны и использованы снова. В смесь добавляется растворитель, который способствует растворению и разрыхлению материалов. Смесь содержится в реакторе под давлением и нагревается в течение нескольких часов.
По словам Абу-Омара, этот процесс разрушает молекулы лигнина и приводит к образованию целлюлозы без лигнина и потока жидкости, который содержит два дополнительных химических продукта.Жидкий поток содержит растворитель, который легко испаряется и повторно используется, и два фенола, класс ароматических углеводородных соединений, используемых в отдушках и ароматизаторах. По его словам, обычно используемый искусственный ароматизатор ванили в настоящее время производится с использованием фенола, полученного из нефти.
Команда также разработала дополнительный процесс, в котором используется другой катализатор для преобразования двух фенольных продуктов в высокооктановое углеводородное топливо, подходящее для использования в качестве бензина. По его словам, производимое топливо имеет октановое число по исследованиям выше 100, в то время как средний бензин, который мы заливаем в наши автомобили, имеет октановое число восьмидесятых.
Процессы и получаемые продукты подробно описаны в статье, опубликованной в журнале Green Chemistry Королевского химического общества. Исследование финансировалось Министерством энергетики США.Помимо Абу-Омара, в число соавторов входят Трентон Парселл, приглашенный научный сотрудник кафедры химии; аспиранты химического машиностроения Сара Йохе, Джон Дегенштейн, Эмре Генсер и Харшавардхан Чоудхари; аспиранты-химики Ян Кляйн, Тиффани Джаррелл и Мэтт Хёрт; аспирант по сельскохозяйственной и биологической инженерии Бэррон Хьюетсон; Чон Им Ким, младший научный сотрудник по биохимии; Басудеб Саха, младший научный сотрудник по химии; Ричард Мейлан, профессор лесного хозяйства и природных ресурсов; Натан Мозье, доцент кафедры сельскохозяйственной и биологической инженерии; Фабио Рибейро, профессор химического машиностроения Р. Норриса и Элеоноры Шрив; В. Николас Дельгасс, почетный профессор химического машиностроения Максин С. Николс; Клинт Чаппл, руководитель и заслуженный профессор биохимии; Хилкка И. Кенттамаа, профессор химии; и Ракеш Агравал, заслуженный профессор химической инженерии Уинтропа Э. Стоуна.
Катализатор стоит дорого, и команда планирует продолжить изучение эффективных способов его переработки, а также способов масштабирования всего процесса, сказал Абу-Омар.«Биоперерабатывающий завод, который специализируется не только на этаноле, но и на других продуктах, которые можно производить из биомассы, в целом более эффективен и прибылен», — сказал он. «Возможно, лигнин окажется более ценным, чем целлюлоза, и может субсидировать производство этанола из экологически чистой биомассы».
Центр C3Bio, финансируемый Министерством энергетики США, является исследовательским центром Energy Frontier. Это часть энергетического центра Discovery Park и Bindley Bioscience Center в Пердью.
Purdue Research Foundation подала заявки на патенты и запустила стартап Spero Energy, основанный Абу-Омаром.Видео: https://www.youtube.com/watch?v=97bV3F6jaf0