东方时讯网当大自然设计木质素时——赋予植物刚性结构的纤维状木质材料——它没有偷工减料。木质素分解速度极慢，非常坚固耐用，可以抵抗细菌和腐烂。
那么来自农田、啤酒厂和造纸厂的所有木质素废物会怎样呢?其中大部分被燃烧或掩埋，产生污染并浪费了一种潜在的可再生资源。
现在，西北大学的研究人员已经开发出一种可持续的、廉价的两步工艺，可以升级回收有机碳废物——包括木质素。通过微生物驱动的生物精炼厂处理废物，研究人员将木质素转化为碳源，可用于高价值的植物衍生药物和抗氧化保健品以及用于药物或化学品输送的碳基纳米颗粒。
该研究登上了ACS可持续化学与工程杂志1月号的封面。
“木质素应该具有巨大的价值，但它本质上被视为废物，”领导这项研究的西北大学的金伯利格雷说。“木质素占生物质的20-30%，但占能量的40%，这很多，但很难利用这种能源。大自然使木质素难以加工，以至于人们还没有弄清楚如何使用它。几十年来，研究人员一直在努力解决这个问题。以炼油厂为模板，我们开发了一种生物精炼厂，可以吸收废物流并生产高价值产品。”
Gray是Roxelyn和RichardPepper土木与环境工程家族，也是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程教授。
大自然的建筑材料
木质素是世界上最丰富的有机聚合物之一，存在于所有维管植物中。木质素存在于细胞壁之间，可为强壮、坚固的植物(如树木)提供结构支撑。没有木质素，木材和树皮会太脆弱而无法支撑树木。木屋和家具会倒塌。
但是大多数使用植物的行业——例如造纸业和酿造业——都去除了木质素，留下了纤维素，一种糖。工业团队没有使用大自然的超耐材料，而是将木质素作为廉价燃料燃烧。
“人类想要摆脱木质素以获取糖分，”格雷说。“他们发酵纤维素来制造酒精或加工它来制造纸浆。然后他们如何处理木质素?他们将其作为低质量燃料燃烧。这是一种浪费。”
细菌驱动的燃料电池
为了开发用于分解包括木质素在内的碳废物的生物精炼厂，研究人员首先设计了微生物电解池(MEC)。与燃料电池类似，MEC在阳极和阴极之间交换能量。但是西北大学的生物阳极不是基于金属的阳极，而是包含放电原——一种通过吃有机物自然产生电能的细菌。
“微生物起到了催化剂的作用，”该研究的合著者、麦考密克大学土木与环境工程副教授乔治·威尔斯说。“我们没有使用通常非常昂贵且需要高温的化学催化剂，而是使用生物学作为催化剂。”
MEC的美妙之处在于它可以处理任何类型的有机废物——人类、农业或工业。MEC通过细菌循环充满废物的水，细菌会消耗掉碳。在这里，它们将有机碳降解为二氧化碳，然后自然呼吸电子。在此过程中，提取的电子从生物阳极流向阴极(由碳布制成)，在那里它们还原氧气以生成水。该过程消耗质子，提高水的pH值，将其变成苛性碱溶液。从那里，苛性碱溶液可用于任何数量的应用，包括废水处理。
“这个过程的另一个好处是它可以有效地处理废水以去除有害的有机碳，”Wells说。“所以，关键产品是干净的水。”
但是研究人员拿走了腐蚀性物质并将注意力转回到木质素上。木质素化合物经久耐用，因为它们含有复杂的芳香碳链，这些芳香碳链具有形成六个碳原子环的特殊键合模式。每个芳香环都包含交替的双键和单键，它们很难分开。
然而，当研究人员将木质素暴露于生物基腐蚀性化学品时，木质素的聚合物会以保留芳香环的方式分解。大约17%的加工木质素转化为称为类黄酮的碳环，这是一种富含抗氧化剂的植物营养素，常见于补充剂中。这些环通常用于药物化学，可用作廉价药物和补充剂的植物来源的可持续前体。
“它打破了聚合物键，但有选择地离开了环，”格雷说。“如果你能保留那个环，那么你就可以制造高价值的材料。化学家已经开发出可以分解整个化合物的催化剂，然后他们必须重建这个环。但我们能够有选择地打破它以保留有价值的结构”
其余经过加工的木质素(约80%)变成了碳基纳米粒子，可用于包含用于人体靶向药物输送或植物靶向营养输送的物质。纳米粒子还可以为防晒霜和化妆品提供可持续的植物来源替代品。
“从多种废物流中确定和探索可持续资源回收途径令人兴奋，”威尔斯说。“我们有大量的废水和木质素流，单独处理它们的成本很高。我们正试图将它们重新想象为价值的来源。”
回收不含危险化学品的资源
尽管研究人员本可以使用市售的腐蚀性物质来处理木质素，但他们基于MEC的方法具有许多优势。首先，绿色生物基化学品效果更好。其次，它更安全、更便宜，可以在环境条件下使用，并且可以在需要时产生化学物质。
“有许多腐蚀性物质，例如氢氧化钠，常用于许多工业过程和废水处理，”Wells说。“但这涉及运输和储存大量有毒化学品。这不仅昂贵，而且对公众健康有害。在现场从废物中产生化学品更安全、更可持续。我们避免运输或储存大量大量的危险化学品，不依赖于供应链或卡车准时到达。它使我们能够灵活和适应性地在需要时就地生产化学品。”
这项名为“温和条件下木质素的增值：生物精炼类黄酮和木质素纳米颗粒”的研究得到了西北大学麦考密克工程学院有限地球计划的支持。