Kærlighed-had forhold mellem opløsningsmiddel og vand fører til bedre biomasseopløsning

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory brugte neutronspredning og supercomputing for bedre at forstå, hvordan et organisk opløsningsmiddel og vand arbejder sammen for at nedbryde plantebiomasse, skabe en vej til markant forbedring af produktionen af ​​vedvarende biobrændstoffer og bioprodukter.

Opdagelsen, offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences , kaster lys over en hidtil ukendt nanoskalamekanisme, der opstår under biomassedekonstruktion og identificerer optimale temperaturer for processen.

"Forståelse af denne grundlæggende mekanisme kan hjælpe med det rationelle design af endnu mere effektive teknologier til behandling af biomasse, "sagde Brian Davison, ORNL chefforsker for systembiologi og bioteknologi.

Fremstilling af biobrændstoffer fra plantemateriale kræver, at dens polymere cellulose- og hemicellulosekomponenter brydes til fermenterbare sukkerarter, mens den intakte lignin - en strukturel polymer, der også findes i plantecellevægge - fjernes til brug i værdiskabende bioprodukter såsom plast. Flydende kemikalier kendt som opløsningsmidler bruges ofte i denne proces til at opløse biomassen i dens molekylære komponenter.

Parret med vand, et opløsningsmiddel kaldet tetrahydrofuran, eller THF, er særligt effektiv til at nedbryde biomasse. Opdaget af Charles Wyman og Charles Cai fra University of California, Riverside, under en undersøgelse støttet af DOE's BioEnergy Science Center på ORNL, THF-vand-blandingen producerer høje udbytter af sukker, samtidig med at den bevarer den strukturelle integritet af lignin til brug i bioprodukter. Succesen med disse co-opløsningsmidler fascinerede ORNL-forskere.

"Brug af THF og vand til forbehandling af biomasse var et meget vigtigt teknologisk fremskridt, " sagde ORNLs Loukas Petridis fra University of Tennessee/ORNL Center for Molecular Biophysics. "Men videnskaben bag var ikke kendt."

Petridis og hans kolleger kørte først en række simuleringer af molekylær dynamik på Titan og Summit supercomputere på Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL. Deres simuleringer viste, at THF og vand, som forbliver blandet i løs vægt, adskilt på nanoskala for at danne klynger på biomasse.

THF danner selektivt nanoklynger omkring det hydrofobe, eller vandafvisende, portioner af lignin og cellulose, mens komplementære vandrige nanoclusters dannes på de hydrofile, eller vandelskende, portioner. Denne dobbelte handling driver dekonstruktionen af ​​biomasse, da hvert af opløsningsmidlerne opløser dele af cellulosen, mens det forhindrer lignin i at danne klumper, der ville begrænse adgangen til cellulosesukkere - en almindelig hændelse, når biomasse blandes i vand alene.

"Dette var et interessant fund, " sagde Petridis. "Men det er altid vigtigt at validere simuleringer med eksperimenter for at sikre, at det, simuleringerne rapporterer, svarer til virkeligheden."

Dette fænomen opstår på den lille skala fra tre til fire nanometer. Til sammenligning, et menneskehår er typisk 80, 000 til 100, 000 nanometer bred. Disse reaktioner var en betydelig udfordring at demonstrere i et fysisk eksperiment.

Forskere ved High Flux Isotop Reactor, en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL, overvandt denne udfordring ved hjælp af neutronspredning og en teknik kaldet kontrastmatching. Denne teknik erstatter selektivt brintatomer med deuterium, en form for brint med en tilføjet neutron, at gøre visse komponenter i den komplekse blanding i eksperimentet mere synlige for neutroner end andre.

"Neutroner ser et brintatom og et deuteriumatom meget forskelligt, " sagde ORNLs Sai Venkatesh Pingali, en Bio-SANS instrumentforsker, der udførte neutronspredningsforsøgene. "Vi bruger denne tilgang til selektivt at fremhæve dele af hele systemet, som ellers ikke ville være synlige, især når de er rigtig små."

Brugen af ​​deuterium gjorde cellulosen usynlig for neutroner og fik THF -nanoklusterne visuelt til at poppe ud mod cellulosen som den ordsprogede nål i en høstak.

For at efterligne bioraffinaderibehandling, forskere udviklede et eksperimentelt setup til at opvarme blandingen af ​​biomasse og opløsningsmidler og observere ændringerne i realtid. Holdet fandt ud af, at THF-vandblandingens virkning på biomasse effektivt forhindrede lignin i at klumpe sig ved alle temperaturer, muliggør lettere dekonstruktion af cellulosen. Forøgelse af temperaturen til 150 grader Celsius udløste nedbrydning af cellulosemikrofibriller. Disse data giver ny indsigt i den ideelle behandlingstemperatur for disse co-opløsningsmidler til at dekonstruere biomasse.

"Dette var et samarbejde med biologer, beregningseksperter og neutronforskere, der arbejder sammen om at besvare den videnskabelige udfordring og levere brancherelevant viden, "Davison sagde." Metoden kan brænde yderligere opdagelser om andre opløsningsmidler og hjælpe med at dyrke bioøkonomien. "