NREL ломает стены для биотоплива
Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и производители этанола стремятся найти способы производства этанола из целлюлозной биомассы, которые были бы дешевле и проще существующих методов. Но они упираются в стену. Клеточные стенки растений делают производство целлюлозного этанола сложной задачей. Поэтому исследователи создают собственную компьютерную программу для моделирования и «разрушения» крошечных волокон целлюлозы — фибрилл, — содержащихся в растительных клетках.
Хотя этанол становится всё более доступным, NREL в тесном сотрудничестве с Министерством энергетики США (DOE) работает над достижением быстро приближающейся цели: производить конкурентоспособный этанол по цене $1.50 за галлон к 2012 году. DOE считает, что именно по этой цене этанол сможет напрямую конкурировать с бензином, пока США стремятся снизить зависимость от нефти. Кроме того, Закон об энергетической независимости и безопасности 2007 года требует, чтобы к 2012 году США использовали 15 миллиардов галлонов возобновляемого топлива. Всё это означает, что стране нужно найти способы производить больше этанола и быстро. Чтобы помочь в достижении этой цели, исследователи NREL ищут пути сделать целлюлозный этанол более дешёвой и быстрой реальностью.
«Чтобы снизить стоимость целлюлозного этанола, мы должны понять, как расщепить растительные клетки на сахара, необходимые для производства этанола», — говорит исследователь NREL Антти-Пекка Хюннинен. — «Целлюлозные фибриллы этих растений очень длинные, поэтому мы используем компьютерное моделирование, чтобы увидеть, как мы можем их разорвать».
Растения от природы прочны
В настоящее время в США нет заводов, которые бы производили этанол из несъедобных частей растений, таких как стебли кукурузы, травы или древесная щепа. Весь коммерчески доступный этанол производится «лёгким» способом — из крахмалистых продуктов, таких как зёрна кукурузы, потому что крахмалы гораздо легче расщепить и превратить в сахара. Целлюлозная биомасса содержит сахара, до которых гораздо труднее добраться, потому что растения объединяют их в целлюлозные волокна и используют эти более прочные волокна в качестве каркаса, чтобы поддерживать растение и защищать клетки от внешних воздействий.
«Целлюлоза сгруппирована в пучки и придаёт прочность клеточным стенкам растений», — говорит ведущий учёный Марк Нимлос. — «Нам нужно больше узнать о том, как они сгруппированы и прикреплены к клеточным стенкам, чтобы мы могли разобрать их для производства большего количества этанола, который будет дешевле и потребует меньше энергии для производства».
Исследователи NREL обычно изучают целлюлозные фибриллы длиной от 500 до 1000 единиц глюкозы и выясняют самый простой способ их разорвать. Однако эти фибриллы слишком велики для изучения с помощью современных компьютерных моделей.
«Сейчас техника заключается в рассмотрении каждого атома в каждом волокне, что непрактично с использованием существующих компьютеров», — говорит Нимлос. — «Нам нужно группировать атомы в бусины, или более крупные гранулы».
Новый подход к компьютерному моделированию
NREL нанял Хюннинена в начале этого года. У него есть докторская степень по физике Утрехтского университета в Нидерландах. Хюннинен надеется преодолеть проблему, связанную с такими большими молекулами, путём создания более простой «крупнозернистой» (coarse-grained) компьютерной модели целлюлозных фибрилл. В этом новом подходе несколько атомов (обычно от 3 до 7) группируются в одну сферическую «бусину». Модель затем строится из этих бусин. Ожидается, что новая модель позволит проводить компьютерное моделирование в 10–100 раз быстрее.
«Большой вопрос, на который нам нужно ответить, — как определить силы между бусинами», — говорит Хюннинен. — «Эти силы должны быть равны силам, действующим в атомарной модели. В данный момент наша работа сосредоточена на создании программных инструментов, которые переносят эти атомарные силы на крупнозернистую модель».
«Ключ здесь в том, как избавиться от деталей и сохранить общую картину», — говорит старший научный сотрудник Майк Кроули. — «Мы не можем смоделировать каждую деталь каждого атома. Представьте моделирование столкновения двух автомобилей. Изучая силу удара, вы не рассматриваете поршни в двигателе, вы смотрите на само транспортное средство, даже если оно состоит из множества деталей. Нам нужно смотреть на более крупные сегменты, чтобы смоделировать клетку в целом. Звучит просто, но это очень сложно».
Сложность задачи является мотивацией для Хюннинена и делает его ценным членом команды NREL. «Опыт Антти-Пекки в программировании означает, что он садится и пишет нужную программу, не ограничиваясь существующим программным обеспечением», — говорит Кроули. — «Он виртуоз, который может заставить компьютер делать то, что ему нужно».
Сам Хюннинен рассматривает свою работу более математически. «Моя цель — просто решить проблему, которая оказывает влияние на нашу жизнь и меняет её к лучшему», — говорит он. — «Это хороший пример прикладной науки, работающей над реальными проблемами и целями, которых нам нужно достичь».
Следующие шаги для программы, официально названной «Мезомасштабное компьютерное моделирование полисахаридов в клеточных стенках растений», — это валидация модели и публикация работы, проделанной в NREL, чтобы этот тип моделирования можно было использовать в других областях.
«Я верю, что этот же метод можно использовать для других систем, и они не обязательно должны быть целлюлозными или белковыми — есть потенциал для множества применений», — сказал Хюннинен.