Prof Pasch's research group in SU's Department of Chemistry and Polymer Science is regarded as one of the leading groups in this field. Another expert in the group is Dr Helen Pfukwa, who has done extensive research on lignin valorization. On top of revalorising an agricultural waste product, this type of research opens the way for lessening our dependence on fossil fuels, by replacing fossil fuel-derived polymers with environmentally friendly bio-based polymers.
Caption: Stellenbosch University polymer scientist Dr Ndumiso Sibanda developed a novel method to break down waste lignin as part of his doctoral research. He will receive his doctoral degree in Chemistry and Polymer Science during SU's April 2022 graduation ceremonies. Photo: Stefan Els
US polimeerwetenskaplikes ontwikkel nuwe metode om lignien af te breek
Polimeerwetenskaplikes by die Universiteit Stellenbosch (US) het 'n nuwe metode ontwikkel om lignien – 'n neweproduk in die papiervervaardigingsproses – af te breek tot waardevolle chemikalieë wat gebruik kan word as rou materiale in die chemikalieë- en polimeervervaardigingsbedryf.
Lignien is een van die hoof komponente van bome en plante, maar om dit in eenvoudige molekules af te breek, is geen eenvoudige proses nie. Wêreldwyd genereer die papierindustrie ongeveer 50 miljoen ton lignien per jaar as neweproduk. Alhoewel dit ontgin kan word as plaasvervanger vir fossielbrandstofgebaseerde polimere, word die meeste daarvan (98%) slegs verbrand as brandstof vir die papiermeule.
Dr Ndumiso Sibanda, wat die metode ontwikkel het as deel van sy doktorale proefskrif, sê hy stel spesifiek daarin belang om innoverende en doelgemaakte wetenskaplike oplossings te vind vir van die meer uitdagende vrae wat die polimeer-, farmaseutiese en plastiekindustrie in die gesig staar. Hy ontvang sy PhD hierdie week gedurende die US se herfsgradeplegtigheid.
"My belangstelling in bioraffinadery-ontwikkeling is geprikkel toe ek in 2017 as MSc-student deel geword het van Prof Harald Pasch se navorsingsgroep. Bioraffinaderymetodes is baie waardevol in ons huidige samelewing waar die ophoop van afval en hulpbronuitputting 'n negatiewe impak op sosiale en omgewingsvlak het," verduidelik hy.
Prof Pasch se navorsingsgroep in die US se Departement Chemie en Polimeerwetenskap word beskou as een van die voorste navorsingsgroepe op hierdie gebied. Nog 'n kundige in hierdie groep is Dr Helen Pfukwa, wat uitgebreide navorsing gedoen het oor waardetoevoeging tot lignien as 'n landbouafvalproduk. Boonop baan hierdie tipe navorsing ook die weg vir ons om ons afhanklikheid van fossielbrandstowwe te verminder, deurdat polimere afkomstig van fossielbrandstowwe, vervang word met omgewingsvriendelike biogebaseerde polimere.
Dr Sibanda sê lignien het 'n baie komplekse, dog veelsydige molekulêre struktuur. Daarom is dit moontlik om nuwe funksionele polimere soos biomateriale, slim polimere en selfs polimere wat as afleweraars van geneesmiddels kan optree, te sintetiseer.
"Oor die algemeen het polimere wat gesintetiseer is uit lignien-afgeleide monomere en hulle afgeleides, hoë glasoorgangstemperature (Tg's genoem) en is hulle termies stabiel met goeie meganiese eienskappe. Dit maak hulle aantreklike plaasvervangers vir fossielbrandstofafgeleide stirene in die sintese van plastiek wat weerstandig is teen hoë temperature, gevorderde samestellings en resene."
Die metode is sedertdien gepatenteer en hulle werk nou saam met die US se Departement Prosesingenieurswese om die metode op 'n groter skaal te ontwikkel: "Ons is tans op tegniese gereedheidsvlak 5, wat beteken dat ons aan 'n geïntegreerde benadering en waardetoevoeging van die protokol vir 'n loodsstudie in die fabriek werk."
Hoe werk die tegnologie?
Lignien is 'n baie komplekse makromolekule met 'n unieke struktuur. Die struktuur kan verskil, afhangend van die oorsprong van die hout en hoe dit vooraf behandel is.
"Chemici gebruik suurstof om hierdie komplekse makromolekules (polimere genoem) in kleiner molekules (bekend as komponentmonomere) af te breek deur middel van 'n proses wat bekend staan as depolimerisasie. In die geval van lignien lei die ligste oksidatiewe tegnieke egter nie tot die volledige omskakeling van lignien nie. Boonop kan oor-oksidasie lei tot strukture wat selfs méér kompleks is as die lignien waarmee die proses afgeskop het as die proses nie effektief gekontroleer word nie," verduidelik Dr Sibanda.
Sy metode, wat berus op die werk wat deur Dr Pfukwa gedoen is, hanteer sommige van hierdie uitdagings. Alhoewel dit steeds nie lei tot volledige omskakeling nie, verbeter dit die proses aansienlik deurdat dit rekombinasie-reaksies verhoed.
In die geval van lignien het hy daarin geslaag om die makromolekules tot verskeie nuttige chemikalieë af te breek: vanillien (die verbinding wat vanielje sy kenmerkende aroma gee) en siring-aldehiede ('n organiese verbinding wat in hout voorkom en as bousteen kan dien van funksionele polimeriese materiale. Siring-aldehiede is ook verantwoordelik vir die rokerige, warm en smeulende houtaromas in whiskey). Hierdie chemikalieë het 'n aromatiese funksionaliteit, wat beteken dat hulle 'n benseenring het − die eenvoudigste organiese en aromatiese koolwaterstof- en moederverbinding van talle belangrike aromatiese verbindings.
Sedert die 1950s is benseen uitsluitlik uit petroleum verkry en dit is steeds 'n belangrike bousteen in die vervaardiging van polistireen.
Hulle navorsing vind plaas in die konteks van 'n wyer poging in akademiese chemie om die volhoubare gebruik van hulpbronne te bevorder. Deur dit wat as 'n afvalproduk beskou word in waardevolle chemikalieë om te skakel, word die waardeketting van lignien uitgebrei en ons afhanklikheid van ruolie terselfdertyd verminder.
Dr Sibanda sê 'n groener toekoms vir die chemiese industrie is moontlik: "Ons het beleide nodig wat die chemiese en materiaalvervaardigingsbedryf aanmoedig om volhoubare ontwikkeling by hulle langtermynplanne in te sluit. Dit sal nywerhede aanspoor om dieselfde en soms selfs beter kwaliteit produkte te verskaf op 'n wyse wat omgewingsvolhoubaar is. Ons het ook meer geleenthede nodig vir samewerkende navorsing tussen die industrie en akademia," sluit hy af.
Opskrif: Dr Ndumiso Sibanda, 'n polimeerwetenskaplike van die Universiteit Stellenbosch het as deel van sy doktorale navorsing 'n nuwe metode ontwikkel om afvallignien af te breek. Hy ontvang sy doktorsgraad in Polimeerwetenskap gedurende die US se herfs 2022-gradeplegtigheid. Photo: Stefan Els