Marie Leroy Lorsque la nature a conçu la lignine – le matériau fibreux et ligneux qui donne aux plantes leur structure rigide – elle n’a pas coupé les cash ronds. Incroyablement lente à se décomposer, la lignine est si solide et resilient qu’elle résiste aux bactéries et à la pourriture.
Alors, qu’advient-il de tous les déchets de lignine provenant des terres agricoles,? La majeure partie est brûlée ou enterrée, générant de la air pollution et gaspillant une ressource renouvelable potentielle.
Aujourd’hui. y compris la lignine. En traitant les déchets dans une bioraffinerie pilotée par des microbes, les chercheurs ont transformé la lignine en sources de carbone pouvant être utilisées dans des produits pharmaceutiques et nutraceutiques antioxydants de grande valeur, ainsi que des nanoparticules à foundation de carbone pour l’administration de médicaments ou de produits chimiques.
L’étude a été présentée sur la couverture du numéro de janvier de la revue ACS Sustainable Chemistry and Engineering.
“La lignine devrait avoir une valeur énorme, mais elle est intrinsèquement considérée comme un déchet”, a déclaré Kimberly Grey de Northwestern, qui a dirigé la recherche. « La lignine représente 20 à 30 % de la biomasse mais 40 % de l’énergie, ce qui est beaucoup, mais il est difficile d’exploiter cette resource d’énergie. La mother nature a rendu la lignine si récalcitrante à la transformation que les gens n’ont pas compris comment l’utiliser. Les chercheurs tentent de résoudre ce problème depuis des décennies. En utilisant une raffinerie de pétrole comme modèle, nous avons développé une bioraffinerie qui absorbe les flux de déchets et produit des produits de grande valeur.
Grey est titulaire de la chaire de la famille Roxelyn et Richard Pepper en génie civil et environnemental et professeur de génie civil et environnemental à la McCormick College of Engineering de Northwestern.
Le matériau de development de la character
L’un des polymères organiques les additionally abondants au monde, la lignine est présente dans toutes les plantes vasculaires. Présente entre les parois cellulaires, la lignine donne aux plantes fortes et robustes, comme les arbres, un soutien structurel. Sans lignine, le bois et l’écorce seraient trop faibles pour supporter les arbres. Et les maisons et les meubles en bois s’effondreraient tout simplement.
laissant derrière elles la cellulose, un kind de sucre. Au lieu d’utiliser le matériau ultra-résistant de la mother nature, les équipes industrielles brûlent la lignine comme flamable bon marché.
“Les humains veulent se débarrasser de la lignine pour atteindre les sucres”, a déclaré Grey. Alors que font-ils de la lignine ? Ils la brûlent comme flamable de mauvaise qualité. C’est un déchet.”
Pile à flamable alimentée par des bactéries
Pour développer une bioraffinerie permettant de décomposer les déchets carbonés, y compris la lignine, les chercheurs ont d’abord conçu une cellule d’électrolyse microbienne (MEC). Semblable à une pile à flamable, le MEC échange de l’énergie entre une anode et une cathode. Mais au lieu d’une anode à base de métal, la bio-anode de Northwestern comprend des exoélectrogènes – un form de bactérie qui génère naturellement de l’énergie électrique en mangeant de la matière organique.
“Les microbes agissent comme un catalyseur”, a déclaré le co-auteur de l’étude, George Wells, professeur agrégé de génie civil et environnemental à McCormick. “Au lieu d’utiliser des catalyseurs chimiques, qui sont souvent très coûteux et nécessitent des températures élevées, nous utilisons la biologie comme catalyseur.”
La beauté du MEC est qu’il peut traiter n’importe quel variety de déchets organiques – humains, agricoles ou industriels. Le MEC fait passer l’eau remplie de déchets à travers les bactéries, qui dévorent le carbone. Ici, ils dégradent le carbone organique en dioxyde de carbone, puis respirent naturellement les électrons. Au cours de ce processus, les électrons extraits circulent de la bio-anode vers la cathode (faite d’un tissu de carbone), où ils réduisent l’oxygène pour générer de l’eau. Le processus consomme des protons, faisant monter le pH de l’eau pour la transformer en une solution caustique. À partir de là. y compris le traitement des eaux usées.
“Un autre avantage de ce processus est qu’il traite efficacement les eaux usées pour éliminer le carbone organique nuisible”, a déclaré Wells. “Donc, un produit clé est l’eau propre.”
Mais les chercheurs ont pris la substance caustique et ont reporté leur consideration sur la lignine. Les composés de lignine sont durables motor vehicle ils contiennent des chaînes complexes de carbone aromatique, qui ont un motif de liaison spécial qui forme un anneau de 6 atomes de carbone. Chaque cycle aromatique comprend des liaisons doubles et simples alternées, qui sont incroyablement difficiles à séparer.
Briser les liens “incassables”
Cependant, lorsque les chercheurs ont exposé la lignine au produit chimique caustique d’origine biologique, les polymères de la lignine se sont séparés d’une manière qui a préservé les anneaux aromatiques. un phytonutriment riche en antioxydants que l’on trouve souvent dans les suppléments. Couramment utilisés en chimie médicinale, ces anneaux pourraient être utilisés comme précurseurs durables dérivés de plantes pour des produits pharmaceutiques et des suppléments bon marché.
“Il brise les liaisons polymères mais quitte sélectivement l’anneau”, a déclaré Gray. “Si vous pouvez préserver cet anneau, vous pouvez fabriquer des matériaux de grande valeur. Les chimistes ont développé des catalyseurs qui décomposent l’ensemble du composé, puis ils doivent reconstruire l’anneau. Mais nous avons pu le casser de manière sélective pour préserver les structures précieuses..”
qui pourraient être utilisées pour englober des substances pour l’administration ciblée de médicaments chez l’homme ou l’administration ciblée de nutriments dans les plantes. Les nanoparticules pourraient également offrir une alternate long lasting d’origine végétale pour les écrans solaires et les cosmétiques.
“Il est passionnant d’identifier et d’explorer une voie de récupération resilient des ressources à partir de multiples flux de déchets”, a déclaré Wells. “Nous avons d’énormes flux d’eaux usées et de lignine qui coûtent cher à traiter seuls. Nous essayons de les réinventer en tant que resources de valeur.”
Récupérer les ressources sans produits chimiques dangereux
Bien que les chercheurs auraient pu utiliser une material caustique disponible dans le commerce pour traiter la lignine. Tout d’abord, le produit chimique biosourcé vert fonctionne mieux. Deuxièmement, il est moreover sûr, moins coûteux, peut être utilisé dans des problems ambiantes et peut générer des produits chimiques au place de besoin.
“Il existe de nombreuses substances caustiques, telles que l’hydroxyde de sodium, qui sont couramment utilisées dans de nombreux procédés industriels et dans le traitement des eaux usées”, a déclaré Wells. “Mais cela implique l’expédition et le stockage de grandes quantités de produits chimiques toxiques. Non seulement cela coûte cher, mais c’est aussi dangereux pour la santé publique. Il est beaucoup moreover sûr et in addition tough de générer des produits chimiques sur put à partir de déchets.
