Przejście od celulozy do małych cząsteczek cukru
Zespół naukowców z Instytutu Badań nad Węglem Maxa Plancka (MPI-KoFo) w Mühlheim-sur-la-Ruhr opracował nową metodę, która umożliwia stosunkowo łatwe cięcie celulozy na jej elementy składowe, czyli cukry. Mogłoby to otworzyć drzwi do produkcji surowców i biopaliw z biomasy pochodzącej z odpadów drzewnych lub roślinnych, a więc bez konkurencji z produktami spożywczymi.
Celuloza, najpowszechniejsza cząsteczka organiczna na Ziemi, jest głównym składnikiem komórek roślinnych. Ponieważ jest on szczególnie stabilny, przemysł miał dotychczas trudności z rozbiciem go na elementarne składniki. W związku z tym znaczna ilość energii pozostała niewykorzystana.
Roberto Rinaldi, Regina Palkovits i Ferdi Schüth z MPI-KoFo zdołali pokonać tę przeszkodę, stosując stały katalizator kwasowy i ośrodek jonowy. Opracowany w ten sposób proces umożliwia selektywne rozbijanie długich łańcuchów celulozy na małe kawałki w ciągu kilku godzin lub krócej. Dodatkowo zaletą jest to, że pojawia się niewiele produktów ubocznych, co zmniejsza ryzyko powikłań w dalszym leczeniu. Katalizator można odzyskać i ponownie wykorzystać pod koniec reakcji.
Najpierw naukowcy umieszczają cząsteczkę celulozy w roztworze jonowym. Jest to sól, ciecz o temperaturze pokojowej, zawierająca pierwiastki naładowane dodatnio i ujemnie. „Na tym etapie długie łańcuchy celulozy stają się dostępne dla późniejszych reakcji chemicznych, w związku z czym celuloza jest wrażliwa na ataki stałych katalizatorów” – wyjaśnia F. Schüth.
Tymczasem zespół MPI-KoFo określił, jakie właściwości musi posiadać katalizator, aby rozszczepić celulozę. Materiał musi być kwaśny, to znaczy zdolny do oddawania protonów H+. Musi mieć także dużą powierzchnię i pory odpowiedniej wielkości, ponieważ celuloza rozpuszczona w roztworze jonowym jest bardzo lepka, co komplikuje transport łańcuchów do katalizatora. „Odkryliśmy, że chemicznie modyfikowana żywica szczególnie dobrze nadaje się do rozszczepiania wiązań cukrowych z celulozy” – kontynuuje Ferdi Schüth.
Dodanie wody powoduje, że skrócone łańcuchy cukrowe opadają na dno, co ułatwia ich oddzielenie od roztworu. Następnie badacze filtrują roztwór i odzyskują katalizator. „Aby w końcu dotrzeć do najmniejszych cegiełek budulcowych celulozy, niezbędny jest dodatkowy etap, na przykład poprzez zastosowanie enzymów”. Przecinają one krótkie łańcuchy na izolowane cząsteczki cukru. Ten proces „demontażu” – od celulozy do cząsteczek glukozy – nazywany jest depolimeryzacją.
Nowa metoda umożliwia m.in. cięcie bardzo stabilnych składników roślinnych, takich jak celuloza mikrokrystaliczna, czy nawet drewno. „Można zatem powiedzieć, że dzięki tej metodzie możliwy jest rozkład drewna na cukry” – komentuje F. Schüth.
Taka obróbka celulozy otwiera wiele możliwości zastosowania. Otrzymane w ten sposób cząsteczki cukru można by poddać fermentacji alkoholowej, a następnie wyprodukować etanol jako biopaliwo, nie konkurując z produktami spożywczymi. Jako materiał bazowy mogą służyć kawałki drewna lub słomy. Zanim jednak metoda ta zostanie zastosowana na dużą skalę, należy przeprowadzić jeszcze wiele prac rozwojowych. Rozwiązania jonowe są szczególnie bardzo drogie, co wymaga ich ponownego wykorzystania w cyklu produkcyjnym, a co za tym idzie opracowania podejścia do recyklingu.
Ferdi Schüth – Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mühlheim an der Ruhr – tel: +49 208 306 2373 – e-mail: schueth@mpi-muehlheim.mpg.de
Źródło: BE Niemcy