Топливо из биомассы. Лигнин больше не помеха

Экстракция лигнина
Экстракция лигнина с формальдегидом и без.

Лигнин — громоздкая цепь молекул, определяющая механическую стойкость древесины. В процессе производства биотоплива лигнин — досадная помеха, от которых надо избавиться. Но химики Федеральной политехнической школы Лозанны (фр. École polytechnique fédérale de Lausanne) разработали способ сократить количество отходов, расщепляя лигнин с помощью формальдегида.

Сокращение глобальной зависимости от ископаемого топлива возможно при должном развитии индустрии переработки возобновляемого растительного сырья в биотопливо. Но производить его из растений и других органических веществ (биомассы) экономически эффективно — сложно. Это серьёзная инженерная задача. В основном биомасса — это несъедобные растения — деревья, трава и водоросли, содержащие сахара, которые могут быть ферментированы для производства топлива. Но в биомассе также содержится лигнин, громоздкий органический полимер, и его много в древесине и коре. Он химически устойчив, и при производстве биотоплива его легче выбросить, чем переработать.

Швейцарские учёные превратили лигнин из производственной помехи в важный источник биотоплива путём простого добавления распространённого химиката, что позволяет преобразовать до 80 % лигнина в нужные для производства биотоплива и пластмасс вещества. Сообщение о методе, который уже запатентован, опубликовано в журнале Science.

Лигнин — чрезвычайно сложный биополимер, из него состоят одеревеневшие стенки растительных клеток, и это почти треть растительной биомассы. Потенциально энергетическая ценность лигнина на 30 % больше, чем у сахара. Проблема в том, что лигнин сложно выделить и преобразовать. Как правило, он быстро разрушается в процессе выделения, и большинство исследователей не смогли эффективно разбить его на части для того, чтобы сделать из него топливо или ещё что-нибудь полезное.

Но команда исследователей под руководством Джереми Лютербахера (Jeremy Luterbacher) показала, что лигнин можно легко разделить на более простые молекулы, используя в процессе только лишь формальдегид.

Лигнин
Фотография структуры лигнин-целлюлозы, полученная с помощью электронной микроскопии.

Формальдегид — одно из наиболее широко используемых в промышленности химических веществ, его просто получить, и он дёшев. Исследователи обнаружили, что формальдегид стабилизирует лигнин и препятствует его деградации, что приводит к высокому выходу полезного продукта, в 3—7 раз больше, чем можно получить из лигнина без применения формальдегида.

«В зависимости от используемой древесины мы получаем от 50 до 80 % [полезного продукта], — говорит Джереми Лютербахер. — Химия — это сравнительно просто; реальная задача — найти инвесторов для пилотного проекта».

По словам исследователя, ситуация на рынке сложна для проектов устойчивой энергетики как из-за непоследовательной политики государств, так и из-за большого разброса цен на энергоносители. Инвесторы в условиях нестабильного рынка, особенно с учётом конкуренции с устоявшейся индустрией эксплуатации ископаемого топлива, не спешат тратить деньги на новую энергетику.

«Эта технология выглядит очень хорошо, — говорит Лютербахер. — Если мировой политический истеблишмент даст чёткую установку о переходе от ископаемых видов топлива, то инвесторы отреагируют. Но я думаю, что Швейцария уже является отличным местом для начала. Швейцарцы были непоколебимыми сторонниками экологически чистой энергии и могут помочь продемонстрировать новые технологии, и я вполне оптимистично смотрю в будущее».

Лигнин (от лат. lignum — дерево, древесина) — вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток. Сложное полимерное соединение, содержащееся в клетках сосудистых растений и некоторых водорослях.

Одеревеневшие клеточные оболочки обладают ультраструктурой, которую можно сравнить со структурой железобетона: микрофибриллы целлюлозы по своим свойствам соответствуют арматуре, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, — бетону.

В анализе древесины лигнин рассматривают как её негидролизуемую часть. Древесина лиственных пород содержит 18—24 % лигнина, хвойных — 27—30 %.

Лигнин не является самостоятельным веществом, а представляет собой смесь ароматических полимеров родственного строения. Именно поэтому невозможно написать его структурную формулу. В то же время известно, из каких структурных единиц он состоит и какими типами связей эти единицы объединены в макромолекулу.