Brandstoffen gemaakt van landbouw- of bosbouwafval, bekend als lignocellulosebiomassa, zijn lange tijd een voorvechter geweest in de zoektocht naar vermindering van het gebruik van fossiele brandstoffen. Maar plantencelwanden hebben een aantal aangeboren afweermechanismen die het proces om ze af te breken moeilijker en duurder maken dan het zou kunnen zijn.

In een sprong voorwaarts zou dat een game changer kunnen zijn om te begrijpen hoe plantaardige biomassa efficiënter kan worden afgebroken, een onderzoeksteam aan de Universiteit van Californië, Riverside heeft de krachten gebundeld met teams van het Oak Ridge National Laboratory en de University of Central Florida om een ​​chemische routekaart op te stellen om deze verdedigingswerken te doorbreken.

Om toegang te krijgen tot de energierijke suikers in de celwanden van planten, onderzoekers hebben de focus hernieuwd op het oplossen van lignine, een complex polymeer dat ook wordt aangetroffen in celwanden van planten en dat fungeert als een natuurlijk schild, het blokkeren van zowel chemische als biologische aanvallen. Lignine is bijzonder effectief in het voorkomen dat commerciële enzymen cellulose verteren, die het grootste deel van de suikers in biomassa vormt.

Vroeger, verschillende gespecialiseerde chemicaliën en voorbehandelingsmethoden zijn gebruikt om de toegang van enzymen tot cellulose te verbeteren, maar waren niet effectief bij het verwijderen van lignine. Het gebruik van sterke zuren, ionische vloeistoffen, ammoniak, en sulfietbehandelingen hebben de verteerbaarheid van cellulose enigszins verbeterd, maar deze methoden laten ook lignine achter, waardoor cellulose duur is om te recupereren. Andere methoden hebben co-oplosmiddelen zoals ethanol en acetonsolvaat toegepast om lignine te verwijderen, maar ze vereisen zeer hoge reactietemperaturen die er ook voor zorgen dat de resterende suikers worden afgebroken.

Als resultaat, economisch haalbare methoden om biomassa om te zetten in biobrandstoffen moeten nog worden gerealiseerd.

Charles Cai, een assistent-onderzoeksingenieur bij het Center for Environmental Research and Technology in het Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering aan de UC Riverside, en Abhishek S. Patri, een doctoraatsstudent in chemische en milieutechniek, leidde een team van onderzoekers die een nieuwe richting insloegen om zich te concentreren op het identificeren van zeer gespecialiseerde co-oplosmiddelen, stoffen toegevoegd aan een primair oplosmiddel om het effectiever te maken, dat kan solvatatie bij mildere temperatuur en afgifte van lignine uit de plantencelwanden vergemakkelijken. Dit staat bekend als een "lignine-first" benadering voor het afbreken van biomassa.

De UC Riverside-onderzoekers schakelden het onderzoeksteam in van het Center of Molecular Biophysics van Oak Ridge National Laboratory, onder leiding van Jeremy Smith, om te helpen bij het bouwen van een moleculaire simulatie van 1,5 miljoen atomen om te onthullen hoe het co-oplosmiddelpaar bestaande uit tetrahydrofuran, of THF, en water zijn bijzonder effectief in het veranderen van de interacties tussen lignine en cellulose, helpen om meerdere sleutelmechanismen aan te drijven die verantwoordelijk zijn voor het afbreken van biomassa.

Het team ontdekte dat het voorbehandelen van plantenbiomassa met THF-water ervoor zorgde dat ligninebolletjes op het celluloseoppervlak uitzetten en van elkaar en van de cellulosevezels loskwamen. De geëxpandeerde lignine werd ook meer blootgesteld aan katalytische fragmentatie door verdund zuur. Als resultaat, lignine kan efficiënter worden gedepolymeriseerd, opgelost, en bij mildere behandelingsomstandigheden uit de celwand getransporteerd.

De bijna volledige verwijdering van lignine maakte het ook mogelijk dat de resterende cellulosevezels gevoeliger waren voor enzymaanvallen. In feite, na milde THF co-solvent behandeling, de enzymen die aan de resterende celluloserijke vaste stoffen werden toegevoegd, bereikten volledige hydrolyse tot glucosesuikers.

Samenwerkende onderzoekers van de University of Central Florida, onder leiding van Laurene Tetard, hielp de waarnemingen van de moleculaire simulaties en enzymatische studies te bevestigen door krachtige lasers en nano-infraroodbeeldvorming te gebruiken om de herschikking en verwijdering van lignine uit de celwand van microndikke plakjes hardhout optisch te volgen.

Eindelijk, Oak Ridge National Laboratory-onderzoekers Yunqiao Pu en Arthur Ragauskas toonden aan dat lignine geëxtraheerd uit hardhout voorbehandeld met THF-co-solvent significant gedepolymeriseerd was en minder ongewenste reacties bevatte dan lignine geproduceerd met andere zure voorbehandelingsmethoden.

Door lignine voorop te stellen, zeer functionele co-oplosmiddelen kunnen helpen om meerdere verwerkingsstappen te integreren, terwijl zowel lignine als suikers gemakkelijk kunnen worden teruggewonnen als waardevolle chemische bouwstenen, waardoor de productie van hernieuwbare brandstof eenvoudiger en kosteneffectiever wordt. Het onderzoeksteam hoopt dat door het onthullen van de synergetische mechanismen van afbraak van biomassa door co-oplosmiddelen THF en water, ze kunnen anderen inspireren om aanvullende multifunctionele co-solventparen te identificeren.

De krant, "Een multifunctioneel co-oplosmiddelpaar onthult moleculaire principes van deconstructie van biomassa, " is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society . Naast Cai en Patri, auteurs zijn onder andere Barmak Mostofian; Yunqiao-pu; Nicolaas Ciaffone; Mikhael Soliman; Michael Dean Smith; Rajeev Kumar; Xiaolin Cheng; Charles E. Wyman; Laurene Tetard; Arthur J. Ragauskas; Jeremy C. Smith; en Loukas Petridis.