นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นเทคโนโลยีใหม่ซึ่งแบคทีเรียที่วิศวกรรมชีวภาพสามารถสร้างสารเคมี/โพลีเมอร์ที่คุ้มค่าจากพลังงานทดแทนได้ พืช แหล่งที่มา
ลิกนิน เป็นวัสดุที่เป็นส่วนประกอบของผนังเซลล์ของพืชบกแห้งทุกชนิด เป็นโพลีเมอร์ธรรมชาติที่มีมากเป็นอันดับสองรองจากเซลลูโลส วัสดุนี้เป็นโพลีเมอร์ชนิดเดียวที่พบในพืชซึ่งไม่มีส่วนประกอบของคาร์โบไฮเดรต (น้ำตาล) โมโนเมอร์ พอลิเมอร์ชีวภาพลิกโนเซลลูโลสให้รูปร่าง ความเสถียร ความแข็งแรง และความแข็งแกร่งแก่พืช พอลิเมอร์ชีวภาพลิกโนเซลลูโลสประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก 30 ส่วน ได้แก่ เซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสเป็นโครงร่างที่ลิกนินถูกรวมเข้าไว้เป็นตัวเชื่อมชนิดหนึ่ง ซึ่งจะทำให้ผนังเซลล์แข็งตัว การทำให้ผนังเซลล์แข็งตัวทำให้พืชทนต่อลมและแมลงศัตรูพืช และช่วยให้พืชไม่เน่าเปื่อย ลิกนินเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนจำนวนมหาศาลแต่ยังไม่ค่อยมีการใช้ประโยชน์มากนัก ลิกนินซึ่งคิดเป็นร้อยละ 13 ของชีวมวลลิกโนเซลลูโลสถือเป็นสมบัติที่ยังไม่ได้ใช้ประโยชน์ อย่างน้อยก็จากมุมมองทางเคมี อุตสาหกรรมเคมีส่วนใหญ่อาศัยสารประกอบคาร์บอนเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น สี เส้นใยเทียม ปุ๋ย และที่สำคัญที่สุดคือพลาสติก อุตสาหกรรมนี้ใช้ทรัพยากรหมุนเวียนบางอย่าง เช่น น้ำมันพืช แป้ง เซลลูโลส ฯลฯ แต่มีเพียง XNUMX เปอร์เซ็นต์ของสารประกอบทั้งหมด
ลิกนิน ทางเลือกใหม่ของปิโตรเลียมในการผลิตสินค้า
อันที่จริงลิกนินเป็นแหล่งพลังงานทดแทนแหล่งเดียวในโลกที่มีสารประกอบอะโรมาติกจำนวนมาก สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากโดยทั่วไปแล้วสารประกอบอะโรมาติกจะถูกสกัดจากแหล่งปิโตรเลียมที่ไม่หมุนเวียนแล้วนำไปใช้ในการผลิต พลาสติก, สีทา ฯลฯ ดังนั้นศักยภาพของลิกนินจึงสูงมาก เมื่อเปรียบเทียบกับปิโตรเลียมซึ่งเป็นเชื้อเพลิงฟอสซิลที่ไม่หมุนเวียน ลิกโนเซลลูโลสได้มาจาก ไม้ฟางหรือหญ้ามิสแคนทัสซึ่งเป็นแหล่งหมุนเวียน ลิกนินสามารถปลูกได้ในทุ่งนาและป่าไม้ และโดยทั่วไปมีความเป็นกลางต่อสภาพอากาศ ลิกโนเซลลูโลสถือเป็นทางเลือกที่สำคัญแทนปิโตรเลียมในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา ปิโตรเลียมเป็นตัวขับเคลื่อนอุตสาหกรรมเคมีในปัจจุบัน ปิโตรเลียมเป็นวัตถุดิบสำหรับสารเคมีพื้นฐานหลายชนิดซึ่งนำไปใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ แต่ปิโตรเลียมเป็นแหล่งที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้และกำลังลดน้อยลง ดังนั้น จึงต้องให้ความสำคัญกับการหาแหล่งหมุนเวียน สิ่งนี้นำลิกนินมาสู่ภาพซึ่งดูเหมือนจะเป็นทางเลือกที่น่าสนใจมาก
ลิกนินเต็มไปด้วยพลังงานสูง แต่การดึงพลังงานนี้ออกมานั้นซับซ้อนและเป็นกระบวนการที่มีราคาแพง ดังนั้น แม้แต่เชื้อเพลิงชีวภาพก็ถูกสร้างขึ้นเนื่องจากผลลัพธ์ที่ได้โดยทั่วไปจะมีต้นทุนที่สูงมาก และไม่สามารถทดแทน “พลังงานการคมนาคม” ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันได้ในเชิงเศรษฐกิจ มีการค้นคว้าวิธีการมากมายเพื่อพัฒนาวิธีการทำลายลิกนินที่คุ้มค่าและแปลงเป็นสารเคมีที่มีคุณค่า อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดหลายประการที่จำกัดการแปลงสสารของพืชสัมผัส เช่น ลิกนิน ให้ถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานทดแทน หรือแม้แต่พยายามทำให้ต้นทุนมีประสิทธิภาพมากขึ้น การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ประสบความสำเร็จในการออกแบบแบคทีเรีย (E. Coli) ให้ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตเซลล์ bioconversion ที่มีประสิทธิภาพและประสิทธิผล แบคทีเรีย เติบโตและทวีคูณอย่างรวดเร็วและสามารถทนต่อกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่รุนแรงได้ ข้อมูลนี้รวมกับความเข้าใจเกี่ยวกับสารย่อยสลายลิกนินที่มีอยู่ตามธรรมชาติ ผลงานได้รับการตีพิมพ์ใน การดำเนินการของ National Academy of Science USA.
ทีมนักวิจัยที่นำโดย Dr Seema Singh จาก Sandia National Laboratories ได้แก้ไขปัญหาหลักสามประการที่พบในการเปลี่ยนลิกนินให้เป็นสารเคมีในแพลตฟอร์ม อุปสรรคสำคัญประการแรกก็คือ แบคทีเรีย โดยทั่วไปแล้ว อี.โคไลไม่ได้ผลิตเอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับการแปลงสภาพ นักวิทยาศาสตร์มีแนวโน้มที่จะแก้ปัญหาในการสร้างเอนไซม์โดยการเพิ่ม "ตัวเหนี่ยวนำ" ลงในวงแหวนการหมัก ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้มีประสิทธิภาพแต่มีราคาแพงมาก จึงไม่เหมาะกับแนวคิดเรื่องโรงกลั่นชีวภาพ นักวิจัยได้ลองใช้แนวคิดที่ใช้สารประกอบลิกนิน เช่น วานิลลา เป็นสารตั้งต้นและตัวเหนี่ยวนำโดยวิศวกรรม แบคทีเรีย อีโคไล สิ่งนี้จะข้ามความต้องการตัวเหนี่ยวนำที่มีราคาแพง ตามที่กลุ่มค้นพบ วานิลลาไม่ใช่ตัวเลือกที่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อลิกนินสลายตัว วานิลลาจะถูกผลิตในปริมาณมาก และเริ่มยับยั้งการทำงานของอีโคไล กล่าวคือ วานิลลาเริ่มสร้างความเป็นพิษ แต่สิ่งนี้ได้ผลเมื่อพวกเขาออกแบบ แบคทีเรีย- ในสถานการณ์ใหม่ สารเคมีที่เป็นพิษต่อ E.Coli จะถูกนำมาใช้เพื่อเริ่มต้นกระบวนการที่ซับซ้อนของ "การแปรสภาพลิกนิน" เมื่อวานิลลาปรากฏ มันจะกระตุ้นเอนไซม์และแบคทีเรียเริ่มเปลี่ยนวานิลลินเป็นคาเทคอล ซึ่งเป็นสารเคมีที่ต้องการ นอกจากนี้ปริมาณวานิลลินไม่เคยถึงระดับที่เป็นพิษเนื่องจากได้รับการควบคุมอัตโนมัติในระบบปัจจุบัน ปัญหาที่สามและสุดท้ายคือเรื่องประสิทธิภาพ ระบบการแปลงช้าและไม่โต้ตอบ ดังนั้นนักวิจัยจึงพิจารณาตัวขนส่งที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นจากแบคทีเรียอื่น ๆ และออกแบบให้เป็น E. Coli ซึ่งติดตามกระบวนการอย่างรวดเร็ว การเอาชนะปัญหาความเป็นพิษและประสิทธิภาพด้วยโซลูชั่นที่เป็นนวัตกรรมดังกล่าวสามารถช่วยให้การผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพเป็นกระบวนการที่ประหยัดมากขึ้น และการกำจัดตัวเหนี่ยวนำภายนอกพร้อมกับการควบคุมอัตโนมัติสามารถเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพได้
เป็นที่ทราบกันดีว่าเมื่อลิกนินถูกย่อยสลาย ลิกนินสามารถให้หรือ “มอบ” สารเคมีที่มีค่าจากแท่นซึ่งต่อมาสามารถเปลี่ยนเป็นไนลอน พลาสติก ยา และผลิตภัณฑ์สำคัญอื่นๆ ซึ่งปัจจุบันได้มาจากปิโตรเลียม - แหล่งพลังงานหมุนเวียน การศึกษานี้มีความเกี่ยวข้องในการเป็นก้าวไปสู่การวิจัยและพัฒนาโซลูชั่นที่คุ้มค่าสำหรับเชื้อเพลิงชีวภาพและการผลิตทางชีวภาพ การใช้เทคโนโลยีวิศวกรรมชีวภาพทำให้เราสามารถผลิตสารเคมีสำหรับแท่นชั่งและผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอื่นๆ ได้จำนวนมากขึ้น ไม่ใช่แค่กับแบคทีเรีย E.Coli แต่ยังรวมถึงจุลินทรีย์อื่นๆ ด้วย การวิจัยในอนาคตของผู้เขียนจะเน้นที่การสาธิตการผลิตผลิตภัณฑ์เหล่านี้อย่างประหยัด งานวิจัยนี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อกระบวนการสร้างพลังงานและการขยายขอบเขตความเป็นไปได้สำหรับผลิตภัณฑ์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ผู้เขียนตั้งข้อสังเกตว่าในอนาคตอันใกล้นี้ลิกโนเซลลูโลสควรเสริมปิโตรเลียมอย่างแน่นอนหากไม่แทนที่
***
{คุณสามารถอ่านรายงานการวิจัยต้นฉบับได้โดยคลิกลิงก์ DOI ที่ระบุด้านล่างในรายการแหล่งที่มาที่อ้างอิง}
แหล่งที่มา (s)
Wu W และคณะ 2018. มุ่งสู่วิศวกรรม E. coli ด้วยระบบควบคุมอัตโนมัติสำหรับลิกนิน valorization', กิจการของ National Academy of Sciences. 115(12) https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
