لیگنین، به‌عنوان یک منبع تجدیدپذیر مورد استفاده در تولید محصولات ارزشمند، چالش‌های تولیدی و اقتصادی برای عملیات پالایشگاه‌زیستی ارائه می‌دهد.

به گزارش زیست آنلاین، دکتر جاشوا یوآن (Dr. Joshua Yuan) -استاد و رئیس بخش زیست‌شناسی مصنوعی و محصولات تجدیدپذیر دانشگاه A&M تگزاس- استفاده از روشی استخراجی را افزون‌بر سایر فرایندهای پالایش برای تولید رشته‌های چندگانه لیگنین پیشنهاد و یافته‌های تحقیقاتی خود را در زمینه شیمی سبز منتشر کرده است.

پالایشگاه‌زیستی پایدار به‌شدت به تولید محصولات با ارزش افزوده، به‌ویژه از لیگنین وابسته است. علی‌رغم تلاش‌های بسیار و بر اساس مقاله انتشار یافته، تولید محصولات زیستی جایگزین‌پذیر لیگنین با توجه به تفکیک ضعیف و واکنش‌پذیری اندک لیگنین، هنوز با موانعی روبرو بوده و به تعویق افتاده است.

یوآن استفاده از استخراج گزینشی حلال آلی، موسوم به SOFA را پیشنهاد می‌کند. فرایندی که از شرایط مختلفی نظیر پی‌‌هاش و دما برای استخراج لیگنین با شیمی متفاوت، استفاده می‌کند. این فرایند به‌گونه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد که ذرات لیگنین متنوعی با ویژگی‌های مختلف تولید و باعث قابلیت‌های مختلف خواهد شد. این امر برای کاربردهایی نظیر دارورسانی و نانوکامپوزیت‌ها حائز اهمیت است.

روشی نوین در پالایش پایدار لیگنینتطبیق شیمی لیگنین با استفاده از SOFA، ابزاری پایدار برای بهسازی لیگنین کم‌ارزش فراهم می‌سازد و از این طریق به سودآوری پالایشگاه‌های زیستی کمک می‌کند. زیست‌توده لیگنوسلولزی می‌تواند برای تولید سوخت‌زیستی نسل دوم یا سوخت‌زیستی پیشرفته مورد استفاده قرار گیرد که راه‌حلی پایدار و جایگزین برای سوخت‌های فسیلی سنتی خواهد بود.

با توجه به درصد بالای انرژی ذرت خوشه‌ای (sorghum)، انرژی نیشکر (Energy cane) –نیشکر اصلاح شده ژنتیکی با درصد فیبر بالاتر- و دیگر مواد خام، بهره‌وری در هر آکر (acre)، بسیار بالاتر از اتانول ذرت است. این باعث کاهش توازن کربن و بهبود انرژی خروجی سوخت‌زیستی خواهد شد. برای مواد خام چند ساله مانند پانیکوم‌ویرگاتوم (switchgrass) و انرژی نیشکر سبب بهبود حفاظت از خاک، آب و تنوع زیستی می‌شود. همچنین آنها می‌توانند برای تثبیت دی‌اکسیدکربن و تولید اتانول برای سوخت، پرورش یابند.

مشکل نقش لیگنین به‌عنوان پسماند در فرایند پالایشگاه‌زیستی و تأثیر منفی است که بر اقتصاد و پایداری پالایشگاه‌زیستی اثر می‌گذارد. به‌کارگیری لیگنین برای محصولات ارزشمند، سبب بهبود قابل‌توجه پایداری و سودمندی هزینه در پالایشگاه‌زیستی خواهد شد. نانوذرات لیگنین به‌هنگام استفاده برای محصولات فله مانند کود آهسته- رهش، محصولی ارزشمند به‌شمار می‌آیند. از دیگر جنبه‌های بسیار مهم، ایمنی و زیست‌سازگاری لیگنین است.

از مهمترین چالش‌های موجود در پالایشگاه‌زیستی -به‌ویژه پالایشگاه‌زیستی لیگنوسلولزی- استفاده از لیگنین برای محصولات بسیار ارزشمند است. نمایه اکثر پالایشگاه‌های زیستی فعلی بر اتانول به‌عنوان تنها محصول با مقدار محدود در تولید، تمرکز دارند. با بررسی پالایشگاه‌زیستی اتانول ذرت درمی‌یابید که آن‌ها دارای دستگاه‌های تقطیر دانه‌ بوده و روغن ذرت به‌عنوان محصول جانبی سبب کسب سودآوری پالایشگاه می‌‌شود.

پالایشگاه‌زیستی لیگنوسلولزی نیازمند استفاده کامل از مواد خام اولیه برای تولید محصولات مختلف و در صورت امکان، محصولات ارزشمند، به‌منظور ساخت پالایشگاهی امکان‌پذیر از نظر اقتصادی است. این نیازمند فرایندهای جدید پالایشگاه‌زیستی نظیر SOFA است.

دیواره سلول گیاهی دارای سه جزء اصلی است: سلولز، همی‌سلولز و لیگنین. سلولز و همی‌سلولز مبتنی‌ بر شکر هستند و می‌توانند برای تخمیر اتانول مورد استفاده قرار گیرند. اما لیگنین پلیمری آروماتیک و نیازمند زمینه‌ای مناسب است. این مقاله و آزمایشگاه یوآن به ارائه راهکارهایی جهت تولید الیاف کربن با کیفیت بالا، نانوذرات، اصلاح‌گر چسب آسفالت، بیوپلاستیک‌ها و بیودیزل از لیگنین پرداخته‌اند.

بیشتر بخوانید: معرفی انواع انرژی تجدیدپذیركشف ساختار ليگنين راهي به سوخت هاي زيستي آينده ليگنين(جزء اصلي ديواره سلولي گياه) براي تشكيل توده ها درهم مي پيچد و اين مسئله براي توليد اتانول سلولوزي مشكل ايجاد مي كند. با اين وجود شكل دقيق و ساختار تراكم ها تا حدود زيادي ناشناخته ماند.
يك گروه به رهبري جرمي اسميت از آزمايشگاه Oak Ridge سطح ساختار ليگنين را تا وضوح ۱ انگستروم نشان دادند. يافته هاي اين گروه در نشريه Physical Review E  منتشر شده است.
اسميت كه رهبري مركز بيوفيزيك مولكولي را برعهده دارد و همچنين داراي كرسي دولتي در دانشگاه تنسي مي باشد مي گويد :"ما نتايج آزمايشهاي "تفرق نوتروني" (neutron scattering ) را با نتياج حاصله از شبيه سازي كه در مقياس بزرگ (large-scale) و توسط ابر كامپيوتر اصلي آزمايشگاه ORNL انجام شد را تركيب كرديم تا نشان دهيم كه مشخصه توده نرم لينگين (قبل از اصلاح) چين خوردگي بسيار شديد در سطح آن مي باشد.
توده هاي لينگين مي توانند تبديل منابع تغذيه  سوخت زيستي به اتانول (يك جايگزين تجديد پذير براي بنزين) را آهسته تر كند. زماني كه آنزيمها براي آزادسازي قند گياه كه براي توليد اتانول ضروري است استفاده  شوند، توده هاي لينگين به آنزيمها مي چسبند و سرعت تبديل را كاهش مي دهند.
سطح بشدت در هم تنيده ي لينگين فرصت بيشتري براي جذب آنزيم هاي در حال عبور فراهم مي آورد. درك بهتر توده هاي لينگين به دانشمندان در تلاش براي طراحي يك فرايند آماده سازي كه به نوبه ي خود مي تواند هزينه ي سوخت هاي زيستي را كاهش دهد كمك مي كند.
لوكاس پترديس عضو تيم تحقيقاتي مي گويد :"طبيعت يك مكانيزم برجسته براي حفاظت گياهان از آنزيمها دارد؛ ما در حال تلاش براي درك پايه هاي فيزيكي مقاومت گياه در برابر تقليل درجه ي آنزيمي هستيم."
تكنيك تكميلي شبيه سازي بر روي ابر كامپيوتر جگوار مركز تحقيقات در راكتور با فشار بالاي آزمايش به تيم اسميت اجازه داد تا ساختار ليگنين را در مقياس ۱ تا ۱۰۰۰ انگستروم حل نمايند. اين پروژه اولين پروژه در تحقيقات سوخت زيستي است كه اين دو روش تحقيقاتي را باهم تركيب كرده است. اسميت مي گويد:" اين كار چگونه هنر پرتاب نوتروني و توان بالاي ابررايانه ها مي تواند براي روشن سازي ساختار با اهميت را براي انرژي زيستي با يكديگر متحد شوند."