Un estudio acelera la transformación de los desechos de biocombustibles en químicos útiles

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Jules Bernstein

Un equipo dirigido por Sandia National Laboratories ha demostrado formas más rápidas y eficientes de convertir la materia vegetal descartada en químicos que valen miles de millones. Los hallazgos del equipo podrían ayudar a transformar la economía de la fabricación de combustibles y otros productos a partir de fuentes renovables de producción nacional.

Los productos elaborados a partir de lignina convertida podrían subsidiar la producción de biocombustibles , haciendo que el costo de los biocombustibles sea más competitivo con el petróleo. Desafortunadamente, la dureza de la lignina también hace que sea difícil extraer sus valiosos compuestos. Los científicos han luchado durante décadas con la deconstrucción. Como resultado, la lignina a menudo se sienta sin usar en pilas gigantes.

El bioingeniero de Sandia Seema Singh y su equipo han demostrado dos nuevas rutas para la conversión de lignina que combinan las ventajas de los métodos anteriores a la vez que minimizan sus inconvenientes. Los hallazgos recientes del equipo se describen en la revista Scientific Reports .

Un camino híbrido químico y biológico

Para romper los enlaces entre los compuestos que componen la lignina, los científicos han empleado químicos o pequeños organismos como bacterias u hongos. Los métodos biológicos más suaves permiten la producción de compuestos específicos dirigidos. Pero descomponer completamente la lignina usando este enfoque puede llevar semanas o incluso meses.

Por el contrario, los productos químicos agresivos pueden deconstruir la lignina en horas o incluso minutos. Pero este método requiere catalizadores costosos y algunas veces es tóxico y, por lo tanto, insostenible. Peor aún, los métodos químicos conducen a una mezcla de compuestos que aparecen en cantidades extremadamente pequeñas.

“Obtienes un montón de varios químicos cuando descompones la lignina de esta manera”, explicó Singh. “Las cantidades producidas no son terriblemente útiles”.

Su equipo ha demostrado dos nuevas técnicas que incorporan la velocidad de un método químico y la precisión de uno biológico. En ambos casos, el equipo de Singh finalmente produjo químicos de alto valor que actualmente se derivan solo del petróleo: ácido mucónico y pirogalol.

El ácido mucónico puede convertirse fácilmente en nylon, plásticos, resinas o lubricantes, y el pirogalol tiene aplicaciones contra el cáncer. Juntos, Singh informa, estos productos químicos tienen un valor de mercado combinado de $ 255.7 mil millones. “El ácido mucónico es lo que llamamos una plataforma química. A partir de ahí, crear nuevos productos es en realidad una cuestión de imaginación”, dijo.

La bioingeniería acorta aún más el proceso de conversión

El primer método de conversión del equipo es un proceso de etapas múltiples que comienza con el pretratamiento de la lignina con una solución débil de agua oxigenada y peróxido de hidrógeno. Las moléculas intermedias vanilina y siringa resultan del tratamiento.

Una cepa de E. coli especialmente modificada por el microbiólogo de Sandia, Weihua Wu, luego consume estos compuestos de etapa media, varios compuestos adicionales emergen en la mezcla y, finalmente, el proceso da como resultado los dos productos químicos finales.

Sin embargo, Singh no estaba satisfecho con la cantidad de ácido mucónico producido por este proceso. Entonces, ella y su equipo se desafiaron a sí mismos para encontrar una manera de maximizar su rendimiento de ácido mucónico, y probaron un segundo método de conversión.

El segundo método omite el proceso de tener que descomponer la lignina por completo. En cambio, el equipo diseñó genéticamente una planta de tabaco. A medida que crece, la planta produce altas cantidades de compuesto intermedio protocatechuate, conocido como PCA. Luego, los únicos pasos que quedaban eran extraer ese compuesto y usar E. coli diseñado para producir el ácido mucónico.

“Básicamente, nos saltamos tres cuartas partes de los pasos que estábamos haciendo previamente mediante la ingeniería de la planta para cultivar productos químicos intermedios”, dijo Singh. “PCA puede extraerse fácilmente del tabaco modificado y convertirse en ácido mucónico con poco esfuerzo”.

Esta ruta de ingeniería de planta no solo es más eficiente, sino que también resuelve con éxito el desafío autoimpuesto por el equipo de maximizar el rendimiento de ácido mucónico hasta en un 34 por ciento con respecto a los métodos de conversión anteriores.

Los métodos híbridos son clave para los esfuerzos futuros

Sandia financió la mayoría del trabajo en este proyecto a través de su programa de investigación y desarrollo dirigido por el laboratorio. El trabajo de ingeniería de la planta de tabaco fue realizado por los colaboradores de Singh de la división de materia prima del Joint BioEnergy Institute en Emeryville, California, incluidos Dominique Loque y Aymerick Eudes.

Singh dirige el programa de pretratamiento de biomasa en el instituto, que cuenta con científicos de un consorcio de laboratorios que incluye el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Ella cree que las futuras investigaciones sobre el aumento del valor económico de la lignina estarán fuertemente influenciadas por las demostraciones de su equipo.

El mayor desafío en este campo será maximizar aún más el rendimiento de productos químicos valiosos y la velocidad a la que se pueden producir. “Todos entienden que los enfoques híbridos son clave para la valorización de la lignina “, dijo Singh.

La adopción industrial de esta tecnología dependerá de la capacidad de producir rápidamente grandes cantidades de productos de alto valor. “Si solo puedes hacer montos de miligramos en un mes a partir de un error, eso no va a ser suficiente”, dijo Singh. “Desea que los organismos produzcan cantidades de kilogramos en menos de una hora, idealmente”.

Más información: Weihua Wu et al. Valorización de Lignina: Dos Rutas Bioquímicas Híbridas para la Conversión de Lignina Polimérica en Químicos de Valor Agregado, Informes Científicos (2017). DOI: 10.1038 / s41598-017-07895-1

 

 

 

 

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Autor entrada: REDACCION

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