Una biorrefinería ideal convertiría los cultivos renovables en una variedad de combustibles y productos con poco desperdicio. Un desafío importante para hacer realidad esta visión es qué hacer con la lignina, un material fibroso y difícil de descomponer en las paredes celulares de las plantas que les da su robustez.

La lignina constituye aproximadamente una cuarta parte de la biomasa vegetal y es la fuente más abundante de aromáticos renovables en la Tierra. Los aromáticos son materiales con seis anillos de carbono que generalmente se derivan del petróleo y que son los componentes básicos de una amplia gama de productos, desde plásticos hasta productos farmacéuticos.

A pesar de su alta densidad energética, los investigadores han luchado por encontrar formas de darse cuenta del valor de la lignina, pero esta sustancia natural podría, si está enjaezado, transformar los mercados agrícolas.

Ahora, Científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison y el Centro de Investigación de Bioenergía de los Grandes Lagos (GLBRC) con socios del Centro de Innovación en Bioenergía (CBI) han demostrado que una variedad recientemente descubierta de la sustancia, catecil lignina (C-lignina), tiene atributos que podrían hacer que sea adecuado como punto de partida para una variedad de bioproductos. Sus hallazgos se han publicado hoy en Avances de la ciencia .

El investigador de GLBRC John Ralph, un profesor de bioquímica e ingeniería de sistemas biológicos de la UW-Madison, examinó las características principales de C-lignin en colaboración con Richard Dixon de CBI, Profesor de investigación distinguido de bioquímica y biología molecular de la Universidad del Norte de Texas, que encontró la sustancia en las semillas de un cactus de oficina. El laboratorio de Ralph reveló una naturaleza lineal y homogénea a la sustancia, rasgos poco comunes de la lignina.

Mediante un examen más detenido, Yanding Li, un estudiante graduado de ingeniería de sistemas biológicos de UW-Madison en el laboratorio Ralph, pudo determinar que la C-lignina, también se encuentra en el recubrimiento de semillas de vainilla, representa una lignina ideal para una refinería de bioenergía.

Los dos grupos descubrieron que la sustancia está formada por un solo tipo de monómero, o molécula de lignina, y cada monómero se mantiene unido de la misma forma. Li y Ralph razonaron que, por lo tanto, podría refinarse en una sola molécula de plataforma, o una pequeña serie de tales moléculas, que puede construir una variedad de productos. Li también descubrió un rasgo particularmente favorable:la C-lignina no pierde su forma cuando se pretrata químicamente.

La lignina a menudo contiene varios tipos de monómeros y se deforma cuando se procesa. lo que lo convierte en un rompecabezas difícil de resolver para los investigadores académicos y sus contrapartes industriales. Fábricas de papel, por ejemplo, a menudo lo queman como combustible en lugar de intentar convertir la lignina en bioproductos comerciales.

La muestra que Li analizó estaba compuesta únicamente de C-lignina, prometedor porque su uniformidad permite un procesamiento más fácil.

"A las refinerías de biocombustibles les gusta usar un compuesto 'puro' en lugar de una mezcla de varios, "dice Li." Cuanto menos complicado sea nuestro producto, más valor tiene ".

Debido a que los monómeros de C-lignina se mantienen unidos por un solo tipo de enlace, llamados enlaces de éter, se pueden escindir limpiamente en unidades con el tratamiento químico adecuado. Estos bloques de construcción se pueden transformar de diferentes maneras dependiendo del resultado deseado.

"La naturaleza regular y lineal de esta lignina, combinado con la química relativamente simple para despolimerizarlo, hace que la producción de altos rendimientos de monómeros simples sea bastante sencilla, "dice Ralph.

Cuando las plantas se refinan en biocombustibles y bioproductos, la lignina primero se quita, dejando que los azúcares se conviertan en materiales comercializables. Este tratamiento previo generalmente hace que la lignina se acumule en un lío enredado.

Estructura de C-lignina, sin embargo, sobrevive incluso a los métodos de pretratamiento más duros y no se tuerce.

"Incluso el más débil de los tratamientos ácidos o alcalinos destruye otras ligninas, pero cada vez que revisaba la C-lignina después de una reacción, estaba casi completamente intacto, ", dice Li." Entonces podemos crear un monómero de buena calidad con un alto rendimiento para usar como plataforma química ".

Ralph y Li expusieron C-lignina a hidrogenólisis, una técnica para deconstruir lignina desarrollada en UW-Madison en 1938 por el pionero de la química Homer Adkins.

El dúo sospechaba que la hidrogenólisis podría romper los enlaces éter que mantienen unidos los monómeros de C-lignina. En este caso, el enfoque produjo un par simple de monómeros con un rendimiento de aproximadamente el 90 por ciento. La elección del catalizador adecuado podría reducirlo a un solo monómero, un resultado sorprendente para un componente de la planta a menudo difamado por su obstinación.

Aislar el código genético que hace que la lignina C sea tan adecuada para la producción, el equipo de Ralph y los colaboradores de CBI están trabajando para insertar tales ligninas en cultivos bioenergéticos que se puedan cultivar a mayor escala.

El equipo ahora tiene un plan vital para hacer uso de una gran parte de las plantas que están acostumbradas a ser introducidas en un incinerador.

"Yanding dio un paso atrás y dijo:'¿Qué más podemos hacer con esto?' ", dice Ralph." Lo más importante fue realizar un nuevo paradigma, un nuevo ideotipo de lignina, y una nueva forma de pensar sobre la lignina perfecta para una biorrefinería ".