I combustibili ricavati da rifiuti agricoli o forestali noti come biomassa lignocellulosica sono stati a lungo un campione nella ricerca per ridurre l'uso di combustibili fossili. Ma le pareti cellulari delle piante hanno alcune difese innate che rendono il processo per abbatterle più difficile e costoso di quanto potrebbe essere.

In un balzo in avanti che potrebbe essere un punto di svolta per capire come la biomassa vegetale può essere scomposta in modo più efficiente, un gruppo di ricerca presso l'Università della California, Riverside ha unito le forze con i team dell'Oak Ridge National Laboratory e dell'Università della Florida centrale per creare una tabella di marcia chimica per violare queste difese.

Per accedere agli zuccheri ricchi di energia che si trovano nelle pareti cellulari delle piante, i ricercatori hanno rinnovato l'attenzione sulla solvatazione della lignina, un polimero complesso presente anche nelle pareti cellulari delle piante che funge da scudo naturale, bloccando sia l'attacco chimico che quello biologico. La lignina è particolarmente efficace nell'impedire agli enzimi commerciali di digerire la cellulosa, che costituisce la maggior parte degli zuccheri presenti nella biomassa.

Nel passato, diversi prodotti chimici specializzati e metodi di pretrattamento sono stati utilizzati per migliorare l'accesso degli enzimi alla cellulosa, ma sono risultati inefficaci nella rimozione della lignina. L'uso di acidi forti, liquidi ionici, ammoniaca, e i trattamenti al solfito hanno in qualche modo migliorato la digeribilità della cellulosa, ma questi metodi lasciano anche la lignina, rendendo la cellulosa costosa da recuperare. Altri metodi hanno applicato co-solventi come etanolo e acetone solvato per rimuovere la lignina, ma richiedono temperature di reazione molto elevate che fanno degradare anche gli zuccheri rimanenti.

Di conseguenza, devono ancora essere realizzati metodi economicamente sostenibili per trasformare la biomassa in biocarburanti.

Carlo Cai, un assistente tecnico di ricerca presso il Center for Environmental Research and Technology del Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering presso l'UC Riverside, e Abhishek S. Patri, uno studente di dottorato in ingegneria chimica e ambientale, ha portato un team di ricercatori a prendere una nuova direzione per concentrarsi sull'identificazione di co-solventi altamente specializzati, sostanze aggiunte a un solvente primario per renderlo più efficace, che possono facilitare la solvatazione a temperatura più mite e il rilascio di lignina dalle pareti cellulari delle piante. Questo è noto come approccio "lignina-first" per abbattere la biomassa.

I ricercatori della UC Riverside hanno arruolato il team di ricerca presso il Centro di biofisica molecolare dell'Oak Ridge National Laboratory, guidato da Jeremy Smith, per aiutare a costruire una simulazione molecolare di 1,5 milioni di atomi per rivelare come la coppia di co-solvente costituita da tetraidrofurano, o THF, e l'acqua sono particolarmente efficaci nell'alterare le interazioni tra lignina e cellulosa, contribuendo a guidare molteplici meccanismi chiave responsabili della scomposizione della biomassa.

Il team ha scoperto che il pretrattamento della biomassa vegetale con acqua THF ha causato l'espansione e la rottura dei globuli di lignina sulla superficie della cellulosa l'uno dall'altro e dalle fibre di cellulosa. La lignina espansa era anche più esposta alla frammentazione catalitica da parte dell'acido diluito. Di conseguenza, la lignina potrebbe essere depolimerizzata in modo più efficiente, solubilizzato, e trasportato fuori dalla parete cellulare in condizioni di trattamento più blande.

La rimozione quasi completa della lignina ha anche permesso alle restanti fibre di cellulosa di essere più suscettibili all'attacco enzimatico. Infatti, dopo un lieve trattamento con co-solvente THF, gli enzimi aggiunti ai restanti solidi ricchi di cellulosa hanno ottenuto l'idrolisi completa in zuccheri di glucosio.

Ricercatori collaboranti presso l'Università della Florida centrale, guidato da Laurene Tetard, ha contribuito a confermare le osservazioni fatte dalle simulazioni molecolari e dagli studi enzimatici utilizzando potenti laser e immagini a nanoinfrarossi per tracciare otticamente il riarrangiamento della lignina e la rimozione dalla parete cellulare di fette di legno duro spesse micron.

Finalmente, I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory Yunqiao Pu e Arthur Ragauskas hanno dimostrato che la lignina estratta da legno duro pretrattato con co-solvente THF era significativamente depolimerizzata e conteneva meno reazioni indesiderate rispetto alla lignina prodotta da altri metodi di pretrattamento acido.

Mettendo al primo posto la lignina, i co-solventi altamente funzionali possono aiutare a integrare più fasi di lavorazione consentendo al tempo stesso di recuperare facilmente sia la lignina che gli zuccheri come preziosi elementi costitutivi chimici, rendendo la produzione di combustibili rinnovabili più facile e più conveniente. Il team di ricerca spera che, rivelando i meccanismi sinergici della scomposizione della biomassa da parte dei co-solventi THF e acqua, possono ispirare altri a identificare ulteriori coppie di co-solventi multifunzionali.

La carta, "Una coppia di co-solventi multifunzionali rivela i principi molecolari della decostruzione della biomassa, " è pubblicato nel Giornale della Società Chimica Americana . Oltre a Cai e Patri, gli autori includono Barmak Mostofian; Yunqiao Pu; Nicola Ciaffone; Michael Soliman; Michael Dean Smith; Rajeev Kumar; Xiaolin Cheng; Charles E. Wyman; Laurene Tetard; Arthur J. Ragauskas; Jeremy C. Smith; e Loukas Petridis.