Nuovo processo per trasformare la lignina in sostanze chimiche di valore

Un gruppo di ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison ha messo a punto un nuovo metodo per convertire la lignina, un prodotto di scarto della biomassa, in sostanze chimiche semplici. “L’innovazione è un passo importante verso la sostituzione dei combustibili e prodotti chimici a base di petrolio con biomateriali rinnovabili”, spiega Shannon Stahl, un esperto di ‘chimica verde’ presso l’ateneo.

La lignina è la sostanza che rende gli alberi e gli steli di mais robusti, e rappresenta quasi il 30% del carbonio organico nella biosfera. Secondo Stahl, autore del rapporto pubblicato su Nature, la lignina è un prodotto di scarto dell’industria della carta e viene bruciata come combustibile di basso valore, mentre la cellulosa è il prodotto di valore.

La lignina è un materiale complesso formato da lunghe catene di anelli aromatici che potrebbero essere la base per un approvvigionamento sostenibile di prodotti chimici utili per la produzione, ad esempio, di bottiglie di plastica, pesticidi e prodotti farmaceutici. La lignina è la sola materia prima rinnovabile, disponibile in grosse quantità, che contiene anelli aromatici. Per sfruttare questa preziosa riserva naturale, però, è necessario suddividere le catene di lignina in singole unità e questa operazione è molto difficile da realizzare, soprattutto in un modo economicamente vantaggioso, a causa della elevata resistenza della lignina alla rottura.

Nel lavoro finanziato dal Great Lakes Bioenergy Research Center a UW-Madison, Stahl e i suoi colleghi hanno dimostrato che è possibile ottenere elevate rese di aromatici esponendo la lignina all’ossigeno e facendo seguire un trattamento con un acido debole in condizioni blande.
“La fase di ossidazione indebolisce i legami nelle catene della lignina – osserva Alireza Rahimi, ricercatore post-dottorato alla UW – e l’acido, poi, rompe i legami.” Nel corso del lavoro di ricerca, Rahimi ha tentato diversi approcci per rompere le catene di lignina utilizzando, ad esempio, il perossido d’idrogeno. Questa sostanza funziona ma nel processo vengono decomposti anche alcuni dei prodotti aromatici.

Mentre stavano sperimentando l’uso di metalli in condizioni acide, gli scienziati hanno scoperto che l’acido da solo offriva i migliori risultati. In queste condizioni, le unità aromatiche venivano prodotte con rese significativamente maggiori rispetto a quanto osservato precedentemente.

Qualsiasi processo di tipo industriale deve essere economico e Stahl afferma che il fatto di evitare l’uso dei metalli è uno dei numerosi vantaggi. “Le condizioni blande, con temperature relativamente basse (110°C) e basse pressioni, così come il fatto di non aver bisogno di catalizzatori metallici costosi, rende questo processo molto diverso da molti altri approcci.”

Stahl confessa che le sostanze chimiche ottenute mediante queste reazioni richiedono ulteriori lavorazioni prima di avere un reale valore di mercato. “Noi però abbiamo un vantaggio perché conosciamo i principali prodotti che stiamo facendo” dice Stahl riferendosi al lavoro svolto da Josh Coon, professore di chimica e co-autore dell’articolo. “La lignina è un polimero complesso, e non avevamo idea di quanto sarebbe stato facile identificare i prodotti di questo processo” afferma Coon.

Coon, esperto in chimica analitica e spettrometria di massa, ha dimostrato che la miscela dei prodotti corrisponde strettamente  alla distribuzione di sub-unità della lignina naturale.

Stahl vede la lignina come un materiale chiave per le future ‘bioraffinerie’ che userebbero biomassa rinnovabile, al posto del petrolio, come materia prima per la produzione di carburanti o prodotti chimici, riducendo al contempo l’impatto ambientale. “In questo campo la maggior parte dell’interesse è stato rivolto alla cellulosa, ma non credo che il valore presente in questo materiale sia sufficiente per competere con il petrolio, a meno che non riusciamo a generare valore anche dalla lignina”. Il processo descritto nella relazione, che è la base di una domanda di brevetto depositata per il Wisconsin Alumni Research Foundation, rappresenta un passo importante verso questo obiettivo.

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