Rozwój wiedzy na temat zrównoważonej biorafinacji
Lignina to naturalny polimer występujący w tkankach roślinnych i jeden z głównych składników lignocelulozy lub biomasy. Rocznie przemysł celulozowo-papierniczy uwalnia około 130 milionów ton ligniny. Jednak mimo że lignina stanowi 30 % biomasy roślinnej i 40 % jej wartości energetycznej, nadal jest nieodpowiednio wykorzystywana i służy głównie jako źródło niskoenergetycznego paliwa stałego. Biorafinacja „Lignin-first” to technika wykorzystująca katalizę chemiczną i uwzględniająca waloryzację ligniny na etapie projektowania dekonstrukcji biomasy. Wspierany przez ERBN projekt LIGNINFIRST (Lignin-First Approach for the Full Valorisation of Lignocellulosic Biomass), prowadzony przez Imperial College w Londynie, został utworzony w celu zbadania złożonych procesów dekonstrukcji biomasy i opracowania nowych strategii poprawy indywidualnego uzysku cennych związków uwalnianych podczas biorafinacji ligniny w procesie „Lignin-first”. „Nasza grupa badawcza jest pionierem w podejściu do biorafinacji polegającej na wykorzystaniu przede wszystkim ligniny, w której cząsteczki organiczne są źródłem wodoru wykorzystywanego do kontrolowania reaktywności fragmentów ligniny”, wyjaśnia główny badacz Roberto Rinaldi. „Dalsze zrozumienie złożonego procesu chemicznego usprawni opatentowany już proces technologiczny”.
Stabilizujące produkty ligninopochodne
Lignina ma złożoną strukturę chemiczną, a każde dwie jej cząstki są do siebie niepodobne. We wczesnych dniach biorafinacji ligniny naukowcy odkryli, że bez względu na to, jak dobrymi katalizatorami by nie dysponowali, konwencjonalne podejścia do procesu prowadziły zawsze do powstawania bardzo złożonych mieszanin związków, co utrudniało ich stosowanie. Katalizatory, które dekonstruują lignocelulozę, działają poprzez depolimeryzację, która rozkłada duże cząsteczki na frakcje celulozy, hemicelulozy i ligniny. Pionierska praca Rinaldiego pozwoliła zrozumieć, że problemem są nie same katalizatory, ale lignina ulegająca degradacji w procesie ekstrakcji i wpływ tego zjawiska na jej podatność na obróbkę chemiczną. Ponieważ fragmenty ligniny są reaktywne, proces biorafinacji często powoduje ich rekombinację, w efekcie której powstają mniej reaktywne, ale bardziej złożone struktury polimerowe lub ligniny „techniczne”. Projekt LIGNINFIRST umożliwił zespołowi dalsze rozwijanie strategii przetwarzania ligniny w jej „natywnej” postaci. „Odkryliśmy, że użycie katalizatora na etapie ekstrakcji ligniny – stąd nazwa »najpierw lignina« – zamiast do przetwarzania wyekstrahowanej ligniny pozwala kontrolować rekombinację fragmentów ligniny. W rezultacie powstało tylko kilka związków o wysokiej wartości, a nie złożona mieszanina licznych związków”, mówi Rinaldi. Zespół wykazał również, że związek między katalizą a waloryzacją ligniny nie ogranicza się teraz do przetwarzania pokatalitycznego – przetwarzania odpadów ligniny technicznej wytwarzanych przez przemysł celulozowo-papierniczy. Roztwory katalizujące samego procesu przeróbki masy celulozowej oferują metody dekonstrukcji lignocelulozy, określane jako „katalityczna biorafinacja przed katalizatorem”. Dodatkowo uzyskano prototyp do filtracji membranowej w celu uszlachetnienia ligniny. „Niezwykle ważne jest opracowanie procesów oddzielania związków w roztworze »lignin-first«, co pomoże w recyklingu jego rozpuszczalników i przekształceniu produktów ligninowych w zaawansowane biopaliwa”, zauważa uczony.
Korzyści dla biogospodarki
Przemysł celulozowo-papierniczy to bezpośrednio ponad 180 000 miejsc pracy w Europie, a pośrednio 1,5 miliona. Przy obrotach w wysokości 90 miliardów euro wkład tego sektora do PKB UE to 20 miliardów euro. Badania podstawowe przeprowadzone w ramach projektu LIGNINFIRST przyczynią się do zwiększenia wartości lignocelulozy z drewna i resztek pożniwnych. „Nie postrzegamy baryłki ropy naftowej jako odpadu, ponieważ dysponujemy technologią przekształcania jej w użyteczne materiały, czego nie można powiedzieć o workach z wiórami drzewnymi pomimo ich potencjału”, mówi Rinaldi. „Dzięki umożliwieniu lepszego zrozumienia wzajemnych zależności procesów chemicznych w biorafinacji typu »lignin-first« projekt LIGNINFIRST przyczynił się nie tylko do waloryzacji ligniny, ale także do maksymalizacji biomasy jako odnawialnego surowca do zrównoważonej produkcji”.
Słowa kluczowe
LIGNINFIRST, lignina, biorafinacja, biomasa, biogospodarka, lignoceluloza, kataliza, depolimeryzacja, przemysł celulozowo-papierniczy, odpady, związki
