Biorefinery sử dụng pin nhiên liệu vi khuẩn để tái chế chất thải thực vật kháng

Biorefinery sử dụng pin nhiên liệu vi khuẩn để tái chế chất thải thực vật kháng

    Biorefinery sử dụng pin nhiên liệu vi khuẩn để tái chế chất thải thực vật kháng

    bởi Amanda Morris, Đại học Tây Bắc

    Không có mô tả ảnh.

    Trừu tượng đồ họa. Tín dụng: Hóa học & Kỹ thuật bền vững ACS (2022). DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c03667

    Khi thiên nhiên thiết kế lignin - vật liệu dạng sợi, thân gỗ mang lại cấu trúc cứng chắc cho cây trồng - nó đã không cắt bỏ bất kỳ ngóc ngách nào. Phân hủy cực kỳ chậm, lignin rất chắc chắn và tồn tại lâu nên có khả năng chống vi khuẩn và thối rữa.

    Vậy điều gì sẽ xảy ra với tất cả chất thải lignin từ các trang trại, nhà máy bia và nhà máy giấy? Hầu hết nó bị đốt cháy hoặc chôn lấp, gây ô nhiễm và lãng phí một nguồn tài nguyên tái tạo tiềm năng.

    Giờ đây, các nhà nghiên cứu của Đại học Northwestern đã phát triển một quy trình hai bước bền vững, rẻ tiền, có thể tái chế chất thải carbon hữu cơ—bao gồm cả lignin. Bằng cách xử lý chất thải thông qua một nhà máy tinh chế sinh học do vi khuẩn điều khiển, các nhà nghiên cứu đã biến lignin thành nguồn carbon có thể được sử dụng trong dược phẩm có nguồn gốc từ thực vật và dược phẩm chống oxy hóa có giá trị cao cũng như các hạt nano dựa trên carbon để vận chuyển thuốc hoặc hóa chất.

    Nghiên cứu đã được đăng trên trang bìa của số tháng 1 của tạp chí Hóa học và Kỹ thuật Bền vững ACS.

    "Lignin lẽ ra phải có giá trị to lớn, nhưng về bản chất, nó được coi là chất thải," Kimberly Gray của Northwestern, người đứng đầu nghiên cứu cho biết. "Lignin chiếm 20–30% sinh khối nhưng lại chiếm 40% năng lượng. Con số này rất nhiều nhưng rất khó để khai thác nguồn năng lượng này. Thiên nhiên đã tạo ra lignin khó xử lý đến mức con người chưa tìm ra cách sử dụng nó. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng giải quyết vấn đề này trong nhiều thập kỷ. Sử dụng một nhà máy lọc dầu làm khuôn mẫu, chúng tôi đã phát triển một nhà máy lọc dầu sinh học tiếp nhận các dòng chất thải và tạo ra các sản phẩm có giá trị cao."

    Gray là Chủ tịch của Gia đình Roxelyn và Richard Pepper về Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường, đồng thời là giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern.

    Vật liệu xây dựng tự nhiên

    Là một trong những polyme hữu cơ phong phú nhất trên thế giới, lignin có trong tất cả các loại thực vật có mạch. Được tìm thấy giữa các bức tường tế bào, lignin mang lại cho thực vật cứng cáp, chắc khỏe—giống như cây cối—sự hỗ trợ về mặt cấu trúc. Không có lignin, gỗ và vỏ cây sẽ quá yếu để hỗ trợ cây cối. Và những ngôi nhà và đồ nội thất bằng gỗ sẽ đơn giản sụp đổ.

    Nhưng hầu hết các ngành công nghiệp sử dụng thực vật - chẳng hạn như ngành sản xuất giấy và sản xuất bia - loại bỏ lignin, để lại cellulose, một loại đường. Thay vì sử dụng vật liệu siêu bền của tự nhiên, các nhóm công nghiệp đốt cháy lignin như một loại nhiên liệu rẻ tiền.

    Gray nói: “Con người muốn loại bỏ lignin để tiếp cận với đường. "Họ lên men cellulose để tạo ra rượu hoặc xử lý nó để làm bột giấy. Sau đó, họ làm gì với lignin? Họ đốt nó như một loại nhiên liệu chất lượng thấp. Đó là một sự lãng phí."

    Pin nhiên liệu chạy bằng vi khuẩn

    Để phát triển một nhà máy tinh chế sinh học nhằm phân hủy chất thải carbon, bao gồm cả lignin, trước tiên, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một tế bào điện phân vi sinh vật (MEC). Tương tự như pin nhiên liệu, MEC trao đổi năng lượng giữa cực dương và cực âm. Nhưng thay vì cực dương làm từ kim loại, cực dương sinh học của Northwestern bao gồm các exolectrogens—một loại vi khuẩn tạo ra năng lượng điện một cách tự nhiên bằng cách ăn chất hữu cơ.

    Đồng tác giả nghiên cứu George Wells, phó giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường tại McCormick cho biết: “Các vi khuẩn đóng vai trò là chất xúc tác. "Thay vì sử dụng chất xúc tác hóa học, thường rất đắt tiền và đòi hỏi nhiệt độ cao, chúng tôi sử dụng sinh học làm chất xúc tác."

    Cái hay của MEC là nó có thể xử lý bất kỳ loại chất thải hữu cơ nào—con người, nông nghiệp hoặc công nghiệp. MEC luân chuyển nước chứa đầy chất thải thông qua vi khuẩn, vi khuẩn này sẽ ăn hết carbon. Tại đây, chúng phân hủy carbon hữu cơ thành carbon dioxide và sau đó hô hấp các electron một cách tự nhiên. Trong quá trình này, các electron được chiết xuất chảy từ cực dương sinh học sang cực âm (làm bằng vải carbon), nơi chúng khử oxy để tạo ra nước. Quá trình này tiêu thụ các proton, làm tăng độ pH của nước để biến nó thành dung dịch ăn da. Từ đó, dung dịch xút có thể được sử dụng cho bất kỳ ứng dụng nào, kể cả xử lý nước thải.

    Wells cho biết: “Một lợi ích khác của quy trình này là nó xử lý hiệu quả nước thải để loại bỏ carbon hữu cơ có hại. "Vì vậy, một sản phẩm quan trọng là nước sạch."

    Nhưng các nhà nghiên cứu đã lấy chất ăn da và chuyển sự chú ý của họ trở lại với lignin. Các hợp chất lignin bền vì chúng chứa các chuỗi carbon thơm phức tạp, có kiểu liên kết đặc biệt tạo thành một vòng gồm sáu nguyên tử carbon. Mỗi vòng thơm bao gồm các liên kết đôi và đơn xen kẽ, cực kỳ khó phá vỡ.

    Phá vỡ liên kết 'không thể phá vỡ'

    Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu cho lignin tiếp xúc với hóa chất ăn da dựa trên cơ sở sinh học, các polyme của lignin bị phá vỡ theo cách bảo tồn các vòng thơm. Khoảng 17% lignin được xử lý biến thành các vòng carbon gọi là flavonoid, một chất dinh dưỡng thực vật giàu chất chống oxy hóa thường được tìm thấy trong các chất bổ sung. Thường được sử dụng trong hóa dược, những vòng này có thể được sử dụng làm tiền chất bền vững, có nguồn gốc từ thực vật cho các dược phẩm và chất bổ sung rẻ tiền.

    Gray cho biết: “Nó phá vỡ các liên kết polyme nhưng rời khỏi vòng một cách có chọn lọc. "Nếu bạn có thể bảo quản chiếc nhẫn đó, thì bạn có thể tạo ra những vật liệu có giá trị cao. Các nhà hóa học đã phát triển các chất xúc tác có thể phá vỡ toàn bộ hợp chất, sau đó họ phải xây dựng lại chiếc nhẫn. Nhưng chúng tôi có thể phá vỡ nó một cách có chọn lọc để bảo tồn các cấu trúc có giá trị ."

    Phần còn lại của lignin được xử lý (khoảng 80%) trở thành các hạt nano dựa trên carbon, có thể được sử dụng để bao gồm các chất để vận chuyển thuốc có mục tiêu ở người hoặc vận chuyển chất dinh dưỡng có mục tiêu ở thực vật. Các hạt nano cũng có thể cung cấp một giải pháp thay thế bền vững, có nguồn gốc từ thực vật cho kem chống nắng và mỹ phẩm.

    Wells cho biết: “Thật thú vị khi xác định và khám phá một lộ trình phục hồi tài nguyên bền vững từ nhiều dòng chất thải. "Chúng tôi có lượng nước thải khổng lồ và dòng lignin rất tốn kém để tự xử lý. Chúng tôi đang cố gắng biến chúng thành nguồn giá trị."

    Phục hồi tài nguyên mà không có hóa chất độc hại

    Mặc dù các nhà nghiên cứu có thể đã sử dụng một chất ăn da có sẵn trên thị trường để xử lý lignin, phương pháp dựa trên MEC của họ có nhiều ưu điểm. Đầu tiên, hóa chất sinh học màu xanh lá cây hoạt động tốt hơn. Thứ hai, nó an toàn hơn, ít tốn kém hơn, có thể được sử dụng trong điều kiện môi trường xung quanh và có thể tạo ra hóa chất tại điểm cần thiết.

    Wells cho biết: “Có nhiều chất ăn da, chẳng hạn như natri hydroxit, thường được sử dụng trong nhiều quy trình công nghiệp và xử lý nước thải. "Nhưng điều đó liên quan đến việc vận chuyển và lưu trữ một lượng lớn hóa chất độc hại. Điều đó không chỉ tốn kém mà còn gây nguy hiểm cho sức khỏe cộng đồng. Việc tạo ra hóa chất tại chỗ từ các sản phẩm thải sẽ an toàn và bền vững hơn nhiều. Chúng tôi tránh phải vận chuyển hoặc lưu trữ số lượng lớn lượng hóa chất độc hại và không phụ thuộc vào chuỗi cung ứng hoặc xe tải đến đúng giờ. Điều này mang lại cho chúng tôi sự linh hoạt và khả năng thích ứng để tạo ra hóa chất ngay tại chỗ khi cần."

    Nghiên cứu, "Định giá trị của lignin trong điều kiện ôn hòa: Tinh chế sinh học flavonoid và hạt nano lignin," được hỗ trợ bởi Sáng kiến Trái đất Hữu hạn của Trường Kỹ thuật McCormick tại Đại học Tây Bắc.

    Zalo
    Hotline