Οι επιστήμονες έχουν δείξει μια νέα τεχνολογία στην οποία τα βιομηχανικά βακτήρια μπορούν να παράγουν οικονομικά αποδοτικά χημικά/πολυμερή από ανανεώσιμες φυτικές πηγές
λιγνίνη is a material which is a constituent of cell wall of all dry land plants. It is the second most abundant natural polymer after cellulose. This material is the only polymer found in plants which is not composed of carbohydrate (sugar) monomers. Lignocellulose biopolymers provide shape, stability, strength and rigidity to plants. Lignocellulose biopolymers consist of three main components: cellulose and hemicellulose form a framework in which lignin is incorporated as a kind of connector thus solidifying the cell wall. Cell wall lignification makes plants resistant to wind and pests and helps them from rotting. Lignin is a vast but very underutilized renewable resource of energy. Lignin which represents up to 30 percent of the lignocellulose biomass is an unexploited treasure – at least from a chemical point of view. The chemical industry depends mostly on carbon compounds for creating different products like paint, artificial fibres, fertilizers and most importantly plastic. This industry does use some renewable resources like vegetable oil, starch, cellulose etc but this comprises only 13 percent of all compounds.
Λιγνίνη, μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στο πετρέλαιο για την παραγωγή προϊόντων
Στην πραγματικότητα, η λιγνίνη είναι η μοναδική και μοναδική πηγή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στη γη που περιέχει μεγάλο αριθμό αρωματικών ενώσεων. Αυτό είναι σημαντικό γιατί οι αρωματικές ενώσεις εξάγονται γενικά από τη μη ανανεώσιμη πηγή πετρελαίου και στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πλαστικών, χρωμάτων κ.λπ. Έτσι, το δυναμικό της λιγνίνης είναι πολύ υψηλό. Σε σύγκριση με το πετρέλαιο που είναι ένα μη ανανεώσιμο ορυκτό καύσιμο, οι λιγνοκυτταρίνες προέρχονται από ξύλο, άχυρο ή Miscanthus που είναι ανανεώσιμες πηγές. Η λιγνίνη μπορεί να καλλιεργηθεί σε χωράφια και δάση και είναι γενικά ουδέτερη ως προς το κλίμα. Οι λιγνοκυτταρίνες θεωρούνται ως μια σοβαρή εναλλακτική λύση στο πετρέλαιο τις τελευταίες δεκαετίες. Το πετρέλαιο οδηγεί τη χημική βιομηχανία αυτή τη στιγμή. Το πετρέλαιο είναι μια πρώτη ύλη για πολλά βασικά χημικά τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή χρήσιμων προϊόντων. Αλλά το πετρέλαιο είναι μη ανανεώσιμη πηγή και μειώνεται, επομένως πρέπει να δοθεί έμφαση στην εύρεση ανανεώσιμων πηγών. Αυτό φέρνει τη λιγνίνη στην εικόνα καθώς φαίνεται να είναι μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση.
Η λιγνίνη είναι γεμάτη υψηλή ενέργεια, αλλά η ανάκτηση αυτής της ενέργειας είναι περίπλοκη και μια δαπανηρή διαδικασία και επομένως ακόμη και το βιοκαύσιμο που παράγεται καθώς το τελικό αποτέλεσμα είναι γενικά πολύ υψηλό σε κόστος και δεν μπορεί να αντικαταστήσει οικονομικά την «ενέργεια μεταφοράς» που χρησιμοποιείται σήμερα. Πολλές προσεγγίσεις έχουν ερευνηθεί για την ανάπτυξη οικονομικά αποδοτικών τρόπων διάσπασης της λιγνίνης και μετατροπής της σε πολύτιμες χημικές ουσίες. Ωστόσο, αρκετοί περιορισμοί έχουν περιορίσει τη μετατροπή μιας φυτικής ύλης αφής, όπως η λιγνίνη, σε χρήση ως εναλλακτική πηγή ενέργειας ή ακόμη και προσπαθούν να την κάνουν πιο οικονομική. Μια πρόσφατη μελέτη δημιούργησε επιτυχώς τα βακτήρια (E. Coli) ώστε να λειτουργούν ως ένα αποτελεσματικό και παραγωγικό εργοστάσιο κυττάρων βιομετατροπής. Βακτήρια αναπτύσσονται και πολλαπλασιάζονται πολύ γρήγορα και είναι σε θέση να αντέχουν σε σκληρές βιομηχανικές διαδικασίες. Αυτές οι πληροφορίες συνδυάστηκαν με την κατανόηση των φυσικώς διαθέσιμων αποικοδομητών λιγνίνης. Το έργο δημοσιεύτηκε στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ.
Η ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Δρ Seema Singh στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia έλυσε τρία βασικά προβλήματα που αντιμετωπίζονται κατά τη μετατροπή της λιγνίνης σε χημικές ουσίες πλατφόρμας. Το πρώτο σημαντικό εμπόδιο είναι ότι το βακτήριο E.Coli γενικά δεν παράγει τα ένζυμα που χρειάζονται για τη μετατροπή. Οι επιστήμονες τείνουν να λύνουν αυτό το πρόβλημα της παραγωγής ενζύμων προσθέτοντας έναν «επαγωγέα» στον δακτύλιο ζύμωσης. Αυτοί οι επαγωγείς είναι αποτελεσματικοί αλλά είναι πολύ ακριβοί και επομένως δεν ταιριάζουν καλά στην έννοια των βιοδιυλιστηρίων. Οι ερευνητές δοκίμασαν μια ιδέα σύμφωνα με την οποία μια ένωση προερχόμενη από λιγνίνη, όπως η βανίλια, χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα καθώς και ως επαγωγέας κατασκευάζοντας τα βακτήρια E.Coli. Αυτό θα παρακάμπτει την ανάγκη για έναν ακριβό επαγωγέα. Αν και, όπως ανακάλυψε η ομάδα, η βανίλια δεν ήταν καλή επιλογή, ιδιαίτερα επειδή μόλις διασπαστεί η λιγνίνη, η βανίλια παράγεται σε μεγάλες ποσότητες και αρχίζει να αναστέλλει τη λειτουργία του E.Coli, δηλαδή η βανίλια αρχίζει να δημιουργεί τοξικότητα. Αλλά αυτό λειτούργησε υπέρ τους όταν κατασκεύασαν τα βακτήρια. Στο νέο σενάριο, η ίδια η χημική ουσία που είναι τοξική για το E.Coli χρησιμοποιείται για να ξεκινήσει η περίπλοκη διαδικασία της «αξιοποίησης της λιγνίνης». Μόλις υπάρχει βανίλια, ενεργοποιεί τα ένζυμα και τα βακτήρια αρχίζουν να μετατρέπουν τη βανιλίνη σε κατεχόλη, η οποία είναι η επιθυμητή χημική ουσία. Επίσης, η ποσότητα της βανιλίνης δεν φτάνει ποτέ το τοξικό επίπεδο καθώς αυτορυθμίζεται στο τρέχον σύστημα. Το τρίτο και τελευταίο πρόβλημα ήταν η αποτελεσματικότητα. Το σύστημα μετατροπής ήταν αργό και παθητικό και έτσι οι ερευνητές εξέτασαν πιο αποτελεσματικούς μεταφορείς από άλλα βακτήρια και τους δημιούργησαν σε E. Coli το οποίο στη συνέχεια παρακολουθούσε γρήγορα τη διαδικασία. Η υπέρβαση των προβλημάτων τοξικότητας και αποτελεσματικότητας μέσω τέτοιων καινοτόμων λύσεων μπορεί να βοηθήσει να γίνει η παραγωγή βιοκαυσίμων πιο οικονομική διαδικασία. Και, η αφαίρεση ενός εξωτερικού επαγωγέα μαζί με την ενσωμάτωση της αυτόματης ρύθμισης μπορεί να βελτιστοποιήσει περαιτέρω τη διαδικασία παραγωγής βιοκαυσίμου.
Είναι καλά τεκμηριωμένο ότι μόλις διασπαστεί η λιγνίνη, έχει την ικανότητα να παρέχει ή μάλλον να «χαρίζει» πολύτιμες χημικές πλατφόρμες που μπορούν στη συνέχεια να μετατραπούν σε νάιλον, πλαστικά, φαρμακευτικά προϊόντα και άλλα σημαντικά προϊόντα που προέρχονται επί του παρόντος από πετρέλαιο, μη. - ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Αυτή η μελέτη είναι σημαντική ως ένα βήμα προς την έρευνα και την ανάπτυξη οικονομικών λύσεων για τα βιοκαύσιμα και τη βιοπαραγωγή. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία βιομηχανικής μπορούμε να παράγουμε μεγαλύτερες ποσότητες χημικών πλατφορμών και πολλά άλλα νέα τελικά προϊόντα, όχι μόνο με βακτηριακό E.Coli αλλά και με άλλους μικροβιακούς ξενιστές. Η μελλοντική έρευνα των συγγραφέων θα επικεντρωθεί στην επίδειξη μιας οικονομικής παραγωγής αυτών των προϊόντων. Αυτή η έρευνα έχει τεράστιο αντίκτυπο στις διαδικασίες παραγωγής ενέργειας και στη διεύρυνση του φάσματος των δυνατοτήτων για πράσινα προϊόντα. Οι συγγραφείς παρατηρούν ότι στο εγγύς μέλλον η λιγνοκυτταρίνη θα πρέπει οπωσδήποτε να συμπληρώσει το πετρέλαιο, αν όχι να το αντικαταστήσει.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
Οι Wu W et al. 2018. Προς μηχανική E. coli με αυτορυθμιστικό σύστημα αξιοποίησης λιγνίνης», Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
