به گزارش حیات به نقل از «فیز.ارگ» (Phys.org)؛ پژوهشگران در مطالعه‌ای تازه نشان داده‌اند که می‌توان یکی از پسماندهای فراوان صنعت چوب و کاغذ، یعنی لیگنین، را به ماده کلیدی تولید نایلون تبدیل کرد. این روش که در نشریه Nature گزارش شده، با ترکیب فرایندهای شیمیایی الهام‌گرفته از پالایش نفت و باکتری‌های مهندسی‌شده انجام می‌شود. اگر این فناوری بهبود یابد، می‌تواند راهی کم‌کربن‌تر برای تولید یکی از پرکاربردترین پلیمرهای جهان فراهم کند.

بیشتر مردم نام نایلون را به‌عنوان یک ماده تشکیل‌دهنده روی برچسب لباس‌های خود دیده‌اند، اما نایلون در مجموعه گسترده‌ای از محصولات دیگر نیز استفاده می‌شود؛ از جمله قطعات خودرو، عایق سیم‌ها و تجهیزات پزشکی. متاسفانه یکی از مواد سازنده اصلی نایلون؛ یعنی اسید آدیپیک، از بنزنِ مشتق‌شده از نفت و طی فرایندهایی انرژی‌بر تولید می‌شود و ردپای کربنی نسبتا بالایی دارد. با این حال، ممکن است راه بهتری برای تولید این پلیمر فراگیر وجود داشته باشد.

یک پژوهش جدید که در نشریه Nature منتشر شده است، روشی نوین برای تبدیل لیگنین گیاهی به اسید آدیپیک با بازدهی بیشتر از تلاش‌های پیشین گزارش می‌کند. این روش از برخی فرایندهای مورد استفاده در پالایشگاه‌های نفت الهام گرفته است؛ اما در عین حال از میکروب‌های مهندسی‌شده نیز برای انجام برخی واکنش‌های شیمیایی انتخابی بهره می‌گیرد. همچنین یادداشتی تحلیلی درباره این پژوهش در بخش News & Views همین نشریه منتشر شده است

ظرفیت بالقوه لیگنین

لیگنین یک پلیمر آروماتیک است که باعث استحکام و سختی گیاهان می‌شود. این ماده یکی از فراوان‌ترین پلیمرهای آلی روی زمین و احتمالا بزرگ‌ترین جزء زیست‌توده‌ایِ دست نخورده و استفاده نشده است. هر سال میلیون‌ها تن لیگنین به‌عنوان محصول جانبی تولید کاغذ و سوخت زیستی باقی می‌ماند که بخش عمده آن به‌عنوان سوختی کم‌ارزش سوزانده می‌شود.

از نظر فنی، لیگنین قابلیت آن را دارد که به مواد شیمیایی صنعتی بسیار مفید تبدیل شود؛ اما پژوهشگران هنوز نتوانسته‌اند روشی بیابند که بتواند لیگنین را با کارایی کافی به مولکول‌های ساده و باارزش ــ مانند ترکیبات آروماتیک ــ تبدیل کند، به‌گونه‌ای که این فرایند در مقیاس صنعتی قابل اجرا باشد. محصول جانبی حاوی لیگنین نیز اغلب مخلوطی پیچیده و نامنظم است که کار با آن دشوار است.

نویسندگان این پژوهش می‌نویسند: «لیگنین مدت‌هاست به‌عنوان منبعی برای ترکیبات آروماتیک مورد توجه قرار گرفته است، اما ترکیب ناهمگن و واکنش‌پذیری شیمیایی آن، کاربرد آن را به‌عنوان خوراک شیمیایی محدود می‌کند. لیگنین اغلب در جریان استخراج از زیست‌توده دچار تخریب می‌شود و بیشتر روش‌های تجزیه پلیمر آن تنها پیوندهای C–O را می‌شکنند که در نتیجه آن، مخلوط‌های پیچیده‌ای از فنول‌های مونومری و الیگومری تشکیل می‌شود».

به همین علت، روش‌های موجود برای تبدیل لیگنین معمولا حداکثر به بازده وزنی حدود ۲۰ درصد برای هر محصول منفرد می‌رسند؛ میزانی که برای تولید رقابتی در صنعت بسیار پایین است. محصولات حاصل اغلب مخلوط‌های پیچیده‌ای از ترکیبات فنولی هستند که جداسازی آنها دشوار است و برای ارتقای بیشتر به مواد باارزش‌تر چندان مناسب نیستند. با این حال، یافتن مسیری با بازده بالا برای تبدیل لیگنین به اسید آدیپیک یا پیش‌ماده‌های مشابه نایلون می‌تواند نه‌تنها به کاهش قابل توجه ضایعات زیست‌توده لیگنین، بلکه به کاهش ردپای کربنی بالای پلاستیک‌های پتروشیمیایی نیز منجر شود.

ترکیب فرایندهای پالایش نفت با باکتری‌ها برای تبدیل لیگنین

تیم پژوهشی در این مطالعه، با ترکیب مجموعه‌ای از مراحل برای ساخت اسید آدیپیک از لیگنین، راه‌حل بالقوه‌ای پیدا کرده است. این فرایند، برخی راهبردهای معمول الهام‌گرفته از پالایشگاه‌های نفت را با کمک باکتری‌ها ترکیب می‌کند.

پژوهشگران کار خود را با تراشه‌های چوب صنوبر آغاز کردند و با استفاده از فرایندی موسوم به تفکیک کاتالیستی کاهشی (RCF)، لیگنین را استخراج و تا حدی دپلیمریزه (تجزیه) کردند و آن را به روغنی غنی از مونومرها و الیگومرهای فنولی تبدیل کردند. سپس این روغن از یک راکتور هیدرودی‌اکسیژناسیون پیوسته عبور داده شد؛ فرایندی که طی آن اکسیژن و گروه‌های فنولی‌ای که می‌توانستند فرایند اکسیداسیون را مختل کنند، از ترکیب حذف شدند. در مرحله بعدی، واکنش اکسیداسیون پیوندهای کربنی موجود در آروماتیک‌های آلکیلی حاصل را می‌شکند و سپس با افزودن دوباره اکسیژن، مخلوطی از اسیدهای کربوکسیلیک آروماتیک محلول در آب تولید می‌کند.

در مرحله بعد، پژوهشگران از فرایندی منحصربه‌فرد با استفاده از یک باکتری مهندسی‌شده به نام Pseudomonas putida بهره گرفتند. این باکتری بیشتر اسیدهای کربوکسیلیک آروماتیک موجود در این مخلوط را به ترکیبی به نام موکونولاکتون تبدیل می‌کند. موکونولاکتون سپس می‌تواند از طریق واکنش‌های شیمیایی به اسید آدیپیک تبدیل شود.

این فرایند آزمایشی در نهایت به بازده وزنی حدود ۲۶ درصد اسید آدیپیک (گرم اسید آدیپیک به ازای هر گرم لیگنین) منجر شد. با این حال، پژوهشگران می‌گویند این فرایند از لحاظ نظری می‌تواند با انجام برخی بهینه‌سازی‌ها به بازدهی تا حدود ۵۷ درصد وزنی نیز برسد. آنها همچنین دریافتند که این روش برای لیگنین به‌دست‌آمده از انواع مختلف چوب ــ از جمله صنوبر، کاج و غان ــ نیز کارآمد است؛ موضوعی که نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری بالای مواد اولیه مورد استفاده در این فرایند است.

حرکت به سوی بازدهی‌های بالاتر

بازده وزنی ۲۶ درصد هنوز برای تولید صنعتی کافی نیست؛ اما بهبود این فرایند می‌تواند آن را به گزینه‌ای عملی برای تولید اسید آدیپیک تبدیل کند. در حال حاضر، برخی محدودیت‌ها وجود دارد؛ از جمله اینکه میکروب مهندسی شده هنوز قادر نیست برخی از اجزای جزئی موجود در مخلوط حاصل از اکسیداسیون را متابولیزه کند. محدودیت دیگر آن است که فرایند تفکیک کاتالیستی کاهشی هنوز از نظر اقتصادی به مرحله بلوغ کامل نرسیده و همچنان به حلال‌های نسبتا خالص و کاتالیزورهای فلزات گران‌بها نیاز دارد.

با این حال، تیم پژوهشی نسبت به بهبودهای آینده برای رفع این محدودیت‌ها خوش‌بین است. آنها می‌نویسند: «فرایندهای مشابه این پتانسیل را دارند که برای بسترهای لیگنینی متراکم‌شده (برای مثال، لیگنین کرافت) نیز به کار گرفته شوند؛ البته پس از توسعه‌های آینده. با مهندسی متابولیکی بیشتر، رویکرد زیست تبدیل حاضر می‌تواند گسترش یابد و تنظیم شود تا محصولات پیچیده‌تر حاصل از خوداکسایش (برای مثال، اسیدهای تری‌کربوکسیلیک بنزن) را نیز دربرگیرد و تقریبا هر محصولی را که از نظر زیستی قابل دسترس باشد، هدف قرار دهد».

منبع:آنا

انتهای پیام//