Bedre biomassekonvertering til biobrændstoffer og bioprodukter

Bag den vellykkede omdannelse af biomasse til et bedre biobrændstof eller et nyt grønt kemikalie, der er et nøje udvalgt opløsningsmiddel. Det rigtige opløsningsmiddel opløser ikke kun biomasse, men driver også effektiviteten af ​​hele konverteringsprocessen, hvilket resulterer i højere udbytter og en lavere bundlinje.

For forskere ved Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), opløsningsmidlernes centrale rolle i omdannelsen af ​​non-food biomasse til biobrændstoffer og bioprodukter betyder, at de er modne til optimering. Bedre brug af opløsningsmidler kan forbedre økonomien i bioraffinaderier, skubbe en række nye og mere bæredygtige biobrændstoffer og bioprodukter på markedet, og give landmændene nye indtægtskilder.

Men de organiske opløsningsmidler, der bruges til biomasseomdannelse, er både kritiske for processen og lidt mystiske. Det er, videnskabsmænd forstår ikke grundlæggende "opløsningsmiddeleffekter - eller den rolle, opløsningsmidler kan spille i at ændre reaktionshastigheder, reaktionsveje, produktdistribution, eller udbytter.

"Vi har set opløsningsmiddeleffekter i reaktioner i mange år, siger Max Mellmer, en forskningsforsker ved Bristol-Myers Squibb og en tidligere kandidatstuderende ved University of Wisconsin-Madison i laboratoriet hos professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab James Dumesic. "Men vi forstår ikke, katalytisk, hvordan de fungerer."

Mens forskere af alle striber traditionelt har valgt forskellige opløsningsmidler baseret på deres kendte egenskaber, Mellmer og samarbejdspartnere presser på for en bredere forståelse, en, der ville give forskerne mulighed for ikke kun bedre at forstå opløsningsmiddeleffekter, men også bruge den viden til at optimere biomasseomdannelsesreaktioner.

"Vi ønskede at designe et system, hvor vi kunne studere og forudsige opløsningsmiddeleffekter på et grundlæggende niveau og forsøge at forstå deres rolle i katalytiske processer, " siger Mellmer. "Vi forsøger at bevæge os mod mere rationel udvælgelse af opløsningsmidler til reaktioner."

I et papir for nylig offentliggjort i Naturkatalyse , førsteforfatter Mellmer og GLBRC-kolleger nedbryder opløsningsmiddeleffekter, finde en ny måde at måle og analysere, hvordan et opløsningsmiddel ændrer stabiliteten af ​​to forskellige punkter i en kemisk reaktion, starttilstanden og overgangstilstanden. Metoden, som er afhængig af eksperimenter og beregninger, er den første til at give et indblik i de grundlæggende egenskaber ved opløsningsmiddeleffekter.

Holdets system til at forudsige opløsningsmiddeleffekter har umiddelbare praktiske anvendelser. Forskerne brugte deres forståelse af opløsningsmiddeleffekter til at opnå høje udbytter af hydroxymethylfurfural (HMF), et platformkemikalie, der kan bruges til at fremstille transportbrændstoffer og biobaseret plast, samtidig med at HMF's efterfølgende omdannelse til andre kemikalier begrænses.

Denne "selektive produktion" af et platformkemikalie er vigtig, da HMF og en række andre kemikalier er af stor interesse for den kemiske industri. At sænke produktionsomkostningerne for disse kemikalier fra biomasse kan betyde chancen for at erstatte petroleumsafledte kemikalier og produkter med mere bæredygtige, biomasseafledte ækvivalenter. Faktisk, en nylig undersøgelse fra Dumesics laboratorium beskriver brugen af ​​HMF som mellemled til furandicarboxylsyre (FDCA), en biobaseret plastprecursor med potentiale til dramatisk at forbedre økonomien ved at fremstille plast af biomasse.

"Disse resultater er grundlæggende for at opnå økonomisk konkurrencedygtige biobrændstoffer og bioprodukter, " siger Dumesic. "Hvis vi skal realisere en fremtid, hvor vores brændstoffer og produkter er biobaserede, vi er nødt til at optimere hvert trin i vores konverteringsprocesser og udvikle nye og billige måder at fremstille produkter af høj værdi fra biomasse på."