Использование сельскохозяйственных остатков для топлива и химикатов

Исследовательская группа, в которую входит учёный из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), нашла новый подход к извлечению сахаров, содержащихся в растительных материалах, для превращения побочных продуктов в новое сырьё для производства топлива, материалов и химикатов.

Превращение травы, сорняков, древесины и других растительных остатков в устойчивые продукты, которые обычно производятся из нефти, может стать ключом к достижению углеродной нейтральности.

"Внутренняя ценность биологических отходов играет решающую роль в продвижении циркулярной биоэкономики за счёт эффективного использования органических отходов для создания ценных продуктов или энергии, сводя к минимуму воздействие на окружающую среду", — заявил Санкар Раджу Нараянасами, физикохимик из LLNL.

Нараянасами сотрудничал с коллегами из Колледжа сельскохозяйственных и экологических наук Калифорнийского университета в Дэвисе, Инженерного колледжа Калифорнийского университета в Дэвисе и Программы по структурной биологии и визуализации на синхротроне Беркли (BSISB) в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (LBNL) в исследовании, которое длилось с 2018 по 2023 год.

Их работа, опубликованная в журнале Green Chemistry, должна помочь снизить технологические барьеры и упростить устойчивую переработку растительного материала, включая сельскохозяйственные побочные продукты.

"Мы хотим использовать растительные остатки, и их очень много", — сказала Тина Джео, профессор биологической и сельскохозяйственной инженерии в Калифорнийском университете в Дэвисе.

Нараянасами, Джео и два исследователя из BSISB в LBNL использовали инструмент спектромикроскопии — синхротронный инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье — в лаборатории Беркли для измерения ферментативных реакций в реальном времени в ответ на изменения в окружающей среде. Эта технология позволяет одновременно проводить визуализацию и химический анализ.

Высвобождение сахаров

Биокатализаторам, ускоряющим химические реакции, для определённых превращений, таких как ферментация, необходимы сахара. Недорогие, возобновляемые и устойчивые сахара, не конкурирующие с продовольственным спросом, являются ключом к этой трансформации.

"Эти сахара являются ключом к созданию биоэкономики, основанной на циклическом использовании возобновляемого углерода для альтернатив биотоплива, биохимикатов и биоматериалов версиям, получаемым из ископаемого топлива", — сказала Джео.

Поиск лучшего способа высвобождения сахаров может продвинуть технологии, используемые в устойчивых производственных процессах.

"Функциональные биологические системы зависят от химии, происходящей в правильное время и в правильном месте, — сказал Нараянасами. — Отслеживание местоположения и концентрации молекул с течением времени является ключевым этапом характеристики для этих биологических исследований.

Определить местоположение и концентрацию относительно легко, если интересующая молекула производится в высоких концентрациях или распределена на больших площадях, но точная характеристика небольшого количества молекул, произведённых в нативной биомассе, оставалась проблемой для многих исследователей. И это становится ещё более сложным, когда это необходимо выполнить в открытой среде".

Разработка и демонстрация технологии исследователями из LLNL и LBNL объединила передовые производственные технологии, визуализацию, анализ больших данных и микрофлюидику высокой плотности. Это открывает путь для будущих исследований в LLNL в области био-национальной безопасности, связанных с высокопроизводительной характеристикой биомолекул, таких как ткани, образцы почвы и биомасса в их естественном состоянии.

Технология в ресурсе визуализации BSISB в Беркли позволяет исследователям анализировать инфракрасные длины волн и характеризовать биохимические процессы как в пространстве, так и во времени.

"Это действительно подтвердило многое из того, что мы думали, что видим, и это очень интересно", — сказала Джео.