Новый метод ускоряет поиск лучших ионных жидкостей для предобработки биомассы
Второе поколение биотоплива, производимого из несъедобного растительного материала (отходов сельского хозяйства, опилок, быстрорастущих сорняков), рассматривается как перспективная замена бензину. Ключевым барьером на пути к этому является поиск эффективных способов расщепления лигноцеллюлозной биомассы на ферментируемые сахара.
Ионные жидкости — соли, жидкие при комнатной температуре — показывают потенциал для растворения лигноцеллюлозы и последующего гидролиза в сахара. Однако самые эффективные из них слишком дороги для массового применения, а механизм их работы изучен плохо. Понимание этого механизма открыло бы путь к поиску новых, более подходящих вариантов.
Исследователи из Объединенного института биоэнергетики (JBEI) разработали новую методику, дающую ответы на эти вопросы. Она основана на естественной автофлуоресценции клеточных стенок растений. Этот подход впервые позволяет в реальном времени отслеживать процесс растворения во время предобработки биомассы ионной жидкостью, а также быстро и точно оценивать её эффективность без трудоемкого химического и иммунологического мечения.
Работая с мискантусом и ионной жидкостью EmimAc (1-n-ethyl-3-methylimidazolium acetate), наиболее эффективной на сегодня, ученые наблюдали быстрое набухание вторичных клеточных стенок в течение трех часов при относительно мягкой температуре 120 градусов Цельсия.
«Мы объяснили это набухание нарушением меж- и внутримолекулярных водородных связей между целлюлозными фибриллами и лигнином. За набуханием последовало полное растворение биомассы. Это первое исследование, показывающее процесс, посредством которого происходит растворение биомассы при предобработке ионной жидкостью», — говорит Блейк Симмонс, главный исследователь работы.
После растворения биомассы на три компонента (целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин) добавление анти-растворителя, например воды, привело к осаждению сахаров, в то время как лигнин остался в растворе. Это подтвердило, что предобработка эффективно разрушила рекальцитрантность биомассы и помогла высвободить ферментируемые сахара.
«По сравнению с необработанной биомассой, биомасса, предобработанная ионной жидкостью, дает целлюлозу, которая эффективно гидролизуется коммерческим коктейлем целлюлаз и обеспечивает выход сахаров за относительно короткое время», — отмечает Симмонс.
Результаты исследования опубликованы в журнале Biotechnology and Bioengeering.
Автофлуоресценция, часто считавшаяся помехой для визуализации, была превращена в эффективный инструмент. Используя её в комбинации с методами микроскопии и спектроскопии, ученые смогли картировать и визуализировать целлюлозу и лигнин сначала в исходном мискантусе, а затем во время обработки ионной жидкостью EmimAc.
«Наш подход можно использовать для оценки деконструкции лигноцеллюлозы в биомассе разного химического состава, а также для определения влияния генетически модифицированного сырья», — говорит Симмонс.
Конечная цель — найти ионную жидкость, способную эффективно предобрабатывать биомассу, и масштабировать её использование в экономически эффективный процесс для биорефинеров. В идеале — идентифицировать одну универсальную ионную жидкость, способную производить обогащенные потоки полисахаридов и лигнина независимо от типа сырья.
«Прямо сейчас ионные жидкости — это лабораторная методика. Существуют научные и инженерные препятствия, которые необходимо преодолеть, прежде чем эта технология будет готова к промышленному применению. Но цели ясны, и ионные жидкости предлагают преимущества в обработке, которые не может обеспечить ни одна другая существующая коммерческая технология предварительной обработки», — заключает Симмонс.
Источник: Lawrence Berkeley National Laboratory