Alors, qu’advient-il de tous les déchets de lignine provenant des terres agricoles, des brasseries et des papeteries ? La majeure partie est brûlée ou enterrée, générant de la pollution et gaspillant une ressource renouvelable potentielle.

Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université Northwestern ont mis au point un processus en deux étapes durable et peu coûteux qui peut recycler les déchets de carbone organique, y compris la lignine. En traitant les déchets dans une bioraffinerie pilotée par des microbes, les chercheurs ont transformé la lignine en sources de carbone pouvant être utilisées dans des produits pharmaceutiques et nutraceutiques antioxydants de grande valeur, ainsi que des nanoparticules à base de carbone pour l’administration de médicaments ou de produits chimiques.

L’étude a fait la couverture du numéro de janvier de la revue ACS Chimie et Ingénierie Durables.

« La lignine devrait avoir une valeur énorme, mais elle est intrinsèquement considérée comme un déchet », a déclaré Kimberly Gray de Northwestern, qui a dirigé la recherche. « La lignine représente 20 à 30 % de la biomasse mais 40 % de l’énergie, ce qui est beaucoup, mais il est difficile d’exploiter cette source d’énergie. La nature a rendu la lignine si récalcitrante à la transformation que les gens n’ont pas compris comment l’utiliser. Les chercheurs tentent de résoudre ce problème depuis des décennies. En utilisant une raffinerie de pétrole comme modèle, nous avons développé une bioraffinerie qui absorbe les flux de déchets et produit des produits de grande valeur.

Gray est titulaire de la chaire de la famille Roxelyn et Richard Pepper en génie civil et environnemental et professeur de génie civil et environnemental à la McCormick School of Engineering de Northwestern.

Le matériau de construction de la nature

L’un des polymères organiques les plus abondants au monde, la lignine est présente dans toutes les plantes vasculaires. Présente entre les parois cellulaires, la lignine donne aux plantes fortes et robustes, comme les arbres, un soutien structurel. Sans lignine, le bois et l’écorce seraient trop faibles pour supporter les arbres. Et les maisons et les meubles en bois s’effondreraient tout simplement.

Mais la plupart des industries qui utilisent des plantes – telles que les industries de la fabrication du papier et de la brasserie – éliminent la lignine, laissant derrière elles la cellulose, un type de sucre. Au lieu d’utiliser le matériau ultra-résistant de la nature, les équipes industrielles brûlent la lignine comme combustible bon marché.

« Les humains veulent se débarrasser de la lignine pour atteindre les sucres », a déclaré Gray. « Ils fermentent la cellulose pour en faire de l’alcool ou la transforment en pâte à papier. Alors que font-ils de la lignine ? Ils la brûlent comme combustible de mauvaise qualité. C’est un déchet. »

Pile à combustible alimentée par des bactéries

Pour développer une bioraffinerie permettant de décomposer les déchets carbonés, y compris la lignine, les chercheurs ont d’abord conçu une cellule d’électrolyse microbienne (MEC). Semblable à une pile à combustible, le MEC échange de l’énergie entre une anode et une cathode. Mais au lieu d’une anode à base de métal, la bio-anode de Northwestern comprend des exoélectrogènes – un type de bactérie qui génère naturellement de l’énergie électrique en mangeant de la matière organique.

« Les microbes agissent comme un catalyseur », a déclaré le co-auteur de l’étude, George Wells, professeur agrégé de génie civil et environnemental à McCormick. « Au lieu d’utiliser des catalyseurs chimiques, qui sont souvent très coûteux et nécessitent des températures élevées, nous utilisons la biologie comme catalyseur. »

La beauté du MEC est qu’il peut traiter n’importe quel type de déchets organiques – humains, agricoles ou industriels. Le MEC fait passer l’eau remplie de déchets à travers les bactéries, qui dévorent le carbone. Ici, ils dégradent le carbone organique en dioxyde de carbone, puis respirent naturellement les électrons. Au cours de ce processus, les électrons extraits circulent de la bio-anode vers la cathode (faite d’un tissu de carbone), où ils réduisent l’oxygène pour générer de l’eau. Le processus consomme des protons, faisant monter le pH de l’eau pour la transformer en une solution caustique. À partir de là, la solution caustique pourrait être utilisée pour un certain nombre d’applications, y compris le traitement des eaux usées.

« Un autre avantage de ce processus est qu’il traite efficacement les eaux usées pour éliminer le carbone organique nuisible », a déclaré Wells. « Donc, un produit clé est l’eau propre. »

Mais les chercheurs ont pris la substance caustique et ont reporté leur attention sur la lignine. Les composés de lignine sont durables car ils contiennent des chaînes complexes de carbone aromatique, qui ont un motif de liaison spécial qui forme un anneau de six atomes de carbone. Chaque cycle aromatique comprend des liaisons doubles et simples alternées, qui sont incroyablement difficiles à séparer.

Briser les liens « incassables »

Cependant, lorsque les chercheurs ont exposé la lignine au produit chimique caustique d’origine biologique, les polymères de la lignine se sont séparés d’une manière qui a préservé les anneaux aromatiques. Environ 17 % de la lignine transformée s’est transformée en anneaux de carbone appelés flavonoïdes, un phytonutriment riche en antioxydants que l’on trouve souvent dans les suppléments. Couramment utilisés en chimie médicinale, ces anneaux pourraient être utilisés comme précurseurs durables dérivés de plantes pour des produits pharmaceutiques et des suppléments bon marché.

« Il brise les liaisons polymères mais quitte sélectivement l’anneau », a déclaré Gray. « Si vous pouvez préserver cet anneau, vous pouvez fabriquer des matériaux de grande valeur. Les chimistes ont développé des catalyseurs qui décomposent l’ensemble du composé, puis ils doivent reconstruire l’anneau. Mais nous avons pu le casser de manière sélective pour préserver les structures précieuses. . »

Le reste de la lignine traitée (environ 80 %) est devenu des nanoparticules à base de carbone, qui pourraient être utilisées pour englober des substances pour l’administration ciblée de médicaments chez l’homme ou l’administration ciblée de nutriments dans les plantes. Les nanoparticules pourraient également offrir une alternative durable d’origine végétale pour les écrans solaires et les cosmétiques.

« Il est passionnant d’identifier et d’explorer une voie de récupération durable des ressources à partir de multiples flux de déchets », a déclaré Wells. « Nous avons d’énormes flux d’eaux usées et de lignine qui coûtent cher à traiter seuls. Nous essayons de les réinventer en tant que sources de valeur. »

Récupérer les ressources sans produits chimiques dangereux

Bien que les chercheurs auraient pu utiliser une substance caustique disponible dans le commerce pour traiter la lignine, leur approche basée sur les MEC présente de nombreux avantages. Tout d’abord, le produit chimique biosourcé vert fonctionne mieux. Deuxièmement, il est plus sûr, moins coûteux, peut être utilisé dans des conditions ambiantes et peut générer des produits chimiques au point de besoin.

« Il existe de nombreuses substances caustiques, telles que l’hydroxyde de sodium, qui sont couramment utilisées dans de nombreux procédés industriels et dans le traitement des eaux usées », a déclaré Wells. « Mais cela implique l’expédition et le stockage de grandes quantités de produits chimiques toxiques. Non seulement cela coûte cher, mais c’est aussi dangereux pour la santé publique. Il est beaucoup plus sûr et plus durable de générer des produits chimiques sur place à partir de déchets. Nous évitons d’avoir à expédier ou à stocker de grandes quantités de produits chimiques dangereux et ne dépendent pas des chaînes d’approvisionnement ou des camions qui arrivent à l’heure. Cela nous donne la flexibilité et l’adaptabilité nécessaires pour générer des produits chimiques directement sur place quand ils sont nécessaires.