Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno utilizzato la diffusione di neutroni e il supercalcolo per comprendere meglio come un solvente organico e l'acqua lavorano insieme per abbattere la biomassa delle piante, creare un percorso per migliorare significativamente la produzione di biocarburanti e bioprodotti rinnovabili.

La scoperta, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , fa luce su un meccanismo su nanoscala precedentemente sconosciuto che si verifica durante la decostruzione della biomassa e identifica le temperature ottimali per il processo.

"Comprendere questo meccanismo fondamentale può aiutare nella progettazione razionale di tecnologie ancora più efficienti per la lavorazione della biomassa, " ha detto Brian Davison, Capo scienziato dell'ORNL per la biologia dei sistemi e la biotecnologia.

La produzione di biocarburanti da materiale vegetale richiede la rottura dei suoi componenti di cellulosa polimerica ed emicellulosa in zuccheri fermentescibili rimuovendo la lignina intatta, un polimero strutturale presente anche nelle pareti cellulari delle piante, da utilizzare in bioprodotti a valore aggiunto come la plastica. In questo processo vengono spesso impiegate sostanze chimiche liquide note come solventi per dissolvere la biomassa nei suoi componenti molecolari.

Abbinato all'acqua, un solvente chiamato tetraidrofurano, o THF, è particolarmente efficace nella demolizione della biomassa. Scoperto da Charles Wyman e Charles Cai dell'Università della California, lungo il fiume, durante uno studio supportato dal BioEnergy Science Center del DOE presso l'ORNL, la miscela THF-acqua produce elevate rese di zuccheri preservando l'integrità strutturale della lignina per l'uso nei bioprodotti. Il successo di questi cosolventi ha incuriosito gli scienziati dell'ORNL.

"L'utilizzo del THF e dell'acqua per il pretrattamento della biomassa è stato un progresso tecnologico molto importante, " ha detto Loukas Petridis dell'ORNL dell'Università del Tennessee/ORNL Center for Molecular Biophysics. "Ma la scienza dietro non era nota".

Petridis e i suoi colleghi hanno prima eseguito una serie di simulazioni di dinamica molecolare sui supercomputer Titan e Summit presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE presso l'ORNL. Le loro simulazioni hanno mostrato che THF e acqua, che rimangono mescolati alla rinfusa, separare su scala nanometrica per formare cluster sulla biomassa.

Il THF forma selettivamente nanocluster attorno all'idrofobo, o idrorepellente, porzioni di lignina e cellulosa mentre nanocluster complementari ricchi di acqua si formano sull'idrofilo, o amante dell'acqua, porzioni. Questa doppia azione guida la decostruzione della biomassa poiché ciascuno dei solventi dissolve porzioni della cellulosa impedendo alla lignina di formare grumi che limiterebbero l'accesso agli zuccheri cellulosici, un evento comune quando la biomassa viene miscelata in sola acqua.

"Questa è stata una scoperta interessante, " ha detto Petridis. "Ma è sempre importante convalidare le simulazioni con esperimenti per assicurarsi che ciò che le simulazioni riportano corrisponda alla realtà".

Questo fenomeno si verifica alla piccola scala di tre o quattro nanometri. Per confronto, un capello umano è in genere 80, da 000 a 100, 000 nanometri di larghezza. Queste reazioni hanno presentato una sfida significativa da dimostrare in un esperimento fisico.

Scienziati del reattore isotopico ad alto flusso, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE presso l'ORNL, ha superato questa sfida utilizzando la diffusione dei neutroni e una tecnica chiamata corrispondenza del contrasto. Questa tecnica sostituisce selettivamente gli atomi di idrogeno con deuterio, una forma di idrogeno con un neutrone aggiunto, per rendere alcuni componenti della miscela complessa nell'esperimento più visibili ai neutroni rispetto ad altri.

"I neutroni vedono un atomo di idrogeno e un atomo di deuterio in modo molto diverso, " ha detto Sai Venkatesh Pingali di ORNL, uno scienziato dello strumento Bio-SANS che ha eseguito gli esperimenti di diffusione dei neutroni. "Utilizziamo questo approccio per evidenziare selettivamente parti dell'intero sistema, che altrimenti non sarebbe visibile, soprattutto quando sono davvero piccoli".

L'uso del deuterio ha reso la cellulosa invisibile ai neutroni e ha fatto apparire visivamente i nanocluster di THF contro la cellulosa come il proverbiale ago in un pagliaio.

Per imitare la lavorazione della bioraffineria, i ricercatori hanno sviluppato una configurazione sperimentale per riscaldare la miscela di biomassa e solventi e osservare i cambiamenti in tempo reale. Il team ha scoperto che l'azione della miscela THF-acqua sulla biomassa ha efficacemente impedito alla lignina di aggregarsi a tutte le temperature, consentendo una più facile decostruzione della cellulosa. L'aumento della temperatura a 150 gradi Celsius ha innescato la rottura delle microfibrille di cellulosa. Questi dati forniscono nuove informazioni sulla temperatura di lavorazione ideale per questi cosolventi per decostruire la biomassa.

"Questo è stato uno sforzo collaborativo con i biologi, esperti di calcolo e scienziati dei neutroni che lavorano in tandem per rispondere alla sfida scientifica e fornire conoscenze rilevanti per il settore, "Ha detto Davison. "Il metodo potrebbe alimentare ulteriori scoperte su altri solventi e aiutare a far crescere la bioeconomia".