Раскрытие химических деталей процесса расщепления биомассы
Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL) Министерства энергетики США (DOE) обнаружили химические детали, лежащие в основе облегченного превращения древесных растений и отходов биомассы в биотопливо.
Ключевой метод и открытие
Команда под руководством Джереми Смита использовала компьютерное моделирование для изучения химии деконструкции лигноцеллюлозной биомассы. Они исследовали метод предварительной обработки, разработанный ранее в Центре биоэнергетических наук (BioEnergy Science Center). Этот метод — фракционирование лигноцеллюлозы с усиленным косольвентом — использует водные растворы тетрагидрофурана (THF) для инициации делигнификации.
В проекте под руководством постдока Бармака Мостофиана команда создала модели до 330 000 атомов и провела симуляции на суперкомпьютере Cray XK7 Titan в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF).
Основное открытие: косольвентная смесь THF-вода фазово разделяется на гранях кристаллического целлюлозного волокна:
- THF преимущественно связывается с гидрофобными ("боящимися воды") гранями целлюлозы.
- Вода преимущественно связывается с гидрофильными ("любящими воду") гранями.
THF усиливает связывание молекул воды с гликозидными связями, соединяющими молекулы сахара, что потенциально увеличивает гидролиз — химическое расщепление целлюлозы водой.
Значение и перспективы
Это открытие дает детальное понимание химических свойств, стоящих за деконструкцией биомассы. Оно поможет в будущем идентифицировать новые косольвенты.
"Эта информация поможет нам найти минимальное количество параметров, которые нужно рассчитать, чтобы определить, подходит ли растворитель для лигноцеллюлозы", — сказал исследователь Миколас Смит.
Результаты представляют собой первый шаг к определению полного пути, по которому косольвент THF-вода расщепляет целлюлозу. В будущем, с увеличением вычислительной мощности, ученые смогут симулировать весь путь деградации биомассы, чтобы понять, что происходит между начальным и конечным состояниями.