Technologia biokatalityczna ograniczy wpływ przemysłu celulozowo-papierniczego na środowisko
Papier wytwarza się z celulozy pozyskanej z drewna po usunięciu frakcji ligniny i hemicelulozy. Jednym z głównych problemów, z którymi boryka się obecnie przemysł celulozowo-papierniczy, jest fakt, że nie wszystkie składniki drewna wykorzystuje się w pełni. W szczególności ligniny kraft stanowią blisko 85 % całkowitej produkcji ligniny na świecie, jednak brak technologii katalitycznej, która pozwoliłaby na ich depolimeryzację w aromatyczne substancje chemiczne i budulec. Jako że zarówno lignina, jak i hemiceluloza mogą służyć jako odnawialne źródła związków aromatycznych oraz cukrów na potrzeby rozmaitych procesów o podłożu biologicznym, konieczne jest znalezienie enzymów zdolnych do modyfikacji tych polimerów w ekstremalnych warunkach temperaturowych i pH procesów Krafta.
Znalezienie i optymalizacja enzymów ekstremofilowych
Kluczowym celem projektu WoodZymes było wykorzystanie drzewnej biomasy poprzez zastosowanie specjalnie dobranych enzymów, które można by włączyć do procesów przemysłowych związanych z przetwarzaniem drewna. Projekt WoodZymes otrzymał finansowanie w ramach Wspólnego Przedsięwzięcia na rzecz Bioprzemysłu, które jest formą partnerstwa publiczno-prywatnego między UE a sektorem przemysłowym. W projekcie wzięło udział 11 partnerów z czterech europejskich krajów, którzy wykorzystali inżynierię białek oraz przeszukiwanie bazy danych, aby wyłonić i dopracować enzymy ekstremofilowe o właściwościach termotolerancyjnych i alkalifilowych. Do tych ekstremoenzymów należały ksylanazy, które rozkładają hemicelulozę oraz lakazy, które oddziałują na ligninę. Najbardziej obiecujące enzymy wybrano do przetestowania w ramach kilku różnych zastosowań, od programu pilotażowego po produkcję w skali przemysłowej. „Jednym z celów projektu WoodZymes była waloryzacja niedostatecznie wykorzystywanych frakcji ligniny i hemicelulozy powstających w procesie Krafta. Pozwoliłoby to na ograniczenie ilości stosowanych chemikaliów oraz zmniejszenie ogólnego wpływu tego sektora przemysłu na środowisko”, wyjaśnia koordynatorka projektu, Susana Camarero. Jeden z enzymów, wysoce ekstremofilowy, wykorzystano w procesie wybielania pulpy eukaliptusowej, co pozwoliło na znaczące ograniczenie ilości stosowanego dwutlenku chloru oraz zwiększenie jasności pulpy. Jednocześnie wykorzystanie enzymu przyczyniło się do zmniejszenia ilości związków chloroorganicznych w ściekach, ograniczając tym samym wpływ tej branży na środowisko i pozwalając uzyskać większe ilości hemicelulozy. Z kolei hemicelulozę użyto jako dodatek w produkcji papieru, aby uzyskać papier o lepszych właściwościach fizyczno-mechanicznych; dodatkowo udało się znacznie ograniczyć zużycie energii w trakcie rafinacji pulpy. Ponadto enzymatyczna depolimeryzacja ligniny zaowocowała uzyskaniem szerokiej gamy fenolowych elementów budulcowych, które można wykorzystać jako zamienniki polioli pochodzących z paliw kopalnych, stosowanych w poliuretanowych piankach izolacyjnych. Elementy te mogłyby też zastąpić fenol w żywicach z formaldehydu i fenolu ligninowego znajdujących zastosowanie w produkcji drewnianych paneli. Naukowcy pracujący nad projektem byli w stanie uzyskać odpowiednie receptury z niższą zawartością fenolu i formaldehydu, co również przyczyniło się do zmniejszenia wpływu procesu produkcji płyty pilśniowej oraz samego produktu końcowego na środowisko.
Zalety i potencjalne zastosowania enzymów ekstremofilowych
Technologie biokatalityczne opracowane w ramach projektu WoodZymes umożliwiają wydajną waloryzację niedostatecznie wykorzystywanych składników drewna, takich jak lignina kraft czy hemiceluloza. Pokonując przeszkody techniczne, badacze zdołali zamknąć proces Krafta i wykorzystać produkty uboczne przekształcania biomasy w procesie produkcji. Pozwala to na wykorzystanie przemysłowe wszystkich składników biomasy w rozmaitych zastosowaniach. Dzięki temu WoodZymes wspiera powiązania pomiędzy przemysłem celulozowo-papierniczym a dostawcami technologii opartych na enzymach oraz producentami płyt pilśniowych i pianek izolacyjnych, zwiększając przy tym konkurencyjność europejskiego przemysłu. „Z punktu widzenia środowiska zastosowanie ekstremoenzymów przekształcających drewno stanowi ekologiczną technologię zużywającą mniej energii i substancji chemicznych”, podkreśla Camarero. Dodatkowo proces WoodZymes skutkuje produkcją zrównoważonych produktów i ogranicza zależność od zasobów pochodzących z paliw kopalnych przy mniejszym wpływie na gospodarkę i środowisko.
Słowa kluczowe
WoodZymes, lignina, hemiceluloza, Kraft, papier, enzymy ekstremofilowe, przemysł celulozowy, płyta pilśniowa o średniej gęstości, pianki poliuretanowe
