Ученые из Национальной лабораторией Министерства энергетики в Оук-Ридж, используемого нейтронного рассеяния и суперкомпьютерных чтобы лучше понять, как органический растворитель и вода работают вместе, чтобы сломать растительной биомассы, создавая путь для существенного улучшения производства возобновляемого биотоплива и биопродуктов.
Открытие, опубликованное в Трудах Национальной академии наук, проливает свет на ранее неизвестный механизм наноуровне, которая возникает при демонтаже биомассы и определены оптимальные температуры для процесса.
«Понимание этого фундаментального механизма может помочь в рациональной разработке еще более эффективных технологий для переработки биомассы», — сказал Брайан Дэвисон, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Ок-Риджа в системной биологии и биотехнологии.
Производство биотоплива из растительного сырья требует разрыва полимерной целлюлозы и компонентов гемицеллюлоз в сбраживаемые сахара при удалении нетронутым лигнин — структурный полимер также находится в клеточных стенках растений — для использования в добавленной стоимости биопродуктов, таких как пластик. Жидкие вещества в качестве растворителей часто используются в этом процессе, чтобы растворить биомассы в ее молекулярных компонентов.
В паре с водой, растворителем называют тетрагидрофуран, или ТГФ, является особенно эффективным при разрушении биомассы. Открыт Карлом Вайман и Чарльз Цай из Университета Калифорнии, Риверсайд, в ходе исследования, проведенного при поддержке Научного центра биоэнергетики ДОУ в ORNL, ТГФ-вода смесь производит высокие урожаи сахаров при сохранении структурной целостности лигнина для использования в биопродукты. Успех этих cosolvents заинтриговал ученых Национальной лаборатории Ок-Риджа.
«С помощью ТГФ и воды для предварительной обработки биомассы является очень важным технологическим достижением», — сказал Лукас Петридис ORNL, США, Университет штата Теннесси/ORNL, США Центра молекулярной биофизики. «Но наука за это не было известно.»
Петридис и его коллеги первыми провели ряд молекулярно-динамического моделирования на Титан и на высшем уровне суперкомпьютеров в руководстве дуб вычислительного комплекса хребта, офис ДОУ науки пользователем объекта в ORNL. Их моделирование показало, что ТГФ и воды, которые остаются смешанные навалом, отдельно на наноуровне к формированию кластеров на биомассе.
ТГФ выборочно форм нанокластеров вокруг гидрофобные или водоотталкивающие, части лигнина и целлюлозы, а дополняют богатые водой нанокластеры образуют на гидрофильные, или влаголюбивых, порциями. Это двойное действие приводит в деконструкции, а биомасса каждого из растворителей растворяет участки целлюлозы, предотвращая лигнина, образуя комки, которые могут ограничить доступ на целлюлозных сахаров — обычное дело, когда биомасса смешивается в водой.
«Это была интересная находка», — сказал Петридис. «Но это всегда важно, чтобы проверить моделирования с экспериментами, чтобы убедиться, что доклад моделирование соответствует действительности».
Это явление происходит в маленьком масштабе от трех до четырех нанометров. Для сравнения, человеческий волос обычно шириной 80 000 до 100 000 нанометров. Эти реакции представляют значительный задача продемонстрировать в физическом эксперименте.
Ученые на высокой изотопном реакторе Министерства энергетики США офис науки пользователем объекта в ORNL, преодолели эту проблему с помощью рассеяния нейтронов и метод контрастного сопоставления. Этот метод избирательно замещает атомы водорода дейтерием, в виде водорода с добавлением нейтронов, чтобы убедиться компонентов сложной смеси в эксперименте более заметным для нейтронов, чем другие.
«Нейтроны видел атома водорода и атома дейтерия очень по-разному», — сказал ORNL, США в Саи Венкатеш Пинджулы, био-Санс ученый инструмент, который выполнил нейтронографические эксперименты. «Мы используем этот подход для селективного выделения частей всей системы, которая в противном случае не будет видна, особенно когда они очень маленькие.»
Использование дейтерия, оказываемых целлюлозы невидимых нейтронов и сделал нанокластеров ТГФ визуально выскочить в отношении целлюлозы, как пресловутую иголку в стоге сена.
Для имитации обработки завода по производству биотоплива, ученые разработали экспериментальную установку для нагрева смеси биомассы и растворителей и наблюдать изменения в реальном времени. Ученые обнаружили действие ТГФ-вода смесь биомассы фактически лигнина от слипания при всех температурах, что позволяет легче деструкцию целлюлозы. Повышение температуры до 150 градусов по Цельсию срабатывает срыв microfibril целлюлозы. Эти данные позволяют по-новому взглянуть на идеальную температуру обработки для этих cosolvents деконструировать биомассы.
«Это была совместная работа с биологами, вычислительная экспертов и ученых нейтронов, работающих в тандеме, чтобы ответить на вызов науки и обеспечивают соответствующие знания», — сказал Дэвисон. «Способ может вызвать еще открытий о прочие растворители и помочь развитию биоэкономики».
почувствуйте разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!