Vodja projekta: dr. Edita Jasiukaitytė-Grojzdek

Lignin, ki je del lignocelulozne biomase, je kompleksen aromatski biopolimer, ki omogoča proizvodnjo velikih količin aromatskih spojin. Čeprav je lignin najbolj kompleksen lignocelulozni biopolimer, zaradi svojih raznolikih gradnikov in naključne sklopljenosti predstavlja veliko priložnost za razvoj trajnostnih in koristnih izdelkov. Večina aromatskih ogljikovodikov, ki se uporabljajo kot topila in polimeri, se še vedno proizvaja na osnovi naftnih derivatov. Monomeri in oligomeri na osnovi lignina so obetavni zaradi prisotnosti aromatskih obročev in funkcionalnih skupin, ki omogočajo številne derivatizacije. Znanstveno in industrijsko skupnost zanima razvoj novih poti za izolacijo, frakcioniranje in (de)funkcionalizacijo lignina, čiščenje in testiranje v polimernih formulacijah.

Eden od obetavnih načinov depolimerizacije lignina je uporaba glivnih encimov. Glive, zlasti glive bele trohnobe, lahko razgradijo lignin z uporabo različnih encimov, vključno z lakazami, lignin peroksidazami, mangan peroksidazami in številnimi vsestranskimi peroksidazami. Ti encimi delujejo sinergično, da depolimerizirajo lignin in sprostijo fenolne spojine, ki so prisotne v strukturi lignina. Glive bele trohnobe so bile obsežno preučene zaradi njihovega potenciala za selektivno odstranjevanje lignina iz lignocelulozne biomase, s čimer se sprostita celuloza in hemiceluloza za nadaljnjo predelavo. Drugi način za delignifikacijo lignocelulozne biomase so evtektična topila (ang. deep eutectic solvents, DES) in so kot alternativno zeleno topilo v nasprotju s konvencionalnimi topili, pridobljena iz fosilnih virov. DES se uporabljajo za ekstrakcijo lignina iz lesne biomase. Preučevali so jih tudi za povečanje topnosti lignina, ki sicer ni topen v vodi. Dokazano je bilo, da uporaba nekaterih DES kot topila za biotransformacije z encimi, kot sta lakaza in mangan peroksidaza, izboljša aktivnost encimov v primerjavi z aktivnostjo encimov običajnih pufrnih raztopin. Kombinacija večje topnosti lignina v DES, ki prav tako poveča aktivnost encimov, ki jih izločajo glive, predstavlja zanimivo možnost za izvajanje fermentacije lignina z glivami v DES.

Cilj projekta je razvoj novega proizvodnega sistema za pridobivanje aromatičnih monomerov ali oligomerov iz lignina. Projekt vključuje 5 zaporednih ciljev, vključno z optimizacijo seva Pleurotus ostreatus za izločanje ligninskih peroksidaz, mangan peroksidaz, vsestranskih peroksidaz in lakaz. Spore gliv bodo vgrajene v sferične delce, natisnjene s 3D tiskalniki, te pa bodo preizkušeni v kasnejši fermentaciji. Pripravljen bo tudi nevtralen DES s pH 4,5-5, najbolj učinkovita kombinacija lignin-DES pa bo izbrana za razvoj enostopenjskega (»one-pot«) sistema. Slednji korak bo ključnega pomena za potrditev industrijske izvedljivosti postopka "one-pot" za proizvodnjo monomerov in oligomerov ali pa bo vsaj zagotovil informacije o omejitvah takšnega načina delovanja. Zadnja cilja sta razvoj nadaljnjih postopkov za ločevanje monomerov in oligomerov ter kinetično modeliranje celotnega procesa, da bi izboljšali razumevanje procesa. Raziskave lahko prinesejo pomembne okoljske in gospodarske koristi, saj je lignina veliko, je cenovno ugoden in premalo izkoriščen. Uporablja se lahko za proizvodnjo aromatičnih ogljikovih hidratov, ki se lahko uporabljajo v različnih industrijah ali pa tudi kot končni proizvodi z dodano vrednostjo. Predlagana metoda uporabe gliv in DES za depolimerizacijo lignina v monomere in oligomere lahko ustvari trajnosten in stroškovno učinkovit postopek, ki lahko poveča vrednost lignina.

Projekt financira ARIS v okviru cenovne kategorije C za obdobje 3 let v obsegu 2.173 letnimi urami. Pričetek financiranja je 01.10.2023.

Na Kemijskem inštitutu v projektni skupini sodelujejo:

Dr. Edita Jasiukaityte; 27687; Edita Jasiukaityte (cobiss.net)

Dr. Miha Grilc; 34522; Miha Grilc (cobiss.net)

Dr. Filipa A. Andre Vicente; 52995; Filipa A. Andre Vicente (cobiss.net)

Dr. Giorgio Tofani; 56733; Giorgio Tofani (cobiss.net)

Dr. Miša Mojca Cajnko; 37381; Miša Mojca Cajnko (cobiss.net)

Tina Ročnik; 54883; Tina Ročnik (cobiss.net)

Žan Lavrič; 56490; Žan Lavrič (cobiss.net)

Priprava in testiranje biokatalizatorja

• Gojenje gliv in priprava inokuluma
• Priprava sistema glivnega biokatalizatorja
• Karakterizacija glivnih biokatalizatorskih sistemov

Razvoj dovodne raztopine lignina na osnovi DES

• Priprava skoraj nevtralnega DES
• Izolacija in karakterizacija lignina (izolacija lignina iz različnih vrst biomase, razvoj protokola frakcionacije, karakterizacija lignina in monomerov, pridobljenih iz lignina)
• Preučevanje topnosti lignina v skoraj nevtralnem DES

Razvoj enostopenjskega (»one-pot«) sistema za depolimerizacijo lignina

• Gradnja sistema in predhodni preizkusi v serijskem načinu
• Dodatek modula za ultrafiltracijo in testiranje neprekinjenega načina delovanja

Pot do končnih produktov

• Nadaljnja predelava in karakterizacija produktov
• Priprava formulacij
• Preizkušanje formulacij

Razvoj metodologije kinetičnega modeliranja

• Razvoj reakcijske poti
• Opisni enotni kinetični model
• Napovedni enotni model lignina

Razširjanje in poročanje