Une bioraffinerie idéale transformerait les cultures renouvelables en une variété de carburants et de produits avec peu de déchets. Un défi important dans la réalisation de cette vision est de savoir quoi faire avec la lignine, un matériau fibreux et difficile à décomposer dans les parois cellulaires des plantes qui leur confère leur robustesse.

La lignine représente environ un quart de la biomasse végétale et est la source la plus abondante d'aromatiques renouvelables sur Terre. Les aromatiques sont des matériaux à six anneaux de carbone généralement dérivés du pétrole qui sont les éléments constitutifs d'un large éventail de produits, des plastiques aux produits pharmaceutiques.

Malgré sa densité énergétique élevée, les chercheurs ont lutté pour trouver des moyens de réaliser la valeur de la lignine, mais cette substance naturelle pourrait, si attelé, transformer les marchés agricoles.

Maintenant, des scientifiques de l'Université du Wisconsin-Madison et du Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC) avec des partenaires du Center for Bioenergy Innovation (CBI) ont montré qu'une variété récemment découverte de la substance, catéchyle lignine (C-lignine), possède des attributs qui pourraient le rendre bien adapté comme point de départ pour une gamme de bioproduits. Leurs conclusions ont été publiées aujourd'hui dans Avancées scientifiques .

chercheur GLBRC John Ralph, professeur de biochimie et d'ingénierie des systèmes biologiques à l'UW-Madison, examiné les principales caractéristiques de la lignine C en collaboration avec Richard Dixon du CBI, Professeur de recherche distingué de l'Université du Texas du Nord en biochimie et biologie moléculaire, qui a trouvé la substance dans les graines d'un cactus de bureau. Le laboratoire de Ralph a révélé une nature linéaire et homogène à la substance, traits peu communs pour la lignine.

Grâce à un examen plus approfondi, Yanding Li, un étudiant diplômé en génie des systèmes biologiques de l'UW-Madison au laboratoire Ralph, a pu déterminer que la C-lignine, trouve aussi dans l'enrobage des graines de vanille, représente une lignine idéale pour une raffinerie de bioénergie.

Les deux groupes ont découvert que la substance est constituée d'un seul type de monomère, ou molécule de lignine, et chaque monomère est maintenu ensemble de la même manière. Li et Ralph ont estimé qu'il pouvait donc être raffiné en une molécule plate-forme unique, ou un petit réseau de telles molécules, qui peut construire une variété de produits. Li a également découvert un trait particulièrement favorable :la lignine C ne perd pas sa forme lorsqu'elle est prétraitée chimiquement.

La lignine contient souvent plusieurs types de monomères et se déforme lorsqu'elle est traitée, ce qui en fait un casse-tête difficile à résoudre pour les chercheurs universitaires et leurs homologues industriels. Usines de papier, par exemple, le brûlent souvent comme carburant plutôt que d'essayer de convertir la lignine en bioproduits commerciaux.

L'échantillon analysé par Li était composé uniquement de C-lignine, prometteur car son uniformité permet un traitement plus facile.

« Les raffineries de biocarburants aiment utiliser un composé 'pur' plutôt qu'un mélange de plusieurs, " dit Li. " Moins notre produit est compliqué, plus il a de valeur."

Parce que les monomères de lignine C sont maintenus ensemble par un seul type de liaison, appelées liaisons éther, ils peuvent être clivés proprement en unités avec le bon traitement chimique. Ces blocs de construction peuvent ensuite être transformés de différentes manières en fonction de la sortie souhaitée.

« Le caractère régulier et linéaire de cette lignine, combiné avec la chimie relativement simple pour le dépolymériser, rend la production de hauts rendements de monomères simples assez simple, " dit Ralph.

Lorsque les plantes sont raffinées en biocarburants et en bioproduits, la lignine est d'abord éliminée, laissant les sucres à transformer en matières commercialisables. Ce prétraitement provoque généralement la formation de boules de la lignine en un désordre emmêlé.

la structure de la lignine C, cependant, survit même aux méthodes de prétraitement les plus dures et ne se tord pas.

"Même le plus faible des traitements acides ou alcalins détruit les autres lignines, mais à chaque fois que je vérifiais la lignine C après une réaction, il était presque entièrement intact, " dit Li. " Nous pouvons alors créer un monomère de bonne qualité avec un rendement élevé pour une utilisation en tant que produit chimique de plate-forme. "

Ralph et Li ont exposé la C-lignine à l'hydrogénolyse, une technique pour déconstruire la lignine développée à UW-Madison en 1938 par le pionnier de la chimie Homer Adkins.

Le duo soupçonné d'hydrogénolyse serait capable de cliver les liaisons éther qui maintiennent les monomères C-lignine ensemble. Dans ce cas, l'approche a produit une simple paire de monomères avec un rendement d'environ 90 pour cent. Choisir le bon catalyseur pourrait le réduire à un seul monomère, un résultat frappant pour un composant végétal souvent décrié pour son obstination.

Isoler le code génétique qui rend la C-lignine si bien adaptée à la production, l'équipe Ralph et les collaborateurs du CBI s'efforcent d'insérer de telles lignines dans des cultures bioénergétiques pouvant être cultivées à plus grande échelle.

L'équipe dispose désormais d'un schéma directeur indispensable pour exploiter une grande partie des plantes habituées à être pelletées dans un incinérateur.

"Yanding a fait un pas en arrière et a dit, « Que pouvons-nous faire de plus avec ça ? » " dit Ralph. " Le plus important était de réaliser un nouveau paradigme, un nouvel idéotype de la lignine, et une nouvelle façon de penser à la lignine parfaite pour une bioraffinerie."