Los combustibles elaborados a partir de desechos agrícolas o forestales conocidos como biomasa lignocelulósica han sido durante mucho tiempo un campeón en la búsqueda para reducir el uso de combustibles fósiles. Pero las paredes de las células vegetales tienen algunas defensas innatas que hacen que el proceso para romperlas sea más difícil y costoso de lo que podría ser.

En un salto adelante que podría cambiar las reglas del juego para comprender cómo se puede descomponer la biomasa vegetal de manera más eficiente, un equipo de investigación de la Universidad de California, Riverside ha unido fuerzas con equipos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Florida Central para crear una hoja de ruta química para romper estas defensas.

Para acceder a los azúcares ricos en energía que se encuentran en las paredes celulares de las plantas, los investigadores han renovado su enfoque en la solvatación de la lignina, un polímero complejo que también se encuentra en las paredes de las células vegetales que actúa como un escudo natural, bloqueando el ataque químico y biológico. La lignina es particularmente eficaz para evitar que las enzimas comerciales digieran la celulosa, que constituye la mayor parte de los azúcares que se encuentran en la biomasa.

En el pasado, Se han utilizado diferentes productos químicos especializados y métodos de pretratamiento para mejorar el acceso de las enzimas a la celulosa, pero no fueron efectivos para eliminar la lignina. El uso de ácidos fuertes, líquidos iónicos, amoníaco, y los tratamientos con sulfito han mejorado algo la digestibilidad de la celulosa, pero estos métodos también dejan atrás la lignina, haciendo que la celulosa sea cara de recuperar. Otros métodos han aplicado codisolventes como etanol y solvato de acetona para eliminar la lignina, pero requieren temperaturas de reacción muy altas que también provocan la degradación de los azúcares restantes.

Como resultado, Aún no se han realizado métodos económicamente viables para transformar la biomasa en biocombustibles.

Charles Cai, un ingeniero de investigación asistente en el Centro de Investigación y Tecnología Ambiental en la Facultad de Ingeniería Marlan y Rosemary Bourns en UC Riverside, y Abhishek S. Patri, un estudiante de doctorado en ingeniería química y ambiental, dirigió un equipo de investigadores que tomó una nueva dirección para centrarse en la identificación de codisolventes altamente especializados, sustancias agregadas a un solvente primario para hacerlo más efectivo, que pueden facilitar la solvatación a temperaturas más suaves y la liberación de lignina de las paredes celulares de las plantas. Esto se conoce como un enfoque de "lignina primero" para descomponer la biomasa.

Los investigadores de UC Riverside reclutaron al equipo de investigación del Centro de Biofísica Molecular del Laboratorio Nacional Oak Ridge, dirigido por Jeremy Smith, para ayudar a construir una simulación molecular de 1,5 millones de átomos para revelar cómo el par de codisolventes que consta de tetrahidrofurano, o THF, y el agua son particularmente eficaces para alterar las interacciones entre la lignina y la celulosa, ayudando a impulsar múltiples mecanismos clave responsables de descomponer la biomasa.

El equipo descubrió que el tratamiento previo de la biomasa vegetal con THF-agua hacía que los glóbulos de lignina en la superficie de la celulosa se expandieran y se separaran unos de otros y se alejaran de las fibras de celulosa. La lignina expandida también estuvo más expuesta a la fragmentación catalítica por ácido diluido. Como resultado, la lignina podría despolimerizarse de manera más eficiente, solubilizado, y se transporta fuera de la pared celular en condiciones de tratamiento más suaves.

La eliminación casi completa de la lignina también permitió que las fibras de celulosa restantes fueran más susceptibles al ataque de las enzimas. De hecho, después de un tratamiento suave con codisolvente de THF, las enzimas añadidas a los sólidos restantes ricos en celulosa lograron una hidrólisis completa a azúcares de glucosa.

Investigadores colaboradores de la Universidad de Florida Central, dirigido por Laurene Tetard, ayudó a confirmar las observaciones realizadas a partir de las simulaciones moleculares y los estudios enzimáticos mediante el uso de potentes láseres e imágenes nanoinfrarrojas para rastrear ópticamente el reordenamiento de la lignina y la eliminación de la pared celular de rodajas de madera dura de un micrón de espesor.

Finalmente, Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Yunqiao Pu y Arthur Ragauskas, demostraron que la lignina extraída de la madera dura pretratada con codisolvente de THF se despolimerizó significativamente y contenía menos reacciones no deseadas que la lignina producida a partir de otros métodos de pretratamiento ácido.

Al poner la lignina primero, Los codisolventes altamente funcionales pueden ayudar a integrar múltiples pasos de procesamiento al tiempo que permiten que tanto la lignina como los azúcares se recuperen fácilmente como valiosos componentes químicos. haciendo que la producción de combustibles renovables sea más fácil y rentable. El equipo de investigación espera que al revelar los mecanismos sinérgicos de descomposición de la biomasa por los codisolventes THF y el agua, pueden inspirar a otros a identificar pares adicionales de codisolventes multifuncionales.

El papel, "Un par de codisolventes multifuncionales revela los principios moleculares de la deconstrucción de la biomasa, "se publica en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense . Además de Cai y Patri, los autores incluyen Barmak Mostofian; Yunqiao Pu; Nicholas Ciaffone; Mikhael Soliman; Micholas Dean Smith; Rajeev Kumar; Xiaolin Cheng; Charles E. Wyman; Laurene Tetard; Arthur J. Ragauskas; Jeremy C. Smith; y Loukas Petridis.