Bakom den framgångsrika omvandlingen av biomassa till ett bättre biobränsle eller en ny grön kemikalie, det finns ett noggrant utvalt lösningsmedel. Rätt lösningsmedel löser inte bara biomassa utan driver också effektiviteten i hela omvandlingsprocessen, vilket resulterar i högre avkastning och lägre slutresultat.

För forskare vid Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), lösningsmedlens centrala roll i omvandlingen av icke-livsmedelsbiomassa till biobränslen och bioprodukter innebär att de är mogna för optimering. Bättre användning av lösningsmedel kan förbättra ekonomin för bioraffinaderier, föra ut en rad nya och mer hållbara biobränslen och bioprodukter till marknaden, och tillhandahålla nya inkomstkällor för jordbrukare.

Men de organiska lösningsmedlen som används vid omvandling av biomassa är både kritiska för processen och lite mystiska. Det är, forskare förstår inte i grunden "lösningsmedelseffekter - eller rollen som lösningsmedel kan spela för att ändra reaktionshastigheter, reaktionsvägar, produktdistributioner, eller avkastning.

"Vi har sett lösningsmedelseffekter i reaktioner i många år, säger Max Mellmer, en forskningsutredare vid Bristol-Myers Squibb och en tidigare doktorand vid University of Wisconsin–Madison i labbet hos professorn James Dumesic i kemi och biologisk teknik. "Men vi förstår inte, katalytiskt, hur de fungerar."

Medan forskare av alla ränder traditionellt har valt olika lösningsmedel baserat på deras kända egenskaper, Mellmer och medarbetare driver på för en bredare förståelse, en som skulle göra det möjligt för forskare att inte bara bättre förstå lösningsmedelseffekter utan också använda den kunskapen för att optimera biomassaomvandlingsreaktioner.

"Vi ville designa ett system där vi kunde studera och förutsäga lösningsmedelseffekter på en grundläggande nivå och försöka förstå deras roll i katalytiska processer, " säger Mellmer. "Vi försöker gå mot ett mer rationellt urval av lösningsmedel för reaktioner."

I en tidning som nyligen publicerades i Naturkatalys , Förstaförfattaren Mellmer och GLBRC-kollegor bryter ner lösningsmedelseffekter, hitta ett nytt sätt att mäta och analysera hur ett lösningsmedel förändrar stabiliteten hos två olika punkter i en kemisk reaktion, initialtillståndet och övergångstillståndet. Metoden, som bygger på experiment och beräkning, är den första som ger ett fönster till de grundläggande egenskaperna hos lösningsmedelseffekter.

Teamets system för att förutsäga lösningsmedelseffekter har omedelbara praktiska tillämpningar. Forskarna använde sin förståelse av lösningsmedelseffekter för att uppnå höga utbyten av hydroximetylfurfural (HMF), en plattformskemikalie som kan användas för att tillverka transportbränslen och biobaserad plast, samtidigt som HMFs efterföljande omvandling till andra kemikalier begränsas.

Denna "selektiva produktion" av en plattformskemikalie är viktig, eftersom HMF och ett antal andra kemikalier är av stort intresse för kemiindustrin. Att sänka produktionskostnaden för dessa kemikalier från biomassa kan innebära chansen att ersätta petroleumbaserade kemikalier och produkter med mer hållbara, biomassahärledda ekvivalenter. Faktiskt, en nyligen genomförd studie från Dumesics labb beskriver användningen av HMF som en mellanhand till furandikarboxylsyra (FDCA), en biobaserad plastprekursor med potential att dramatiskt förbättra ekonomin för att göra plast från biomassa.

"Dessa resultat är grundläggande för att uppnå ekonomiskt konkurrenskraftiga biobränslen och bioprodukter, " säger Dumesic. "Om vi ​​ska förverkliga en framtid där våra bränslen och produkter är biobaserade, vi måste optimera varje steg i våra omvandlingsprocesser och utveckla nya och billiga sätt att göra högvärdiga produkter från biomassa."