Топливо, изготовленное из сельскохозяйственных или лесных отходов, известных как лигноцеллюлозная биомасса, уже давно является лидером в стремлении сократить использование ископаемого топлива. Но у клеточных стенок растений есть врожденная защита, которая делает процесс их разрушения более трудным и дорогостоящим, чем мог бы быть.
Совершая скачок вперед, который может изменить правила игры для понимания того, как более эффективно расщеплять растительную биомассу, исследовательская группа Калифорнийского университета в Риверсайде объединила усилия с командами Национальной лаборатории Ок-Риджа и Университета. Центральной Флориды, чтобы создать химическую дорожную карту для взлома этой защиты.
Чтобы получить доступ к богатым энергией сахарам, содержащимся в клеточных стенках растений, исследователи вновь сосредоточили свое внимание на сольватировании лигнина, сложного полимера, который также содержится в клеточных стенках растений и действует как естественный щит, блокируя химические и биологические процессы. атака. Лигнин особенно эффективен в предотвращении переваривания коммерческими ферментами целлюлозы, которая составляет большую часть сахаров, содержащихся в биомассе.
В прошлом для улучшения доступа ферментов к целлюлозе использовались различные специализированные химикаты и методы предварительной обработки, но они были неэффективны для удаления лигнина. Использование сильных кислот, ионных жидкостей, аммиака и сульфитов несколько улучшило усвояемость целлюлозы, но эти методы также оставляют лигнин позади, что делает восстановление целлюлозы дорогим. В других методах для удаления лигнина используются сорастворители, такие как этанол и сольват ацетона, но они требуют очень высоких температур реакции, которые также вызывают разложение оставшихся сахаров.
В результате экономически жизнеспособные методы преобразования биомассы в биотопливо еще предстоит реализовать.
Чарльз Кай, ассистент инженера-исследователя в Центре экологических исследований и технологий Инженерного колледжа Марлана и Розмари Борнс в Калифорнийском университете в Риверсайде, и Абхишек С. Патри, докторант в области химической и экологической инженерии, возглавили исследование группа исследователей взяла новое направление, чтобы сосредоточиться на выявлении узкоспециализированных сорастворителей, веществ, добавляемых к первичному 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, основанный на использовании лигнина.
Исследователи Калифорнийского университета в Риверсайде наняли группу исследователей из Центра молекулярной биофизики Ок-Риджской национальной лаборатории под руководством Джереми Смита, чтобы помочь построить молекулярное моделирование с 1,5 миллионами атомов, чтобы показать, как пара сорастворителей, состоящая из тетрагидрофурана или ТГФ и вода особенно эффективны для изменения 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 отделяются друг от друга и от волокон целлюлозы. Расширенный лигнин также был более подвержен каталитическому фрагментированию разбавленной кислотой. В результате лигнин мог более эффективно деполимеризоваться, растворяться и транспортироваться из клеточной стенки при 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 сахаров глюкозы.
Сотрудничающие исследователи из Университета Центральной Флориды под руководством Лорен Тетард помогли подтвердить наблюдения, сделанные на основе молекулярного моделирования и ферментативных исследований, используя мощные лазеры и нано-инфракрасное изображение для оптического отслеживания перегруппировки и удаления лигнина из клеточная стенка ломтиков древесины лиственных пород толщиной в микрон.
Наконец, исследователи Национальной лаборатории Ок-Риджа Юньцяо Пу и Артур Рагаускас показали, что лигнин, извлеченный из древесины твердых пород, предварительно обработанной сорастворителем ТГФ, значительно деполимеризуется и содержит меньше нежелательных реакций, чем лигнин, полученный с помощью других кислотных методов предварительной обработки.
Помещая лигнин на первое место, высокофункциональные сорастворители могут помочь интегрировать несколько этапов обработки, позволяя легко извлекать как лигнин, так и сахара в качестве ценных химических строительных блоков, что упрощает производство возобновляемого топлива и делает его более рентабельным. Исследовательская группа надеется, что, выявив синергетические механизмы разрушения биомассы сорастворителями ТГФ и водой, они смогут вдохновить других на выявление дополнительных многофункциональных пар сорастворителей.