Los combustibles hechos de desechos agrícolas o forestales conocidos como biomasa lignocelulósica han sido durante mucho tiempo un campeón en la búsqueda para reducir el uso de combustibles fósiles. Pero las paredes celulares de las plantas tienen algunas defensas innatas que hacen que el proceso para descomponerlos sea más difícil y costoso de lo que espodría ser.
En un salto hacia adelante que podría ser un cambio de juego para comprender cómo la biomasa de la planta se puede descomponer de manera más eficiente, un equipo de investigación de la Universidad de California, Riverside, ha unido fuerzas con los equipos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Florida Centralpara crear una hoja de ruta química para romper estas defensas.
Para acceder a los azúcares ricos en energía que se encuentran en las paredes celulares de las plantas, los investigadores han renovado el enfoque en la solvatación de la lignina, un polímero complejo que también se encuentra en las paredes celulares de las plantas y que actúa como un escudo natural, bloqueando el ataque químico y biológico.es particularmente eficaz para evitar que las enzimas comerciales digieran la celulosa, que constituye la mayor parte de los azúcares que se encuentran en la biomasa.
En el pasado, se utilizaron diferentes productos químicos especializados y métodos de pretratamiento para mejorar el acceso enzimático a la celulosa, pero fueron ineficaces para eliminar la lignina. El uso de tratamientos con ácidos fuertes, líquidos iónicos, amoníaco y sulfito ha mejorado algo la digestibilidad de la celulosa,pero estos métodos también dejan atrás la lignina, lo que hace que la celulosa sea costosa de recuperar. Otros métodos han aplicado codisolventes como el etanol y el solvato de acetona para eliminar la lignina, pero requieren temperaturas de reacción muy altas que también hacen que los azúcares restantes se degraden.
Como resultado, aún no se han realizado métodos económicamente viables para transformar la biomasa en biocombustibles.
Charles Cai, ingeniero asistente de investigación en el Centro de Investigación y Tecnología Ambiental en la Facultad de Ingeniería Marlan y Rosemary Bourns en UC Riverside, y Abhishek S. Patri, estudiante de doctorado en ingeniería química y ambiental, lideraron un equipo de investigadorestomando una nueva dirección para enfocarse en identificar codisolventes altamente especializados, sustancias agregadas a un solvente primario para hacerlo más efectivo, que pueden facilitar la solvatación a temperatura más suave y la liberación de lignina de las paredes celulares de las plantas. Esto se conoce como "lignina-primer "enfoque para descomponer la biomasa.
Los investigadores de UC Riverside alistaron al equipo de investigación en el Centro de Biofísica Molecular del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, dirigido por Jeremy Smith, para ayudar a construir una simulación molecular de 1.5 millones de átomos para revelar cómo el par de codisolventes consiste en tetrahidrofurano o THF, yel agua es particularmente efectiva para alterar las interacciones entre la lignina y la celulosa, ayudando a impulsar múltiples mecanismos clave responsables de descomponer la biomasa.
El equipo descubrió que el tratamiento previo de la biomasa vegetal con THF-agua hizo que los glóbulos de lignina en la superficie de la celulosa se expandieran y se separaran entre sí y lejos de las fibras de celulosa. La lignina expandida también estuvo más expuesta a la fragmentación catalítica por ácido diluido.Como resultado, la lignina podría despolimerizarse, solubilizarse y transportarse más eficientemente fuera de la pared celular en condiciones de tratamiento más leves.
La eliminación casi completa de la lignina también permitió que las fibras de celulosa restantes fueran más susceptibles al ataque enzimático. De hecho, después del tratamiento con codisolventes de THF suave, las enzimas agregadas a los sólidos ricos en celulosa restantes lograron una hidrólisis completa a los azúcares de glucosa.
Investigadores colaboradores de la Universidad de Florida Central, liderados por Laurene Tetard, ayudaron a confirmar las observaciones realizadas a partir de las simulaciones moleculares y los estudios enzimáticos mediante el uso de láseres potentes e imágenes nano-infrarrojas para rastrear ópticamente la reorganización y eliminación de la lignina de la pared celular derebanadas de madera dura de un micrón de espesor.
Finalmente, los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Yunqiao Pu y Arthur Ragauskas, demostraron que la lignina extraída de la madera dura pretratada con codisolvente THF se despolimerizó significativamente y contenía menos reacciones no deseadas que la lignina producida por otros métodos de pretratamiento ácido.
Al poner la lignina primero, los codisolventes altamente funcionales pueden ayudar a integrar múltiples pasos de procesamiento al tiempo que permiten que tanto la lignina como los azúcares se recuperen fácilmente como valiosos componentes químicos, haciendo que la producción de combustible renovable sea más fácil y rentable. El equipo de investigación esperaque al revelar los mecanismos sinérgicos de descomposición de biomasa por codisolventes THF y agua, pueden inspirar a otros a identificar pares de codisolventes multifuncionales adicionales.
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Materiales proporcionado por Universidad de California - Riverside . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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