La bioraffinerie utilise une pile à combustible microbienne pour recycler les déchets végétaux résistants

Lorsque la nature a conçu la lignine, le matériau ligneux et fibreux qui donne aux plantes leur structure solide, elle n’a pas coupé les coins ronds. Incroyablement lente à se dégrader, la lignine est si solide et durable qu’elle résiste aux bactéries et aux moisissures.

Alors, qu’advient-il de tous les déchets de lignine provenant des terres agricoles, des brasseries et des papeteries ? La plupart sont brûlés ou enterrés, entraînant une pollution et le gaspillage d’une ressource potentiellement renouvelable.

Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université Northwestern ont mis au point un processus en deux étapes durable et peu coûteux qui peut recycler les déchets de carbone organique, y compris la lignine. En traitant les déchets dans une bioraffinerie pilotée par des microbes, les chercheurs ont converti la lignine en sources de carbone pouvant être utilisées dans des produits pharmaceutiques à base de plantes de grande valeur et des nutriments antioxydants ainsi que des nanoparticules à base de carbone pour l’administration de médicaments ou de produits chimiques.

les L’étude est apparue sur la couverture Extrait du numéro de janvier de l’ACS Journal of Sustainable Chemistry and Engineering.

« Le fœtus devrait avoir une valeur énorme, mais il est, par essence, considéré comme un déchet », a déclaré Northwestern. Kimberley Grey, qui a dirigé la recherche. « La lignine représente 20 à 30 % de la biomasse, mais 40 % de l’énergie, ce qui est beaucoup, mais il est difficile d’exploiter cette ressource énergétique. La nature a rendu la lignine si têtue à traiter que les gens n’ont pas compris comment l’utiliser. « . Les chercheurs tentent de résoudre ce problème depuis des décennies. En utilisant la raffinerie de pétrole comme modèle, nous avons développé une raffinerie biologique qui prend les flux de déchets et produit des produits de grande valeur. »

Gray est titulaire de la chaire de la famille Roxlin et Richard Pepper en génie civil et environnemental et professeur de génie civil et environnemental à Northwestern. École d’ingénierie McCormick.

Les matériaux de construction de la nature

La lignine est l’un des polymères organiques les plus abondants au monde et elle est présente dans toutes les plantes vasculaires. Présente entre les parois cellulaires, la lignine donne aux plantes fortes et robustes, comme les arbres, un support structurel. Sans lignine, le bois et l’écorce seraient trop faibles pour supporter les arbres. Et les maisons et les meubles en bois tomberont tout simplement en morceaux.

Mais la plupart des industries qui utilisent des plantes, telles que les industries papetières et brassicoles, éliminent la lignine, laissant derrière elles la cellulose, un type de sucre. Au lieu d’utiliser le matériau hautement résistant de la nature, les équipes industrielles brûlent la lignine comme combustible peu coûteux.

« Les humains veulent se débarrasser de la lignine pour accéder aux sucres », a déclaré Gray. « Ils fermentent la cellulose pour en faire de l’alcool ou la transforment en pâte à papier. Que font-ils alors de la lignine ? Ils la brûlent comme combustible de mauvaise qualité. C’est un gaspillage. »

Pile à combustible bactérienne

Pour développer une bioraffinerie pour décomposer les déchets de carbone, y compris la lignine, les chercheurs ont d’abord conçu une cellule d’électrolyse microbienne (MEC). Semblable à une pile à combustible, le MEC échange de l’énergie entre l’anode et la cathode. Mais au lieu d’une anode à base de métal, la bio-anode de Northwestern est constituée d’électrogènes exogènes, un type de bactérie qui génère naturellement de l’énergie électrique en mangeant de la matière organique.

« Les microbes agissent comme un catalyseur », a déclaré un co-auteur de l’étude. Georges WellsProfesseur adjoint McCormick de génie civil et environnemental. « Au lieu d’utiliser des catalyseurs chimiques, qui sont souvent très coûteux et nécessitent des températures élevées, nous utilisons la biologie comme catalyseur. »

Les humains veulent se débarrasser de la lignine pour accéder aux sucres. Ils fermentent la cellulose pour en faire de l’alcool ou la transforment en pâte à papier. Que font-ils alors de la lignine ? Ils le brûlent comme combustible de mauvaise qualité. C’est du gâchis. » – Kimberly Gray, ingénieur civil et environnemental

La beauté de MEC réside dans sa capacité à traiter tout type de déchets organiques – humains, agricoles ou industriels. Le MEC fait circuler l’eau chargée de déchets via des bactéries mangeuses de carbone. Ici, ils décomposent le carbone organique en dioxyde de carbone, puis respirent normalement les électrons. Au cours de ce processus, les électrons extraits de la bio-anode se dirigent vers la cathode (faite de tissu de carbone), où ils réduisent l’oxygène pour générer de l’eau. Ce processus consomme des protons, ce qui fait monter le pH de l’eau pour la transformer en une solution caustique. À partir de là, la solution caustique peut être utilisée pour un certain nombre d’applications, y compris le traitement des eaux usées.

« Un autre avantage de ce processus est qu’il traite efficacement les eaux usées pour éliminer le carbone organique nocif », a déclaré Wells. « Donc, le produit principal est de l’eau propre. »

Mais les chercheurs ont pris le caustique et se sont de nouveau tournés vers la lignine. Les composés de lignine sont durables car ils contiennent des chaînes complexes de carbones aromatiques, qui ont un motif de liaison spécial qui forme un anneau de six atomes de carbone. Chaque cycle aromatique est constitué d’une alternance de liaisons doubles et simples, qui sont incroyablement difficiles à séparer.

Rupture de liens « incassables »

Lorsque les chercheurs ont exposé la lignine à un biocaustique, les polymères de lignine se sont décomposés d’une manière qui a préservé les cycles aromatiques. Environ 17 % de la lignine transformée est convertie en anneaux de carbone appelés flavonoïdes, un nutriment riche en antioxydants que l’on trouve souvent dans les compléments alimentaires. Couramment utilisés en chimie médicinale, ces anneaux peuvent être utilisés comme dérivés de plantes et précurseurs durables de médicaments et de suppléments peu coûteux.

« Il rompt les liaisons polymères mais quitte sélectivement la boucle », a déclaré Gray. « Si vous pouvez préserver cet anneau, vous pouvez fabriquer des matériaux de grande valeur. Les chimistes ont développé des catalyseurs pour la dissociation de l’ensemble du composé, puis ils doivent reconstruire l’anneau. Mais nous avons pu le casser de manière sélective pour préserver le précieux structures. »

Le reste de la lignine traitée (environ 80 %) est devenu des nanoparticules à base de carbone, qui peuvent être utilisées pour constituer des matériaux pour l’administration ciblée de médicaments aux humains ou l’apport ciblé de nutriments aux plantes. Les nanoparticules pourraient également fournir une alternative durable d’origine végétale aux écrans solaires et aux cosmétiques.

« Il est passionnant d’identifier et d’explorer une voie vers la récupération durable des ressources à partir de multiples flux de déchets », a déclaré Wells. « Nous avons d’énormes flux d’eaux usées et de lignine qui coûtent cher à traiter seuls. Nous essayons de les repenser comme des sources de valeur. »

Récupération des ressources sans produits chimiques dangereux

Bien que les chercheurs auraient pu utiliser un caustique disponible dans le commerce pour traiter la lignine, leur approche basée sur la MEC présente plusieurs avantages. Tout d’abord, le produit chimique vert biosourcé fonctionne le mieux. Deuxièmement, il est plus sûr, moins coûteux, peut être utilisé dans des conditions ambiantes et peut générer des produits chimiques en cas de besoin.

« Il existe de nombreux caustiques, tels que l’hydroxyde de sodium, qui sont couramment utilisés dans de nombreux procédés industriels et dans le traitement des eaux usées », a déclaré Wells. Mais cela implique l’expédition et le stockage de grandes quantités de produits chimiques toxiques. Non seulement cela coûte cher, mais c’est aussi un danger pour la santé publique. Il est plus sûr et plus durable de produire des produits chimiques sur place à partir de déchets. Nous évitons d’avoir à expédier ou à stocker de grandes quantités de produits chimiques dangereux et nous ne comptons pas sur des chaînes d’approvisionnement ou des camions qui arrivent à temps. Cela nous donne la flexibilité et l’adaptabilité nécessaires pour générer des produits chimiques directement sur site en cas de besoin.

L’étude, « Valorisation de la lignine dans des conditions tempérées : bioflavonoïdes et nanoparticules de lignine », a été soutenue par la Limited Earth Initiative de la McCormick School of Engineering de la Northwestern University.