Odpady przetwarzane za pomocą światła. Przełomowy projekt polskich chemików

Odpady z produkcji papieru czy przemysłu spożywczego mogą się stać surowcem do wytwarzania związków wykorzystywanych m.in. w farmacji i kosmetyce. Naukowcy z Instytutu Chemii Organicznej PAN pracują nad technologią, która do przetwarzania biomasy wykorzystuje światło i procesy elektrochemiczne. Docelowo ma ona pozwolić jednocześnie wytwarzać energię elektryczną i związki organiczne bez wykorzystania ropy naftowej. Zespół przeprowadził już pierwsze eksperymenty na prostych związkach, a kolejnym etapem będą prace m.in. nad ligniną.

– Projekt polega na szeroko pojętej konwersji biomasy, głównie skupiamy się na podejściu fotoelektrochemicznym. Jest ono stosowane na przykład w fotowoltaice, gdzie panele produkują prąd elektryczny. W naszym projekcie wykorzystujemy bardzo podobne układy, ale produkujemy nie tylko prąd, lecz także związki organiczne. Najbardziej skupiamy się na konwersji biomasy, czyli tego, co nas otacza i przeważnie jest odpadem, np. pulpy po produkcji papieru czy skorup po owocach morza. Docelowo chcemy przekształcać te produkty wtórne w związki użyteczne np. dla przemysłu farmaceutycznego czy kosmetycznego – mówi agencji Newseria dr Katarzyna Rybicka-Jasińska, kierownik zespołu w Instytucie Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk.

Jednym z wyzwań związanych z wykorzystaniem biomasy jest opracowanie metod, które pozwolą efektywnie przekształcać ją w związki o wyższej wartości. Fotoelektrochemia jest jednym z badanych w tym celu rozwiązań. Zgodnie z założeniami projektu wykorzystanie energii światła ma pozwolić prowadzić reakcje w łagodniejszych warunkach i ograniczyć ilość energii elektrycznej potrzebnej do ich przeprowadzenia.

– Generalnie zasada tego układu jest taka: mamy układ elektrochemiczny, czyli dwie elektrody – katodę i anodę. Jedna z nich jest pokryta materiałem fotoczułym. Pod wpływem światła, np. słonecznego, wzbudzamy elektrodę i dzięki temu prąd elektryczny płynie w całym układzie. Dzięki temu możemy poddać utlenieniu lub redukcji nasz materiał, czy to małe związki, monomery, czy też dużo większe – wyjaśnia dr Katarzyna Rybicka-Jasińska.

Zespół pracuje nad projektem od około półtora roku. Badania rozpoczęły się w październiku 2024 roku i zgodnie z harmonogramem mają potrwać do końca września 2028 roku. Badacze chcą opracować system, który pozwoli sterować przebiegiem reakcji i uzyskiwać z biomasy określone związki chemiczne o potencjalnym zastosowaniu przemysłowym.

– Na razie jesteśmy na początkowym, ale już dosyć zaawansowanym etapie. Udało nam się opracować kilka procedur przemiany małych związków organicznych, zarówno w elektrochemii, jak i w fotoelektrochemii. Teraz będziemy powoli zmierzać w kierunku rozbudowywania tych układów na większe, np. na ligninę pochodzącą z biomasy – zapowiada ekspertka.

Lignina jest jednym z głównych składników biomasy roślinnej i powstaje w dużych ilościach m.in. jako produkt uboczny przemysłu celulozowo-papierniczego. Według przeglądu badań opublikowanego w „Sustainable Chemistry for the Environment” światowa produkcja ligniny wynosi ok. 70 mln t rocznie, ale mniej niż 2 proc. jest wykorzystywane do wytwarzania produktów o wyższej wartości dodanej. Większość jest wykorzystywana jako źródło energii w zakładach celulozowo-papierniczych. Według danych Konfederacji Europejskiego Przemysłu Papierniczego (CEPI) europejski przemysł papierniczy wyprodukował w 2025 roku 77,4 mln t papieru i tektury, o 1,6 proc. mniej niż rok wcześniej.

Możliwości fotoelektrochemicznego przetwarzania ligniny są już badane przez inne zespoły. W pracy opublikowanej w 2026 roku w „EcoMat” opisano układ do bezpośredniego utleniania ligniny Krafta, który pracował stabilnie przez 28 godzin, a 80,6 proc. całkowitego prądu było wykorzystywane do jej utleniania.

– Fotoelektrochemiczna konwersja biomasy ma ogromny potencjał. To technologia szeroko wykorzystywana do produkcji prądu, chcielibyśmy do tego dodać jeszcze kolejny atut, czyli przy okazji produkcji prądu produkować również użyteczne związki, które nie będą pochodzić z ropy naftowej – tłumaczy dr Katarzyna Rybicka-Jasińska.

Przemysł jest jednym z głównych odbiorców ropy naftowej na świecie, a znaczna część zużywanego przez niego surowca trafia do produkcji chemikaliów. Jak podaje Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) w analizie opublikowanej w 2026 roku, przemysł odpowiada za ok. 20 proc. światowego zapotrzebowania na ropę, a około dwóch trzecich ropy zużywanej przez ten sektor służy jako surowiec dla przemysłu chemicznego.

– Mamy nadzieję, że ta technologia przyniesie taki efekt, że związki, które są nam potrzebne na co dzień, czy to w kosmetykach, czy w lekach, będą produkowane w dużo bardziej ekologiczny sposób i także taniej, dlatego że będzie mniejsze zapotrzebowanie na energię – podkreśla kierownik zespołu w Instytucie Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk.

Technologia jest jednak nadal na etapie badań. Autorzy przeglądu opublikowanego w sierpniu 2026 roku w „Bioresource Technology” wskazują, że do głównych wyzwań należą: przejście od prostych związków modelowych do rzeczywistych surowców pochodzących z biomasy, trwałość katalizatorów, skalowanie reaktorów oraz rozdzielanie otrzymywanych produktów.

Projekt „Fotoelektrochemiczna konwersja biomasy – krok w kierunku zrównoważonej syntezy związków chemicznych” jest realizowany w ramach działania FIRST TEAM realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Projekt otrzymał 3,55 mln zł dofinansowania ze środków pochodzących z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki.