Bränslen gjorda av jordbruks- eller skogsbruksavfall som kallas lignocellulosabiomassa har länge varit en mästare i strävan att minska användningen av fossila bränslen. Men växtcellväggar har vissa medfödda försvar som gör processen att bryta ner dem svårare och kostsammare än det skulle kunna vara.

I ett steg framåt som kan vara en spelförändring för att förstå hur växtbiomassa kan brytas ned mer effektivt, ett forskarlag vid University of California, Riverside har gått samman med team vid Oak Ridge National Laboratory och University of Central Florida för att skapa en kemisk färdplan för att bryta mot dessa försvar.

För att få tillgång till de energirika sockerarterna som finns i växternas cellväggar, forskare har förnyat fokus på solvatisering av lignin, en komplex polymer som också finns i växtcellväggar som fungerar som en naturlig sköld, blockerar både kemiska och biologiska angrepp. Lignin är särskilt effektivt för att förhindra kommersiella enzymer från att smälta cellulosa, som utgör huvuddelen av sockerarter som finns i biomassa.

Förr, olika specialiserade kemikalier och förbehandlingsmetoder har använts för att förbättra enzymtillgången till cellulosa men var ineffektiva när det gäller att ta bort lignin. Användningen av starka syror, joniska vätskor, ammoniak, och sulfitbehandlingar har förbättrat smältbarheten av cellulosa något, men dessa metoder lämnar också lignin bakom sig, gör cellulosa dyr att utvinna. Andra metoder har använt hjälplösningsmedel som etanol och acetonsolvat för att avlägsna lignin, men de kräver mycket höga reaktionstemperaturer som också gör att resterande sockerarter bryts ned.

Som ett resultat, ekonomiskt gångbara metoder för att omvandla biomassa till biobränslen har ännu inte realiserats.

Charles Cai, en biträdande forskningsingenjör vid Center for Environmental Research and Technology i Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering vid UC Riverside, och Abhishek S. Patri, doktorand i kemi- och miljöteknik, ledde ett team av forskare som tog en ny riktning för att fokusera på att identifiera högt specialiserade hjälplösningsmedel, ämnen som tillsätts ett primärt lösningsmedel för att göra det mer effektivt, som kan underlätta mildare temperaturlösning och frisättning av lignin från växtcellväggarna. Detta är känt som en "lignin-först" metod för att bryta ner biomassa.

UC Riverside-forskarna anlitade forskargruppen vid Oak Ridge National Laboratory's Center of Molecular Biophysics, ledd av Jeremy Smith, för att hjälpa till att konstruera en molekylär simulering med 1,5 miljoner atomer för att avslöja hur samlösningsmedelsparet som består av tetrahydrofuran, eller THF, och vatten är särskilt effektiva för att förändra interaktionerna mellan lignin och cellulosa, hjälpa till att driva flera nyckelmekanismer som är ansvariga för att bryta ner biomassa.

Teamet upptäckte att förbehandling av växtbiomassa med THF-vatten fick ligninkulor på cellulosaytan att expandera och bryta sig loss från varandra och bort från cellulosafibrerna. Det expanderade ligninet var också mer utsatt för katalytisk fragmentering av utspädd syra. Som ett resultat, lignin skulle kunna depolymeriseras mer effektivt, solubiliserade, och transporteras ut ur cellväggen vid mildare behandlingsförhållanden.

Det nästan fullständiga avlägsnandet av lignin gjorde det också möjligt för de återstående cellulosafibrerna att vara mer mottagliga för enzymangrepp. Faktiskt, efter mild behandling med THF-lösningsmedel, enzymerna tillsatta de återstående cellulosarika fasta ämnena uppnådde fullständig hydrolys till glukossocker.

Samarbetande forskare vid University of Central Florida, ledd av Laurene Tetard, hjälpte till att bekräfta observationerna från de molekylära simuleringarna och enzymatiska studierna genom att använda kraftfulla lasrar och nano-infraröd avbildning för att optiskt spåra lignins omarrangemang och avlägsnande från cellväggen av mikrontjocka skivor av lövträ.

Till sist, Oak Ridge National Laboratorys forskare Yunqiao Pu och Arthur Ragauskas visade att lignin extraherat från lövträ förbehandlat med THF-samlösningsmedel var signifikant depolymeriserat och innehöll färre oönskade reaktioner än lignin framställt från andra sura förbehandlingsmetoder.

Genom att sätta lignin först, mycket funktionella hjälplösningsmedel kan hjälpa till att integrera flera bearbetningssteg samtidigt som både lignin och socker lätt kan återvinnas som värdefulla kemiska byggstenar, gör produktionen av förnybart bränsle enklare och mer kostnadseffektiv. Forskargruppen hoppas att genom att avslöja de synergistiska mekanismerna för biomassanedbrytning av hjälplösningsmedel THF och vatten, de kan inspirera andra att identifiera ytterligare multifunktionella samlösningsmedelspar.

Pappret, "Ett multifunktionellt samlösningsmedelspar avslöjar molekylära principer för biomassadekonstruktion, " publiceras i Journal of the American Chemical Society . Förutom Cai och Patri, författare inkluderar Barmak Mostofian; Yunqiao Pu; Nicholas Ciaffone; Mikhael Soliman; Michael Dean Smith; Rajeev Kumar; Xiaolin Cheng; Charles E. Wyman; Laurene Tetard; Arthur J. Ragauskas; Jeremy C. Smith; och Loukas Petridis.