Achter de succesvolle conversie van biomassa naar een betere biobrandstof of een nieuwe groene chemische stof, er is een zorgvuldig gekozen oplosmiddel. Het juiste oplosmiddel lost niet alleen biomassa op, maar stimuleert ook de efficiëntie van het gehele conversieproces, wat resulteert in hogere opbrengsten en een lagere bottom line.

Voor onderzoekers van het Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), de centrale rol van oplosmiddelen bij het omzetten van non-food biomassa in biobrandstoffen en bioproducten maakt dat ze rijp zijn voor optimalisatie. Een beter gebruik van oplosmiddelen zou de economie van bioraffinaderijen kunnen verbeteren, een reeks nieuwe en duurzamere biobrandstoffen en bioproducten op de markt brengen, en nieuwe bronnen van inkomsten voor boeren te bieden.

Maar de organische oplosmiddelen die worden gebruikt bij de omzetting van biomassa zijn zowel cruciaal voor het proces als een beetje mysterieus. Dat is, wetenschappers begrijpen niet fundamenteel "oplosmiddeleffecten - of de rol die oplosmiddelen kunnen spelen bij het veranderen van reactiesnelheden, reactiepaden, product distributies, of oplevert.

"We zien al jaren oplosmiddeleffecten in reacties, " zegt Max Mellmer, een onderzoeksonderzoeker bij Bristol-Myers Squibb en een voormalige afgestudeerde student van de Universiteit van Wisconsin-Madison in het laboratorium van James Dumesic, professor in de chemische en biologische technologie. "Maar we begrijpen het niet, katalytisch, hoe ze werken."

Terwijl onderzoekers van alle soorten traditioneel verschillende oplosmiddelen hebben gekozen op basis van hun bekende eigenschappen, Mellmer en medewerkers dringen aan op een breder begrip, een die onderzoekers in staat zou stellen om niet alleen de effecten van oplosmiddelen beter te begrijpen, maar die kennis ook te gebruiken om omzettingsreacties van biomassa te optimaliseren.

"We wilden een systeem ontwerpen waarmee we de effecten van oplosmiddelen op een fundamenteel niveau kunnen bestuderen en voorspellen en proberen hun rol in katalytische processen te begrijpen, ", zegt Mellmer. "We proberen te evolueren naar een meer rationele selectie van oplosmiddelen voor reacties."

In een onlangs gepubliceerd artikel in Natuur Katalyse , eerste auteur Mellmer en GLBRC-collega's breken oplosmiddeleffecten af, een nieuwe manier vinden om te meten en te analyseren hoe een oplosmiddel de stabiliteit van twee verschillende punten van een chemische reactie verandert, de begintoestand en de overgangstoestand. De methode, die berust op experimenteren en rekenen, is de eerste die inzicht geeft in de fundamentele eigenschappen van solventeffecten.

Het systeem van het team voor het voorspellen van de effecten van oplosmiddelen heeft onmiddellijke praktische toepassingen. De onderzoekers gebruikten hun kennis van oplosmiddeleffecten om hoge opbrengsten van hydroxymethylfurfural (HMF) te bereiken, een platformchemicalie die kan worden gebruikt om transportbrandstoffen en biogebaseerde kunststoffen te maken, terwijl de latere conversie van HMF naar andere chemicaliën wordt beperkt.

Deze "selectieve productie" van een platformchemicaliën is belangrijk, aangezien HMF en een aantal andere chemicaliën van groot belang zijn voor de chemische industrie. Het verlagen van de productiekosten van deze chemicaliën uit biomassa kan de kans betekenen om van aardolie afgeleide chemicaliën en producten te vervangen door duurzamere, van biomassa afgeleide equivalenten. In feite, een recente studie uit het laboratorium van Dumesic beschrijft het gebruik van HMF als intermediair voor furandicarbonzuur (FDCA), een biobased plasticprecursor met het potentieel om de economie van het maken van plastic uit biomassa drastisch te verbeteren.

"Deze bevindingen zijn van fundamenteel belang voor het bereiken van economisch concurrerende biobrandstoffen en bioproducten, ", zegt Dumesic. "Als we een toekomst gaan realiseren waarin onze brandstoffen en producten biobased zijn, we moeten elke stap van onze conversieprocessen optimaliseren en nieuwe en goedkope manieren ontwikkelen om hoogwaardige producten uit biomassa te maken."