Новый метод превращает древесные отходы в ключевой компонент для производства нейлона

Нейлон является одним из самых широко используемых синтетических материалов в мире, однако его производство по-прежнему в значительной степени зависит от ископаемого топлива и энергоёмких промышленных процессов. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные предложили потенциально более экологичную альтернативу: преобразование растительного сырья в ключевой компонент для производства нейлона с помощью комбинированного химико-биологического подхода.

В центре работы оказался лигнин — прочный древесный компонент растений, который часто рассматривается как побочный продукт и либо сжигается, либо утилизируется с минимальной добавленной стоимостью. Между тем лигнин является одним из самых распространённых органических материалов на планете и считается крупнейшим недоиспользуемым компонентом биомассы. Ежегодно миллионы тонн лигнина образуются в бумажной и биотопливной промышленности, однако в большинстве случаев он используется лишь как низкоэффективное топливо.

Проблема заключается в том, что, несмотря на высокий потенциал, лигнин имеет крайне сложную и вариативную структуру. Он состоит из богатых углеродом ароматических соединений, которые теоретически можно превращать в ценные химические продукты, однако на практике его переработка остаётся крайне сложной. При промышленной обработке лигнин часто разрушается неравномерно, образуя сложные смеси фенольных соединений, которые трудно разделять и очищать. В результате существующие методы преобразования дают выход целевого продукта примерно на уровне около 20%, что делает их экономически непривлекательными.

Новая технология предлагает гибридный подход, сочетающий традиционные химические процессы нефтепереработки и работу специально модифицированных микроорганизмов. Процесс начинается с древесной щепы тополя, из которой извлекается лигнин и перерабатывается в масло, богатое ароматическими соединениями. Далее это масло проходит стадию химической обработки, в ходе которой удаляются нежелательные кислородсодержащие группы, а затем следует этап преобразования в водорастворимые ароматические кислоты.

После химической подготовки в процесс включаются биологические элементы системы. Учёные использовали модифицированную бактерию Pseudomonas putida, способную преобразовывать большую часть ароматических карбоновых кислот в муконолактон. Этот промежуточный продукт затем может быть дополнительно химически преобразован в адипиновую кислоту — один из ключевых компонентов для производства нейлона.

Экспериментальные результаты показали, что разработанный метод позволяет достичь выхода адипиновой кислоты около 26% по массе от исходного лигнина. При этом исследователи отмечают, что при дальнейшей оптимизации процесса этот показатель потенциально может быть увеличен до 57%. Дополнительно было показано, что технология работает не только с тополем, но и с другими видами древесины, включая сосну и берёзу, что указывает на её широкую применимость к различным видам лигнинового сырья.

Таким образом, предложенный подход может стать основой для более устойчивого производства нейлона, снижая зависимость от нефти и одновременно повышая ценность растительных отходов, которые сегодня в основном не используются эффективно.