Teadlased on näidanud uut tehnoloogiat, mille abil biokonstrueeritud bakterid saavad taastuvatest energiaallikatest toota kuluefektiivseid kemikaale/polümeere. taim allikad
ligniini on materjal, mis on kõigi kuiva maa taimede rakuseina koostisosa. See on tselluloosi järel suuruselt teine looduslik polümeer. See materjal on ainus taimedes leiduv polümeer, mis ei koosne süsivesikutest (suhkur) monomeerid. Lignotselluloosi biopolümeerid annavad taimedele kuju, stabiilsuse, tugevuse ja jäikuse. Lignotselluloosi biopolümeerid koosnevad kolmest põhikomponendist: tselluloos ja hemitselluloos moodustavad raamistiku, millesse ligniin on omamoodi ühenduslülina sisse lülitatud, tugevdades seeläbi rakuseina. Rakuseina lignifitseerimine muudab taimed vastupidavaks tuulele ja kahjuritele ning aitab neil mädaneda. Ligniin on tohutu, kuid väga vähekasutatud taastuv energiaallikas. Ligniin, mis moodustab kuni 30 protsenti lignotselluloosi biomassist, on kasutamata aare – vähemalt keemilisest seisukohast. Keemiatööstus sõltub peamiselt süsinikuühenditest, et luua erinevaid tooteid, nagu värv, tehiskiud, väetised ja mis kõige tähtsam - plastik. See tööstus kasutab mõningaid taastuvaid ressursse, nagu taimeõli, tärklis, tselluloos jne, kuid see moodustab ainult 13 protsenti kõigist ühenditest.
Ligniin, paljulubav alternatiiv naftale toodete valmistamiseks
Tegelikult on ligniin ainus taastuvenergia allikas maa peal, mis sisaldab suurt hulka aromaatseid ühendeid. See on oluline, sest aromaatseid ühendeid ekstraheeritakse tavaliselt taastumatust naftast ja seejärel kasutatakse neid tootmiseks. plastist, värvid jne. Seega on ligniini potentsiaal väga kõrge. Võrreldes naftaga, mis on taastumatu fossiilkütus, saadakse lignotselluloosi puit, õled või Miscanthus, mis on taastuvad allikad. Ligniini võib kasvatada põldudel ja metsades ning see on üldiselt kliima suhtes neutraalne. Lignotselluloosi peetakse viimastel aastakümnetel tõsiseks alternatiiviks naftale. Nafta juhib praegu keemiatööstust. Nafta on paljude põhikemikaalide tooraine, mida seejärel kasutatakse kasulike toodete tootmiseks. Kuid nafta on taastumatu allikas ja see väheneb, seetõttu tuleb keskenduda taastuvate allikate leidmisele. See toob pildile ligniini, mis tundub olevat väga paljutõotav alternatiiv.
Ligniin on täis kõrget energiat, kuid selle energia kättesaamine on keeruline ja kulukas protsess ning seega isegi biokütus, mille lõpptulemus on üldiselt väga kulukas ega suuda praegu kasutatavat transpordienergiat majanduslikult asendada. Ligniini lagundamiseks ja väärtuslikeks kemikaalideks muutmiseks kuluefektiivsete viiside väljatöötamiseks on uuritud paljusid lähenemisviise. Siiski on mitmed piirangud piiranud puutetundliku taimse aine, näiteks ligniini, kasutamist alternatiivse energiaallikana või isegi proovinud seda kulutasuvamaks muuta. Hiljutine uuring on edukalt muutnud bakterid (E. Coli) tõhusaks ja produktiivseks biokonversiooni rakutehaseks. Bakterid kasvavad ja mitmekordistuvad väga kiiresti ning on võimelised vastu pidama karmidele tööstusprotsessidele. See teave ühendati looduslikult saadaolevate ligniini lagundajate mõistmisega. Teos avaldati aastal Proceedings of the National Academy of Sciences USA.
Sandia National Laboratories'i dr Seema Singhi juhitud teadlaste meeskond lahendas kolm peamist probleemi, mis ligniini platvormkemikaalideks muutmisel kokku puutuvad. Esimene suurem takistus on see bakterid E.Coli ei tooda tavaliselt muundamiseks vajalikke ensüüme. Teadlased kipuvad seda ensüümide valmistamise probleemi lahendama, lisades fermentatsiooniringile "indutseerija". Need indutseerijad on tõhusad, kuid väga kallid ja ei sobi seetõttu hästi biorafineerimistehaste kontseptsiooni. Teadlased proovisid kontseptsiooni, mille kohaselt kasutati substraadina ja indutseerijana ligniinist saadud ühendit, näiteks vanilliini. bakterid E. Coli. See kaotaks vajaduse kalli induktori järele. Kuigi, nagu rühm avastas, ei olnud vanill eriti hea valik, kuna ligniini lagunemisel tekib vanilje suurtes kogustes ja see hakkab pärssima E.Coli funktsiooni, st vanill hakkab tekitama toksilisust. Kuid see töötas nende kasuks, kui nad selle projekteerisid bakterid. Uue stsenaariumi kohaselt kasutatakse just seda kemikaali, mis on E.Colile toksiline, et käivitada keeruline ligniini väärtustamise protsess. Kui vanilje on olemas, aktiveerib see ensüümid ja bakterid hakkavad vanilliini muutma katehhooliks, mis on soovitud kemikaal. Samuti ei jõua vanilliini kogus kunagi mürgise tasemeni, kuna see muutub praeguses süsteemis automaatselt reguleerituks. Kolmas ja viimane probleem oli tõhusus. Konversioonisüsteem oli aeglane ja passiivne, mistõttu uurisid teadlased teiste bakterite tõhusamaid transportijaid ja kujundasid need E. Coli'ks, mis seejärel protsessi kiiresti jälgis. Toksilisuse ja tõhususe probleemide ületamine selliste uuenduslike lahenduste abil võib aidata muuta biokütuse tootmise ökonoomsemaks protsessiks. Ja välise indutseerija eemaldamine koos automaatse reguleerimise lisamisega võib veelgi optimeerida biokütuse tootmisprotsessi.
On hästi teada, et kui ligniin on lagunenud, suudab see pakkuda või pigem "kinkida" väärtuslikke platvormkemikaale, mida saab seejärel muuta nailoniks, plastiks, ravimiteks ja muudeks olulisteks toodeteks, mida praegu saadakse naftast. -taastuv energiaallikas. See uuring on asjakohane, kuna see on samm biokütuse ja biotootmise kulutõhusate lahenduste uurimise ja väljatöötamise suunas. Bioinseneri tehnoloogia abil saame toota suuremas koguses platvormkemikaale ja mitmeid muid uusi lõpptooteid mitte ainult bakteriaalse E.Coli, vaid ka teiste mikroobsete peremeesorganismidega. Autorite tulevased uuringud keskenduvad nende toodete säästliku tootmise demonstreerimisele. Sellel uurimistööl on tohutu mõju energiatootmisprotsessidele ja roheliste toodete võimaluste laiendamisele. Autorid märgivad, et lähitulevikus peaks lignotselluloos kindlasti täiendama naftat, kui mitte seda asendama.
***
{Saate lugeda esialgset uurimistööd, klõpsates alltoodud allika(te) loendis DOI lingil}
Allikas (d)
Wu W et al. 2018. ligniini väärtustamise autoregulatsioonisüsteemiga E. coli projekteerimine. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 lõige 12. https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
