Суперкомпьютерные вычисления улучшают конверсию топлива из биомассы

Сделав скачок вперед, который может изменить правила игры для понимания того, как более эффективно расщеплять растительную биомассу, исследовательская группа из Калифорнийского университета в Риверсайде объединила свои усилия с командами из Национальной лаборатории Ок-Ридж и Университета Центральной Флориды для создания химическая дорожная карта для прорыва этой защиты.
Чтобы получить доступ к богатым энергией сахарам, содержащимся в стенках растительных клеток, исследователи вновь сосредоточили свое внимание на сольватировании лигнина, сложного полимера, который также содержится в стенках растительных клеток, который действует как естественный щит, блокируя как химические, так и биологические атаки.

Лигнин особенно эффективен в предотвращении переваривания коммерческими ферментами целлюлозы, которая составляет основную часть сахаров, содержащихся в биомассе.
В прошлом для улучшения доступа ферментов к целлюлозе использовались различные специализированные химические вещества и методы предварительной обработки, но они были неэффективны при удалении лигнина. Использование сильных кислот, ионных жидкостей, аммиака и сульфитов несколько улучшило усвояемость целлюлозы, но эти методы также оставляют лигнин, что делает восстановление целлюлозы дорогим. В других методах для удаления лигнина применялись сорастворители, такие как этанол и сольват ацетона, но они требуют очень высоких температур реакции, которые также вызывают разложение оставшихся сахаров.

В результате еще предстоит реализовать экономически жизнеспособные методы преобразования биомассы в биотопливо.
Чарльз Кай, младший инженер-исследователь Центра экологических исследований и технологий инженерного колледжа Марлана и Розмари Борнс в Калифорнийском университете в Риверсайде, и Абхишек С. Патри, докторант кафедры химической и экологической инженерии, возглавил группу исследователей, взявших новое направление, сосредоточив внимание на выявлении узкоспециализированных сорастворителей, веществ, добавляемых к основному растворителю для повышения его эффективности, которые могут способствовать более мягкой температурной сольватации и высвобождению. лигнина из клеточных стенок растений.

Это известно как подход к расщеплению биомассы "в первую очередь лигнин".
Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде привлекли группу исследователей из Центра молекулярной биофизики Национальной лаборатории Ок-Ридж под руководством Джереми Смита, чтобы они помогли построить 1.Молекулярное моделирование с 5 миллионами атомов, чтобы показать, как пара сорастворителей, состоящая из тетрагидрофурана или ТГФ и воды, особенно эффективна при изменении взаимодействия между лигнином и целлюлозой, помогая управлять несколькими ключевыми механизмами, ответственными за разрушение биомассы.
Команда обнаружила, что предварительная обработка растительной биомассы ТГФ-водой приводит к тому, что глобулы лигнина на поверхности целлюлозы расширяются и отрываются друг от друга и от целлюлозных волокон. Расширенный лигнин также больше подвергался каталитической фрагментации разбавленной кислотой.

В результате лигнин может более эффективно деполимеризоваться, солюбилизироваться и транспортироваться из клеточной стенки в более мягких условиях обработки.
Почти полное удаление лигнина также сделало оставшиеся волокна целлюлозы более восприимчивыми к ферментативной атаке. Фактически, после мягкой обработки сорастворителем ТГФ ферменты, добавленные к оставшимся твердым веществам, богатым целлюлозой, достигли полного гидролиза до глюкозных сахаров.

Сотрудничающие исследователи из Университета Центральной Флориды во главе с Лорен Тетард помогли подтвердить наблюдения, сделанные на основе молекулярного моделирования и ферментативных исследований, используя мощные лазеры и нано-инфракрасную визуализацию для оптического отслеживания перегруппировки лигнина и удаления из клеточной стенки микронных частиц. толстые ломтики древесины твердых пород.
Наконец, исследователи из Окриджской национальной лаборатории Юнцяо Пу и Артур Рагаускас показали, что лигнин, экстрагированный из древесины твердых пород, предварительно обработанной сорастворителем ТГФ, значительно деполимеризовался и содержал меньше нежелательных реакций, чем лигнин, полученный другими методами предварительной обработки кислотой.
Ставя лигнин на первое место, высокофункциональные сорастворители могут помочь объединить несколько этапов обработки, позволяя легко восстанавливать лигнин и сахара в качестве ценных химических строительных блоков, что упрощает и делает производство возобновляемого топлива более рентабельным.

Исследовательская группа надеется, что, раскрывая синергетические механизмы разложения биомассы сорастворителями ТГФ и водой, они могут вдохновить других на выявление дополнительных многофункциональных пар сорастворителей.

6 комментариев к “Суперкомпьютерные вычисления улучшают конверсию топлива из биомассы”

Оставьте комментарий