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Nature:看新技术变废为宝

标签:木质素
摘要 : 科学家们公开了一个可将生物质废物木质素(lignin)转变为简单化学制品的新方法。威斯康星大学麦迪逊分校的“绿色化学”专家Shannon Stahl说,这一创新是朝着用生物可再生材料取代石油为基础的燃料和化学制品迈出的重要一步。

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科学家们公开了一个可将生物质废物木质素(lignin)转变为简单化学制品的新方法。威斯康星大学麦迪逊分校的“绿色化学”专家Shannon Stahl说,这一创新是朝着用生物可再生材料取代石油为基础的燃料和化学制品迈出的重要一步。这一成果发布在11月2日的《自然》(Nature)杂志上。

木质素是导致树木和玉米秆粗壮的一种复合化学物质,在生物圈中它占据了近30%的有机碳含量。Nature论文的资深作者Stahl指出,木质素是造纸工业的一种废弃物。“木质素被当做是低价值的燃料烧掉,如果生物燃料将成为现实,我们需要从木质素处获得更多的价值。”

木质素是一种包含六碳环链(chains of six-carbon rings)的复合材料。只有木质素的这些链分解成为个体单位时,这些称作为“芳烃”( aromatics)六碳环才能成为可持续供应的有用化学制品的基础成分。

Stahl说:“木质素是唯一包含有芳烃的大体积可再生原料。芳烃可用于制造从塑料汽水瓶、凯夫拉尔纤维到农药和药物等许多的东西。现在,芳烃几乎完全来自石油。我们需要找到一种经济的方法将木质素转变为有附加值的材料。”

不幸的是,木质素极难分解为有价值的亚单位,尤其是要以一种节约成本的方式。“人们不断地提醒我一句古老的谚语,‘你可以做任何事情,但除了用木质素赚钱,’”Stahl说。

今天的研究报告有可能会改变这种观点。得到威斯康星大学麦迪逊分校五大湖生物能研究中心(Great Lakes Bioenergy Research Center)的资助,Stahl和同事们在研究工作中证实,通过让木质素接触氧,随后在温和条件下给予弱酸处理,可以获得高产量的芳烃。

论文的第一作者、威斯康星大学麦迪逊分校博士后研究人员Alireza Rahimi说:“氧化步骤可以削弱木质素链的连接。”去年Rahimi和Stahl报告了初步的氧处理。“随后的酸会破坏连接。”

Rahimi说,他探索了许多种不同的方法来分解木质素。“例如,利用过氧化氢来起作用,但它分解了一些芳烃产物。”

他们在酸性条件下尝试了各种不同的金属,发现在没有金属的情况下酸能够生成最好的结果。“相比以往观察到的,在这些条件下芳烃的产量显著增加,”Rahimi说。

参与工业竞争的所有过程都必须经济节省,Stahl说在这一过程中避免使用金属是其中的几大优势之一。“温和的条件,相对低的温度(110摄氏度/230华氏度)和低压力,不需要昂贵金属催化剂,使得它不同于许多其他的方法。”

Stahl承认,他们从这一过程中获得的化学物质仍需要接受进一步的处理才会拥有真正的市场价值。“我们已经起了个好头,因为我们知道我们正在生成的主要产品,”Stahl说。

他指的是合作者、Nature论文共同作者、化学教授Josh Coon的工作。“木质素是一种复杂的聚合物,我们并不知道鉴别出这一过程的产物有多么容易,”Coon说。

Coon是分析化学和质谱法方面的专家。质谱是一项能够精确描绘出特定化合物成分的技术。Coon和他的研究所Arne Ulbrich证实,产物混合物与天然木质素中一些亚单位的分配情况密切匹配。

Stahl将木质素视作是未来利用可再生生物质而非石油来作为原料,生产燃料或化学制品同时减少环境影响的“生物炼制”( biorefineries)的关键。“在这一领域大多数的焦点一直放在纤维素上,但我认为除非我们能够从木质素处创造出价值,否则没有足够的价值与石油竞争。”

原文摘要:

Formic-acid-induced depolymerization of oxidized lignin to aromatics

Alireza Rahimi, Arne Ulbrich, Joshua J. Coon & Shannon S. Stahl

Lignin is a heterogeneous aromatic biopolymer that accounts for nearly 30% of the organic carbon on Earth1 and is one of the few renewable sources of aromatic chemicals2. As the most recalcitrant of the three components of lignocellulosic biomass (cellulose, hemicellulose and lignin)3, lignin has been treated as a waste product in the pulp and paper industry, wher it is burned to supply energy and recover pulping chemicals in the operation of paper mills4. Extraction of higher value from lignin is increasingly recognized as being crucial to the economic viability of integrated biorefineries5, 6. Depolymerization is an important starting point for many lignin valorization strategies, because it could generate valuable aromatic chemicals and/or provide a source of low-molecular-mass feedstocks suitable for downstream processing7. Commercial precedents show that certain types of lignin (lignosulphonates) may be converted into vanillin and other marketable products8, 9, but new technologies are needed to enhance the lignin value chain. The complex, irregular structure of lignin complicates chemical conversion efforts, and known depolymerization methods typically afford ill-defined products in low yields (that is, less than 10–20wt%)2, 10, 11. Here we describe a method for the depolymerization of oxidized lignin under mild conditions in aqueous formic acid that results in more than 60wt% yield of low-molecular-mass aromatics. We present the discovery of this facile C–O cleavage method, its application to aspen lignin depolymerization, and mechanistic insights into the reaction. The broader implications of these results for lignin conversion and biomass refining are also considered.(doi:10.1038/nature13867

来源: Nature 浏览次数:183

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