Valorificarea LIGNINEI | Cum pot fi înlocuiți combustibilii fosili cu „Cenușăreasa” biomasei

Dacă ar fi să aruncăm o privire asupra celor mai folosite medicamente la scară globală, ne-ar fi destul de greu să găsim unul care să nu conțină compuși aromatici, obținuți prin conversia petrolului, ca materie primă, deși suntem din ce în ce mai conștienți cum consumul de combustibili fosili afectează pe termen lung mediul înconjurător și influențează schimbarea climei.

În acest context, ce bine ar fi dacă ar exista o rezervă naturală de unități aromatice, pe care s-o putem valorifica după bunul plac, fără consecințe usturătoare pentru planetă. Chiar o avem — se numește lignină și intră în compoziția plantelor, conferindu-le rezistență la diferiți factori de stres.

Lignina e și o Cenușăreasă a biomasei obținute din plante: e adesea considerată un deșeu și arsă pentru producerea de energie în alte procese industriale. Ea are, însă, super-puteri: Se transforma în medicamente, substanțe organice scumpe sau asfalt pentru drumuri județene, cum s-a întâmplat deja în Timiș.

Ce este lignina? 

Lignina este considerată cel mai abundent rezervor de unități aromatice din natură, și al doilea cel mai des întâlnit biopolimer din natură, după celuloză.

Dacă pentru celuloză și hemiceluloză oamenii de știință au fost ingenioși și au găsit deja direcții de exploatare (cum ar fi producerea de bioetanol sau de ambalaje biodegradabile, cu impact redus asupra mediului), lignina e un fel de Cenușăreasă a biomasei obținute din plante, la propriu: e de multe ori arsă și folosită ca sursă de energie pentru valorificarea celorlalte componente ale peretelui celular, ceea ce e un pic contraintuitiv, din mai multe puncte de vedere.

Ne-am dori să nu folosim lignina ca rezervor de dioxid de carbon, care să accentueze efectul de seră; de asemenea, avem la îndemână o resursă valoroasă, și am putea depune eforturi conștiente pentru a-i recunoaște adevăratul potențial.

Am putea renunța la combustibilii fosili pentru obținerea de polimeri, medicamente sau intermediari în sinteza chimică?

Nu chiar. Natura ne oferă lignina — materia primă —, dar nu și rețeta, pas cu pas, prin care să obținem bioplastic, medicamente sau substanțe organice scumpe și complicate. De asemenea, lignina e un polimer recalcitrant, notează Anca Elena Anghel pentru Infoclima.

• În structura ei, unitățile aromatice se înlănțuiesc ca mărgelele pe un lanț, un lanț greu de rupt exact în bucățile de care avem nevoie.
• S-a și investit mult în modalități de valorificare a combustibililor fosili, ceea ce face ca în multe cazuri, obținerea unui compus de interes să fie mai avantajoasă din punct de vedere economic, pornind tot de la combustibilii fosili ca materie primă, deși într-un colț al minții ne recunoaștem că asta nu e o strategie sustenabilă pe termen lung.

Există ciuperci sau bacterii care acționează ca foarfeci în miniatură, capabile să taie lignina în bucăți mai mici, mai ușor de folosit ca piese de puzzle pentru obținerea substanței dorite.

Ce facem cu bucățile mai mici de lignină, dacă suntem încă departe de compusul țintă? Putem să mai scotocim un pic prin arsenalul de microorganisme care pot prelucra derivați de lignină, s-ar putea să găsim unele ale căror căi metabolice acționează ca un fel de pâlnie, preluând diferite bucăți de lignină și transformându-le selectiv într-un intermediar valoros.

Unele microorganisme sunt și mai sârguincioase, și nu numai că pot prelucra aceste bucăți de lignină, ci le transformă și în produși de acumulare valoroși, cum ar fi trigliceridele sau polihidroxialcanoații, utilizabili pe post de bioplastic.

Cum ne-au luat-o înainte niște ciuperci și bacterii?

Anumite ciuperci și bacterii au un arsenal de enzime capabile de degradarea ligninei (laccaze, peroxidaze, 𝛃-eteraze), și de a transforma, astfel, un polimer complicat într-un amestec de fragmente mai micuțe, oxigenate în diferite măsuri.

• Alte microorganisme s-au adaptat la prezența atâtor fragmente aromatice în mediul înconjurător și și-au dezvoltat, în timp, căi metabolice prin care le pot prelua din mediu, transforma în intermediari metabolici cheie și folosi ca sursă de carbon. Unele sunt mai pretențioase, și preferă un anumit intermediar aromatic pe care să-l treacă prin tot felul de transformări, astfel încât să-l adapteze propriilor nevoi.
• Altele se mulțumesc și cu un meniu mai divers de fragmente de lignină. Acestea ar putea fi puncte-cheie în strategiile de valorificare a ligninei pe cale biologică — pentru că nu ar fi nevoie de o etapă intermediară în care fragmentele de lignină să fie convertite în mâncarea preferată a micoorganismului. Toate aceste transformări utile sunt mediate de enzime, iar enzime avem și noi în organism, dar specifice pentru alte substraturi, deci nu am rămas chiar în urma microorganismelor la capitolul de valorificat materii prime.

Enzimele sunt proteine care acționează ca acceleratori ai reacțiilor chimice. Fără ele, viața nu ar fi posibilă. Sunt din ce în ce mai investigate și ca variante alternative de catalizatori, mai prietenoase cu mediul decât catalizatorii pur chimici, pentru că își manifestă activitatea în mediu apos, în condiții blânde, și pot fi atât de selective în privința substanței transformate încât să nu accepte ca substrat o substanță în care nu le convine orientarea în spațiu a unei singure legături chimice.

Există situații în care bacteriile sau ciupercile nu ne pot ajuta în obținerea compușilor doriți? 

Sigur. Au evoluat de-a lungul a mii sau sute de mii de ani, unele dintre ele fără să știe că undeva, într-o făbricuță, X încearcă să obțină substanța Y, s-a împotmolit la etapa Z și are nevoie de ele într-un scop anume.

Le putem face mai cooperante modificându-le genetic: putem să le convingem să prefere ca sursă de carbon un anumit derivat de lignină, în defavoarea altora. Putem să le deturnăm metabolismul, introducând sau ștergând gene neesențiale pentru supraviețuire, astfel încât pâlnia ce conectează materia primă, cu care se hrănește microorganismul, cu produsul finit să se îngusteze și mai mult, spre un singur produs, mai ușor de izolat decât acul în carul cu fân (produsul dorit dintr-o mare de produși obținuți).

Se poate merge și mai departe în încercarea de a exploata un microorganism pe post de făbricuță care să producă o substanță de interes, lucru demonstrat într-un studiu în care din genomul unei bacterii s-au scos 300 de gene nenecesare în sinteza compusului țintă. Cheia e, probabil, să ajungem la microorganismul respectiv înainte ca el să-și pună întrebări legate de ce ar vrea să facă în viață — să fii părintele autoritar care îi impune un parcurs anume.

Se folosește undeva în lume lignina ca rezervor aromatic, pentru obținerea unui produs util sau încă sunt teorii? 

În prezent, vanilina este unul dintre singurii compuși aromatici obținuți la scară industrială din biomasă.

Totodată, ea reprezintă compusul de aromă produs în cantitatea cea mai mare în lume. Este constituentul principal al aromei naturale de vanilie, dar mai puțin de 1% din producția mondială de vanilină provine din orhideea de vanilie (Vanilla planifolia), pentru că această plantă trebuie polenizată manual pentru a produce cantități semnificative de vanilină.

• Obținerea vanilinei din lignină prezintă o serie de avantaje. Facilitează exploatarea tuturor fracțiilor din biomasa lignocelulozică — nu doar a celulozei și a hemicelulozei —, conducând la o bioeconomie circulară.
• De asemenea, având în vedere faptul că lignina poate fi izolată din scoarța copacilor sau din deșeuri agricole, nu ar exista o competiție pentru terenuri agricole, acestea putând fi în continuare folosite pentru creșterea plantelor de cultură.
• Nu în ultimul rând, optând pentru lignină ca materie primă, se poate ajunge la o reducere de până la 90% a emisiilor de carbon, comparativ cu cazul vanilinei obținute din precursori petrochimici.

Deși nu s-a investit suficient în dezvoltarea de procedee de obținere a vanilinei din biomasă, competitivitatea economică a vanilinei produse din lignină e susținută de faptul că intensitatea aromei sale e de 1,2 ori mai mare decât cea a vanilinei obținute din precursori petrochimici.

Compania norvegiană Borregaard produce vanilină folosind ca materie primă lemnul de molid, încă din 1962. Nu pare o strategie durabilă tăierea de copaci pentru a obține arome pentru prăjituri, dar accentul este pus pe păduri gestionate în mod sustenabil — pentru a asigura creșterea cantității de biomasă disponibile, sunt mereu plantați copaci noi.

Care este relația României cu utilizarea ligninei ca resursă?

Încercările de valorificare a lignocelulozei sunt abordate mai degrabă la scară de laborator, în cadrul studiilor doctorale, și nu urmăresc neapărat „spargerea” ligninei în bucăți mai mici, care să poată fi transformate mai departe în compuși aromatici utili.

Unele studii se axează mai degrabă pe delignificare, adică valorificarea unor deșeuri agricole lignocelulozice în condiții compatibile cu mediul, având ca scop obținerea de fibre primare de celuloză, care să poată fi apoi folosite ca ambalaje pentru industria alimentară.

Alte studii trec în revistă metode de fracționare a ligninei, dar se concentrează pe caracterizarea produșilor obținuți sau pe cuplarea ligninei cu alți compuși, pentru a-i crește versatilitatea.

Un proiect inedit la noi în țară, din 2022, a folosit lignina pentru stabilizarea și reabilitarea ecologică a unui drum județean dintr-o comună din județul Timiș, tehnologie testată deja cu succes în Norvegia.

Pe baza asemănărilor structurale dintre lignină și bitum — structură macromoreculară, foarte ramificată, cu unități aromatice—, și din dorința de reducere a amprentei de carbon și a consumului de energie implicate în producerea de bitum noi, lignina a fost investigată și ca biomaterial bun oentru infrastructura rutieră, sub formă de liant.

Studiile din laborator au arătat că folosirea ligninei în locul lianților tradiționali conduce la îmbunătățirea rezistenței la îmbătrânire și la temperaturi extreme a asfaltului. Folosirea ligninei în acest context a fost mai intens studiată în Europa de Nord și în China.

Care ar fi provocările? 

Ar fi nevoie de investiții serioase pentru punerea la punct a unui proces industrial avantajos de obținere a compușilor aromatici, pornind de la lignină, și de o schimbare a perspectivei, astfel încât atunci când avem la îndemână biomasa ca resursă, să ne setăm pe o abordare de tipul lignin first, și nu pe tentative de a salva ce a mai rămas din lignină, după ce am valorificat celuloza.

S-ar putea să nu putem porni din start de la un proces 100% verde, să fie nevoie și de etape chimice pe traseu, dar un proces chemoenzimatic tot ar fi mai avantajos (din punctul de vedere al impactului asupra mediului înconjurător) decât arderea ligninei sau decât un proces pur chimic de valorificare.

Competitivitatea economică a unei abordări biologice de valorificare a ligninei s-ar putea să scârțâie la început, și să fim tentați să ne întoarcem pe vechile căi de obținere a tot ce se poate din combustibili fosili — pe criteriul prețului mai redus și a căilor de acces deja bine cunoscute către produsul țintă.

S-ar putea să nu putem construi din start o pâlnie perfectă, care să ne conducă de la bucăți de lignină strict la compusul util și să ne prindem puțin urechile în procesul de separare al compusului util din amestecul de reacție.

• De asemenea, procesul de adaptare a microorganismelor implicate în natură în utilizarea ligninei la condițiile industriale ar putea fi unul de durată.
• În primă fază, procesul poate părea un standard nerealist de atins pentru un microorganism — nu orice bacterie sau ciupercă poate să se califice ca potențial transformator de lignină.

Printre cerințele pe care ar trebui să le îndeplinească microorganismul ideal, se numără specificitatea pentru fluxul de lignină țintă, posibilitatea de manipulare genetică, toleranța la stres și posibilitatea ca acesta să fie domesticit  pentru utilizarea în bioreactoare.

Sursa foto: Forestmania.ro

Citește și:

Calitatea aerului, influențată de vreme și de poziția geografică: „Impactul este SEMNIFICATIV”

Panourile solare și sistemele de irigație – Revoluție în SUA și India, VIS în România

Femeile, VULNERABILE în fața schimbărilor climatice / Raport european îngrijorător

O iarnă a RECORDURILOR de temperatură și un început îngrijorător pentru anul 2024

Poluarea apelor, o problemă globală. Cât PLASTIC poartă Dunărea noastră?