Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory använde neutronspridning och superdatorer för att bättre förstå hur ett organiskt lösningsmedel och vatten samverkar för att bryta ner växtbiomassa, skapa en väg för att avsevärt förbättra produktionen av förnybara biobränslen och bioprodukter.

Upptäckten, publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , belyser en tidigare okänd mekanism i nanoskala som uppstår under biomassadekonstruktion och identifierar optimala temperaturer för processen.

"Att förstå denna grundläggande mekanism kan hjälpa till med en rationell utformning av ännu effektivare teknologier för bearbetning av biomassa, sa Brian Davison, ORNL chefsvetare för systembiologi och bioteknik.

Att producera biobränslen från växtmaterial kräver att dess polymera cellulosa- och hemicellulosakomponenter bryts till fermenterbara sockerarter samtidigt som det intakta ligninet tas bort - en strukturell polymer som också finns i växtcellväggar - för användning i förädlade bioprodukter som plast. Flytande kemikalier som kallas lösningsmedel används ofta i denna process för att lösa upp biomassan i dess molekylära komponenter.

Parat med vatten, ett lösningsmedel som heter tetrahydrofuran, eller THF, är särskilt effektivt för att bryta ner biomassa. Upptäckt av Charles Wyman och Charles Cai vid University of California, Riverside, under en studie som stöds av DOE:s BioEnergy Science Center vid ORNL, THF-vattenblandningen ger höga utbyten av sockerarter samtidigt som den bevarar den strukturella integriteten hos ligninet för användning i bioprodukter. Framgången med dessa hjälplösningsmedel fascinerade ORNL-forskare.

"Att använda THF och vatten för att förbehandla biomassa var ett mycket viktigt tekniskt framsteg, " sa ORNL:s Loukas Petridis vid University of Tennessee/ORNL Center for Molecular Biophysics. "Men vetenskapen bakom det var inte känd."

Petridis och hans kollegor körde först en serie simuleringar av molekylär dynamik på superdatorerna Titan och Summit vid Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science-användaranläggning på ORNL. Deras simuleringar visade att THF och vatten, som förblir i bulk, separera på nanoskala för att bilda kluster på biomassa.

THF bildar selektivt nanokluster runt hydrofoba, eller vattenavvisande, delar av lignin och cellulosa medan kompletterande vattenrika nanokluster bildas på de hydrofila, eller vattenälskande, portioner. Denna dubbla verkan driver dekonstruktionen av biomassa eftersom vart och ett av lösningsmedlen löser upp delar av cellulosan samtidigt som det förhindrar lignin från att bilda klumpar som skulle begränsa tillgången till cellulosasockret - en vanlig företeelse när biomassa blandas enbart i vatten.

"Detta var ett intressant fynd, "Men det är alltid viktigt att validera simuleringar med experiment för att säkerställa att det som simuleringarna rapporterar överensstämmer med verkligheten."

Detta fenomen inträffar i den lilla skalan av tre till fyra nanometer. För jämförelse, ett människohår är vanligtvis 80, 000 till 100, 000 nanometer bred. Dessa reaktioner utgjorde en betydande utmaning att demonstrera i ett fysiskt experiment.

Forskare vid högflödesisotopreaktorn, en DOE Office of Science användaranläggning på ORNL, övervann denna utmaning med hjälp av neutronspridning och en teknik som kallas kontrastmatchning. Denna teknik ersätter selektivt väteatomer med deuterium, en form av väte med en tillsatt neutron, att göra vissa komponenter i den komplexa blandningen i experimentet mer synliga för neutroner än andra.

"Neutroner ser en väteatom och en deuteriumatom väldigt olika, " sa ORNLs Sai Venkatesh Pingali, en Bio-SANS instrumentforskare som utförde neutronspridningsexperimenten. "Vi använder detta tillvägagångssätt för att selektivt markera delar av hela systemet, som annars inte skulle synas, speciellt när de är riktigt små."

Användningen av deuterium gjorde cellulosan osynlig för neutroner och fick THF-nanoklusterna att visuellt hoppa ut mot cellulosan som den ökända nålen i en höstack.

För att efterlikna bioraffinaderibearbetning, forskare utvecklade en experimentell uppsättning för att värma blandningen av biomassa och lösningsmedel och observera förändringarna i realtid. Teamet fann att verkan av THF-vattenblandningen på biomassa effektivt hindrade lignin från att klumpa ihop sig vid alla temperaturer, möjliggör enklare dekonstruktion av cellulosan. Ökning av temperaturen till 150 grader Celsius utlöste cellulosamikrofibrillernedbrytning. Dessa data ger nya insikter om den idealiska bearbetningstemperaturen för dessa hjälplösningsmedel för att dekonstruera biomassa.

"Detta var ett samarbete med biologer, beräkningsexperter och neutronforskare som arbetar tillsammans för att svara på den vetenskapliga utmaningen och tillhandahålla industrirelevant kunskap, "Sade Davison. "Metoden skulle kunna driva på ytterligare upptäckter om andra lösningsmedel och hjälpa till att växa bioekonomin."