Supercomputing forbedrer biomassebrændstofkonvertering

Brændstoffer fremstillet af landbrugs- eller skovbrugsaffald kendt som lignocelluloseholdig biomasse har længe været en mester i bestræbelserne på at reducere brugen af ​​fossile brændstoffer. Men plantecellevægge har nogle medfødte forsvar, der gør processen med at nedbryde dem sværere og dyrere, end den kunne være.

I et spring fremad, der kunne være en game changer for at forstå, hvordan plantebiomasse kan nedbrydes mere effektivt, et forskerhold ved University of California, Riverside er gået sammen med hold ved Oak Ridge National Laboratory og University of Central Florida for at skabe en kemisk køreplan for at bryde disse forsvar.

For at få adgang til de energirige sukkerarter, der findes i plantecellevæggene, forskere har fornyet fokus på solvatisering af lignin, en kompleks polymer, der også findes i plantecellevægge, der fungerer som et naturligt skjold, blokerer både kemiske og biologiske angreb. Lignin er særligt effektivt til at forhindre kommercielle enzymer i at fordøje cellulose, som udgør hovedparten af ​​sukkerarter, der findes i biomasse.

I fortiden, Forskellige specialiserede kemikalier og forbehandlingsmetoder er blevet brugt til at forbedre enzymadgang til cellulose, men var ineffektive til at fjerne lignin. Brugen af ​​stærke syrer, ioniske væsker, ammoniak, og sulfitbehandlinger har i nogen grad forbedret fordøjeligheden af ​​cellulose, men disse metoder efterlader også lignin, gør cellulose dyrt at genvinde. Andre metoder har anvendt co-opløsningsmidler såsom ethanol og acetone solvat til at fjerne lignin, men de kræver meget høje reaktionstemperaturer, der også får de resterende sukkerarter til at nedbrydes.

Som resultat, økonomisk levedygtige metoder til at omdanne biomasse til biobrændstoffer er endnu ikke realiseret.

Charles Cai, en assisterende forskningsingeniør ved Center for Environmental Research and Technology i Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering ved UC Riverside, og Abhishek S. Patri, en ph.d.-studerende i kemi- og miljøteknik, førte et team af forskere i en ny retning for at fokusere på at identificere højt specialiserede co-opløsningsmidler, stoffer tilsat et primært opløsningsmiddel for at gøre det mere effektivt, der kan lette mildere temperaturopløsning og frigivelse af lignin fra plantecellevæggene. Dette er kendt som en "lignin-først" tilgang til nedbrydning af biomasse.

UC Riverside-forskerne indskrev forskerholdet ved Oak Ridge National Laboratory's Center of Molecular Biophysics, ledet af Jeremy Smith, at hjælpe med at konstruere en molekylær simulering på 1,5 millioner atomer for at afsløre, hvordan co-opløsningsmiddelparret bestående af tetrahydrofuran, eller THF, og vand er særligt effektive til at ændre interaktionerne mellem lignin og cellulose, hjælper med at drive flere nøglemekanismer, der er ansvarlige for nedbrydning af biomasse.

Holdet opdagede, at forbehandling af plantebiomasse med THF-vand fik lignin-kugler på celluloseoverfladen til at udvide sig og bryde væk fra hinanden og væk fra cellulosefibrene. Den ekspanderede lignin var også mere udsat for katalytisk fragmentering med fortyndet syre. Som resultat, lignin kunne depolymeriseres mere effektivt, opløseliggjort, og transporteres ud af cellevæggen ved mildere behandlingsforhold.

Den næsten fuldstændige fjernelse af lignin gjorde det også muligt for de resterende cellulosefibre at være mere modtagelige for enzymangreb. Faktisk, efter mild behandling med THF co-solvent, enzymerne tilsat de resterende celluloserige faste stoffer opnåede fuldstændig hydrolyse til glukosesukker.

Samarbejdende forskere ved University of Central Florida, ledet af Laurene Tetard, hjalp med at bekræfte observationerne fra de molekylære simuleringer og enzymatiske undersøgelser ved at bruge kraftige lasere og nano-infrarød billeddannelse til optisk at spore lignins omlejring og fjernelse fra cellevæggen af ​​mikrontykke skiver hårdttræ.

Endelig, Oak Ridge National Laboratory-forskere Yunqiao Pu og Arthur Ragauskas viste, at lignin ekstraheret fra hårdttræ forbehandlet med THF co-opløsningsmiddel var signifikant depolymeriseret og indeholdt færre uønskede reaktioner end lignin fremstillet fra andre sure forbehandlingsmetoder.

Ved at sætte lignin først, meget funktionelle hjælpeopløsningsmidler kan hjælpe med at integrere flere behandlingstrin, samtidig med at både lignin og sukker let kan genvindes som værdifulde kemiske byggesten, gør produktionen af ​​vedvarende brændstof lettere og mere omkostningseffektiv. Forskerholdet håber, at ved at afsløre de synergistiske mekanismer for biomassenedbrydning af co-opløsningsmidler THF og vand, de kan inspirere andre til at identificere yderligere multifunktionelle co-solvent-par.

Papiret, "Et multifunktionelt co-opløsningsmiddelpar afslører molekylære principper for biomassedekonstruktion, " er offentliggjort i Journal of the American Chemical Society . Ud over Cai og Patri, forfattere omfatter Barmak Mostofian; Yunqiao Pu; Nicholas Ciaffone; Mikhael Soliman; Michael Dean Smith; Rajeev Kumar; Xiaolin Cheng; Charles E. Wyman; Laurene Tetard; Arthur J. Ragauskas; Jeremy C. Smith; og Loukas Petridis.