Un equipo dirigido por Sandia National Laboratories ha demostrado más rápido, formas más eficientes de convertir la materia vegetal desechada en productos químicos por valor de 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 cultivadas en el país.

Lignina, el material resistente que queda de la producción de biocombustibles, contiene compuestos que se pueden convertir en productos como nailon, plásticos y medicamentos. Es uno de los principales componentes de las paredes celulares de las plantas, y da a las plantas integridad estructural y protección contra ataques microbianos.

Los productos elaborados con lignina convertida podrían subsidiar la producción de biocombustibles, hacer que el costo de los biocombustibles sea más competitivo con el del petróleo. Desafortunadamente, La dureza de la lignina también dificulta la extracción de sus valiosos compuestos. Los científicos han luchado durante décadas para deconstruirlo. Como resultado, la lignina a menudo permanece sin usar en montones gigantes.

La bioingeniera 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 y minimizan sus inconvenientes. Los hallazgos recientes del equipo se describen en la revista Informes científicos .

Un camino híbrido químico y biológico hacia adelante

Para romper los enlaces entre los compuestos que forman la lignina, Los científicos han empleado productos químicos u organismos diminutos como bacterias u hongos. Los métodos biológicos más suaves permiten la producción de compuestos específicos. Pero descomponer completamente la lignina con este método puede llevar semanas o incluso meses.

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

"Obtienes un poco de una gran cantidad de productos químicos cuando descompones la lignina de esta manera, "explicó Singh." Las cantidades obtenidas no son muy 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 productos químicos de alto valor que actualmente se derivan solo del petróleo:ácido mucónico y pirogalol.

El ácido mucónico se puede convertir fácilmente en nailon, plástica, resinas o lubricantes, y el pirogalol tiene aplicaciones anticancerígenas. 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 solo cuestión de imaginación, " ella dijo.

La bioingeniería acorta aún más el proceso de conversión

El primer nuevo método de conversión del equipo es un proceso de varias etapas que comienza con el tratamiento previo de la lignina con una solución débil de peróxido de hidrógeno y agua. Las moléculas intermedias de vainillina y jeringa resultan del tratamiento.

Una cepa de E. coli especialmente modificada por el microbiólogo Weihua Wu de Sandia luego consume estos compuestos de etapa intermedia, 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 probó un segundo método de conversión.

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

"Básicamente, nos saltamos tres cuartas partes de los pasos que estábamos haciendo anteriormente al diseñar la planta para producir productos químicos intermedios, "Dijo Singh." El PCA puede extraerse fácilmente del tabaco modificado y convertirse en ácido mucónico con poco esfuerzo ".

Esta ruta de ingeniería de plantas no solo es más eficiente, pero también resuelve con éxito el desafío autoimpuesto del 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 mayor parte del trabajo en este proyecto a través de su programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio. El trabajo de ingeniería de la planta de tabaco fue realizado por los colaboradores de Singh de la división de materia prima en el Joint BioEnergy Institute en Emeryville, Calif., 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, incluido el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Ella cree que la investigación futura sobre el aumento del valor económico de la lignina estará fuertemente influenciada 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 comprenden 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 puede obtener cantidades de miligramos en un mes a partir de un error, eso simplemente no lo cortará, "Dijo Singh." Quieres que los organismos produzcan cantidades de kilogramos en menos de una hora, idealmente."