Экономически эффективный способ преобразования растений в возобновляемый источник энергии

Ученые продемонстрировали новую технологию, с помощью которой биоинженерные бактерии могут производить экономичные химикаты/полимеры из возобновляемых источников. завод источники

лигнин Это материал, который является составной частью клеточной стенки всех сухих наземных растений. Это второй по распространенности природный полимер после целлюлозы. Этот материал является единственным полимером, обнаруженным в растениях, который не состоит из углеводов (сахар) мономеры. Биополимеры лигноцеллюлозы придают растениям форму, стабильность, прочность и жесткость. Биополимеры лигноцеллюлозы состоят из трех основных компонентов: целлюлоза и гемицеллюлоза образуют каркас, в который включен лигнин в качестве своего рода соединителя, тем самым укрепляя клеточную стенку. Лигнификация клеточных стенок делает растения устойчивыми к ветру и вредителям, предохраняет их от гниения. Лигнин — это огромный, но очень недостаточно используемый возобновляемый ресурс энергии. Лигнин, составляющий до 30 процентов биомассы лигноцеллюлозы, является неиспользованным сокровищем – по крайней мере, с химической точки зрения. Химическая промышленность в основном зависит от соединений углерода для создания различных продуктов, таких как краски, искусственные волокна, удобрения и, самое главное, пластик. В этой отрасли используются некоторые возобновляемые ресурсы, такие как растительное масло, крахмал, целлюлоза и т. д., но они составляют лишь 13 процентов всех соединений.

Лигнин, перспективная альтернатива нефти для производства продуктов

Фактически, лигнин является единственным возобновляемым источником на Земле, который содержит большое количество ароматических соединений. Это важно, поскольку ароматические соединения обычно извлекаются из невозобновляемых источников нефти, а затем используются для производства пластики, краски и т. д. Таким образом, потенциал лигнина очень высок. По сравнению с нефтью, которая является невозобновляемым ископаемым топливом, лигноцеллюлозы получают из дерево, солома или мискантус, которые являются возобновляемыми источниками. Лигнин можно выращивать в полях и лесах, и он, как правило, нейтрален по отношению к климату. В последние несколько десятилетий лигноцеллюлозу рассматривают как серьезную альтернативу нефти. В настоящее время нефть является движущей силой химической промышленности. Нефть является сырьем для многих основных химических веществ, которые затем используются для производства полезных продуктов. Но нефть является невозобновляемым источником, и ее количество сокращается, поэтому необходимо сосредоточиться на поиске возобновляемых источников. Это приводит к появлению лигнина, который кажется очень многообещающей альтернативой.

Лигнин содержит большое количество энергии, но получение этой энергии является сложным и дорогостоящим процессом, и поэтому даже биотопливо, получаемое в качестве конечного результата, обычно очень дорого обходится и не может экономически заменить «транспортную энергию», используемую в настоящее время. Было исследовано множество подходов к разработке рентабельных способов расщепления лигнина и превращения его в ценные химические вещества. Тем не менее, некоторые ограничения ограничивают преобразование вещества сенсорного растения, такого как лигнин, в использование в качестве альтернативного источника энергии или даже пытаются сделать его более рентабельным. Недавнее исследование позволило успешно сконструировать бактерии (E. Coli) в качестве эффективных и продуктивных фабрик биоконверсионных клеток. Бактерии очень быстро растут и размножаются, и они способны выдерживать суровые производственные процессы. Эта информация была объединена с пониманием естественных деструкторов лигнина. Работа опубликована в Труды Национальной академии наук США.

Группа исследователей под руководством доктора Симы Сингх из Национальной лаборатории Сандии решила три основные проблемы, возникающие при превращении лигнина в химические вещества для платформы. Первое серьезное препятствие заключается в том, что бактерии E.Coli обычно не производит ферменты, необходимые для преобразования. Ученые склонны решать эту проблему создания ферментов, добавляя «индуктор» к ферментационному кольцу. Эти индукторы эффективны, но очень дороги и поэтому плохо вписываются в концепцию биоперерабатывающих заводов. Исследователи опробовали концепцию, в которой соединение, полученное из лигнина, такое как ваниль, использовалось в качестве субстрата, а также индуктора, путем разработки бактерии Э.Коли. Это позволит избежать необходимости в дорогостоящем индукторе. Однако, как обнаружила группа, ваниль не была хорошим выбором, особенно потому, что как только лигнин разрушается, ваниль образуется в больших количествах и начинает подавлять функцию кишечной палочки, т.е. ваниль начинает создавать токсичность. Но это пошло им на пользу, когда они разработали бактерии. В новом сценарии то самое химическое вещество, которое токсично для кишечной палочки, используется для инициирования сложного процесса «увеличения ценности лигнина». Когда ваниль присутствует, она активирует ферменты, и бактерии начинают превращать ванилин в катехол, который и является желаемым химическим веществом. Кроме того, количество ванилина никогда не достигает токсичного уровня, поскольку в нынешней системе оно автоматически регулируется. Третья и последняя проблема заключалась в эффективности. Система преобразования была медленной и пассивной, поэтому исследователи изучили более эффективные переносчики из других бактерий и внедрили их в E. Coli, а затем ускорили процесс. Преодоление проблем токсичности и эффективности с помощью таких инновационных решений может помочь сделать производство биотоплива более экономичным процессом. А удаление внешнего индуктора вместе с включением саморегулирования может еще больше оптимизировать процесс производства биотоплива.

Хорошо известно, что после расщепления лигнин обладает способностью обеспечивать или, скорее, «отдавать» ценные платформенные химические вещества, которые затем могут быть преобразованы в нейлон, пластмассы, фармацевтические препараты и другие важные продукты, которые в настоящее время производятся из нефти, а не из нефти. -возобновляемый источник энергии. Это исследование актуально как шаг к исследованию и разработке экономически эффективных решений для биотоплива и биопроизводства. Используя биоинженерные технологии, мы можем производить большее количество химикатов для платформ и несколько других новых конечных продуктов, причем не только с бактериальной кишечной палочкой, но и с другими микробами-хозяевами. Дальнейшие исследования авторов должны быть направлены на демонстрацию экономичного производства этих продуктов. Это исследование оказывает огромное влияние на процессы производства энергии и расширение диапазона возможностей для экологически чистых продуктов. Авторы отмечают, что в ближайшем будущем лигноцеллюлоза обязательно должна дополнить нефть, если не заменить ее.

Источник (ы)

Wu W et al. 2018. На пути к разработке E. coli с системой ауторегуляции лигнина валоризации », Труды Национальной академии наук. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115