Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy gebruikten neutronenverstrooiing en supercomputing om beter te begrijpen hoe een organisch oplosmiddel en water samenwerken om plantaardige biomassa af te breken. het creëren van een route om de productie van hernieuwbare biobrandstoffen en bioproducten aanzienlijk te verbeteren.

De vondst, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , werpt licht op een voorheen onbekend mechanisme op nanoschaal dat optreedt tijdens de deconstructie van biomassa en identificeert optimale temperaturen voor het proces.

"Het begrijpen van dit fundamentele mechanisme kan helpen bij het rationeel ontwerpen van nog efficiëntere technologieën voor het verwerken van biomassa, " zei Brian Davison, ORNL hoofdwetenschapper voor systeembiologie en biotechnologie.

Voor de productie van biobrandstoffen uit plantaardig materiaal moeten de polymere cellulose- en hemicellulosecomponenten worden afgebroken tot fermenteerbare suikers en moet de intacte lignine - een structureel polymeer dat ook in plantencelwanden wordt aangetroffen - worden verwijderd voor gebruik in bioproducten met toegevoegde waarde, zoals kunststoffen. Vloeibare chemicaliën die bekend staan ​​als oplosmiddelen worden vaak gebruikt in dit proces om de biomassa op te lossen in zijn moleculaire componenten.

In combinatie met water, een oplosmiddel genaamd tetrahydrofuran, of THF, is bijzonder effectief in het afbreken van biomassa. Ontdekt door Charles Wyman en Charles Cai van de Universiteit van Californië, rivieroever, tijdens een studie ondersteund door DOE's BioEnergy Science Center bij ORNL, het THF-watermengsel produceert hoge opbrengsten aan suikers met behoud van de structurele integriteit van lignine voor gebruik in bioproducten. Het succes van deze co-oplosmiddelen intrigeerde de ORNL-wetenschappers.

"Het gebruik van THF en water om biomassa voor te behandelen was een zeer belangrijke technologische vooruitgang, " zei ORNL's Loukas Petridis van de Universiteit van Tennessee/ORNL Centrum voor Moleculaire Biofysica. "Maar de wetenschap erachter was niet bekend."

Petridis en zijn collega's voerden eerst een reeks moleculaire dynamica-simulaties uit op de Titan- en Summit-supercomputers in de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij ORNL. Hun simulaties toonden aan dat THF en water, die in bulk gemengd blijven, op nanoschaal scheiden om clusters op biomassa te vormen.

THF vormt selectief nanoclusters rond de hydrofobe, of waterafstotend, delen van lignine en cellulose, terwijl complementaire waterrijke nanoclusters zich vormen op de hydrofiele, of waterminnend, porties. Deze dubbele werking drijft de deconstructie van biomassa aan, aangezien elk van de oplosmiddelen delen van de cellulose oplost en tegelijkertijd voorkomt dat lignine klonten vormt die de toegang tot de cellulosesuikers zouden beperken - een veel voorkomend verschijnsel wanneer biomassa alleen in water wordt gemengd.

"Dit was een interessante bevinding, "Zei Petridis. "Maar het is altijd belangrijk om simulaties te valideren met experimenten om ervoor te zorgen dat wat de simulaties rapporteren overeenkomt met de werkelijkheid."

Dit fenomeen doet zich voor op de kleine schaal van drie tot vier nanometer. Ter vergelijking, een mensenhaar is typisch 80, 000 tot 100, 000 nanometer breed. Deze reacties vormden een grote uitdaging om aan te tonen in een fysiek experiment.

Wetenschappers van de High Flux Isotoop Reactor, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij ORNL, overwon deze uitdaging met behulp van neutronenverstrooiing en een techniek die contrastaanpassing wordt genoemd. Deze techniek vervangt selectief waterstofatomen door deuterium, een vorm van waterstof met een toegevoegd neutron, om bepaalde componenten van het complexe mengsel in het experiment zichtbaarder te maken voor neutronen dan andere.

"Neutronen zien een waterstofatoom en een deuteriumatoom heel anders, " zei Sai Venkatesh Pingali van ORNL, een Bio-SANS-instrumentwetenschapper die de experimenten met neutronenverstrooiing uitvoerde. "We gebruiken deze aanpak om selectief delen van het hele systeem te markeren, die anders niet zichtbaar zou zijn, vooral als ze heel klein zijn."

Het gebruik van deuterium maakte de cellulose onzichtbaar voor neutronen en deed de THF-nanoclusters visueel uitpuilen tegen de cellulose als de spreekwoordelijke naald in een hooiberg.

Om de verwerking van bioraffinaderijen na te bootsen, onderzoekers ontwikkelden een experimentele opstelling om het mengsel van biomassa en oplosmiddelen te verwarmen en de veranderingen in realtime te observeren. Het team ontdekte dat de werking van de THF-watermix op biomassa er effectief voor zorgde dat lignine niet samenklonterde bij alle temperaturen. waardoor de cellulose gemakkelijker kan worden afgebroken. Het verhogen van de temperatuur tot 150 graden Celsius veroorzaakte de afbraak van cellulose microfibril. Deze gegevens bieden nieuwe inzichten in de ideale verwerkingstemperatuur voor deze co-oplosmiddelen om biomassa te deconstrueren.

"Dit was een samenwerking met biologen, computationele experts en neutronenwetenschappers die samenwerken om de wetenschappelijke uitdaging aan te gaan en voor de industrie relevante kennis te bieden, " zei Davison. "De methode zou verdere ontdekkingen over andere oplosmiddelen kunnen voeden en de bio-economie helpen groeien."