Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron la dispersión de neutrones y la supercomputación para comprender mejor cómo un solvente orgánico y el agua trabajan juntos para descomponer la biomasa vegetal. creando un camino para mejorar significativamente la producción de biocombustibles y bioproductos renovables.

El descubrimiento, publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , arroja luz sobre un mecanismo a nanoescala previamente desconocido que ocurre durante la deconstrucción de la biomasa e identifica las temperaturas óptimas para el proceso.

"Comprender este mecanismo fundamental puede ayudar en el diseño racional de tecnologías aún más eficientes para procesar biomasa, "dijo Brian Davison, Científico jefe de ORNL para biología de sistemas y biotecnología.

La producción de biocombustibles a partir de material vegetal requiere romper sus componentes poliméricos de celulosa y hemicelulosa en azúcares fermentables mientras se elimina la lignina intacta, un polímero estructural que también se encuentra en las paredes celulares de las plantas, para su uso en bioproductos de valor agregado como los plásticos. En este proceso se emplean a menudo productos químicos líquidos conocidos como disolventes para disolver la biomasa en sus componentes moleculares.

Emparejado con agua, un disolvente llamado tetrahidrofurano, o THF, es particularmente eficaz para descomponer la biomasa. Descubierto por Charles Wyman y Charles Cai de la Universidad de California, Orilla, durante un estudio apoyado por el Centro de Ciencias de BioEnergía del DOE en ORNL, la mezcla de THF y agua produce altos rendimientos de azúcares al tiempo que preserva la integridad estructural de la lignina para su uso en bioproductos. El éxito de estos codisolventes intrigó a los científicos de ORNL.

"El uso de THF y agua para pretratar la biomasa fue un avance tecnológico muy importante, ", dijo Loukas Petridis de ORNL de la Universidad de Tennessee / Centro ORNL de Biofísica Molecular." Pero la ciencia detrás de esto no se conocía ".

Petridis y sus colegas ejecutaron por primera vez una serie de simulaciones de dinámica molecular en las supercomputadoras Titan y Summit en Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Sus simulaciones mostraron que el THF y el agua, que se quedan mezclados a granel, se separan a nanoescala para formar grupos de biomasa.

THF forma selectivamente nanoclusters alrededor del hidrofóbico, o repelente al agua, porciones de lignina y celulosa mientras que nanoclusters complementarios ricos en agua se forman en el hidrófilo, o amante del agua, porciones. Esta acción dual impulsa la deconstrucción de la biomasa, ya que cada uno de los solventes disuelve porciones de celulosa mientras evita que la lignina forme grumos que limitarían el acceso a los azúcares celulósicos, algo común cuando la biomasa se mezcla solo con agua.

"Este fue un hallazgo interesante, ", Dijo Petridis." Pero siempre es importante validar las simulaciones con experimentos para asegurarse de que lo que informan las simulaciones corresponde a la realidad ".

Este fenómeno ocurre en una escala diminuta de tres a cuatro nanómetros. Para comparacion, un cabello humano es típicamente 80, 000 a 100, 000 nanómetros de ancho. Estas reacciones presentaron un desafío significativo para demostrar en un experimento físico.

Científicos del reactor de isótopos de alto flujo, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, superó este desafío utilizando la dispersión de neutrones y una técnica llamada coincidencia de contraste. Esta técnica reemplaza selectivamente los átomos de hidrógeno con deuterio, una forma de hidrógeno con un neutrón añadido, para hacer que ciertos componentes de la mezcla compleja en el experimento sean más visibles para los neutrones que otros.

"Los neutrones ven un átomo de hidrógeno y un átomo de deuterio de manera muy diferente, "dijo Sai Venkatesh Pingali de ORNL, un científico de instrumentos Bio-SANS que realizó los experimentos de dispersión de neutrones. "Utilizamos este enfoque para resaltar de forma selectiva partes de todo el sistema, que de otro modo no serían visibles, especialmente cuando son muy pequeños ".

El uso de deuterio hizo que la celulosa fuera invisible para los neutrones e hizo que los nanoclusters de THF resaltaran visualmente contra la celulosa como la proverbial aguja en un pajar.

Para imitar el procesamiento de la biorrefinería, Los investigadores desarrollaron una configuración experimental para calentar la mezcla de biomasa y solventes y observar los cambios en tiempo real. El equipo descubrió que la acción de la mezcla de THF y agua sobre la biomasa evitaba que la lignina se aglutinara a todas las temperaturas. permitiendo una deconstrucción más fácil de la celulosa. El aumento de la temperatura a 150 grados Celsius provocó la descomposición de las microfibrillas de celulosa. Estos datos proporcionan nuevos conocimientos sobre la temperatura de procesamiento ideal para que estos codisolventes deconstruyan la biomasa.

"Este fue un esfuerzo de colaboración con biólogos, expertos en computación y científicos de neutrones que trabajan en conjunto para responder al desafío científico y proporcionar conocimientos relevantes para la industria, "Dijo Davison." El método podría impulsar nuevos descubrimientos sobre otros solventes y ayudar al crecimiento de la bioeconomía ".