2020年7月16日
科学家在美国能源部橡树岭国家实验室利用中子散射和超级计算机来更好地了解有机溶剂和水一起工作分解植物生物量,创建一个路径来显著改善的生产可再生生物燃料和bioproducts。
该发现发表在美国国家科学院院刊》上欧洲杯线上买球纳米尺度,揭示了一个前所未知的机制发生在生物质解构为流程和确定最佳的温度。
“理解这个基本机制可以帮助更有效的理性设计技术处理生物质,”布赖恩说戴维森,ORNL首席科学家为系统生物学和生物技术。
从植物原料生产生物燃料需要将其高分子纤维素和半纤维素组件分解成可发酵糖,同时删除完整的木质素,结构聚合物还发现在植物细胞壁,用于等增值bioproducts塑料。液体化学物质称为溶剂通常受雇于这个过程将生物质溶解到其分子组件。
配水、溶剂四氢呋喃,或四氢呋喃,特别有效的生物分解。发现的查尔斯·奥和查尔斯Cai的加州大学河滨分校,在能源部赞助的一项研究的生物能源科学中心ORNL, THF-water混合糖的产生高收益,同时保留用于bioproducts木质素的结构完整性。欧洲杯线上买球这些助溶剂好奇ORNL的成功的科学家。
“使用四氢呋喃和水预处理生物质是一个非常重要的技术进步,“说ORNL的卢卡Petridis田纳西大学/ ORNL的分子生物物理学中心。“但不清楚背后的科欧洲杯线上买球学。”
Petridis和他的同事们第一次运行一系列的分子动力学模拟在泰坦和橡树岭领导峰会超级计算机计算设施,ORNL能源部科学办公室的用户设备。欧洲杯线上买球模拟表明,四氢呋喃和水,保持散装混合,单独生物质在纳米尺度上形成集群。
四氢呋喃选择性地形成疏水纳米束,或者研发,部分木质素和纤维素,补充富含水分束形成亲水,或水的部分。这种双重作用驱动的解构的生物质作为溶剂溶解的每个部分纤维素而阻止木质素形成团块,将限制访问当生物质纤维素糖——一个常见用法是独自在水混合。
“这是一个有趣的发现,”Petridis说。“但它总是重要的仿真与实验验证,以确保模拟报告对应的现实。”
这种现象发生在三到四个纳米的小尺度。相比之下,人的头发通常是80000到100000纳米宽。这些反应了一个重大的挑战在物理实验演示。
科学家高通量同位素反应堆,美国能源部科学办公室用户设备ORNL,克服这一挑战使用中子散射和一种叫做对比匹配的技术。欧洲杯线上买球这种技术选择性取代氢和氘原子,氢和一个额外的中子的一种形式,确定组件的复杂混合物实验比其他人更可见中子。
“中子看到一个氢原子和一个氘原子非常不同,”说ORNL的赛Venkatesh Pingali Bio-SANS仪器的科学家进行了中子散射实验。“我们使用这种方法有选择地突出部分的整个系统,否则他们不会是可见的,特别是当他们很小。”
使用氘呈现的四氢呋喃制备纤维素无形的中子,使视觉上弹出对纤维素像众所周知的海里捞针。
模仿生物处理,研究人员开发了一个实验装置加热生物质和溶剂的混合物和实时观察变化。研究小组发现的行动THF-water混合生物质能有效阻止木质素凝结温度,使纤维素的简单解构。增加温度150摄氏度引发纤维素微纤维分解。这些数据提供了新的见解的理想加工温度这些助溶剂来解构生物量。
“这是一个合作与生物学家、计算专家和中子科学家在串联接工作的科学挑战,提供航空业相关知识,”戴维森说。“该方法可以进一步发现其他溶剂和帮助bioeconomy的增长。”
这项研究的合作者包括赛Venkatesh Pingali, Micholas史密斯Yunqiao Pu、Riddhi沙,芭芭拉•埃文斯Volker城市,布莱恩·戴维森休·奥尼尔,阿瑟·Ragauskas和卢卡Petridis ORNL;Shih-Hsien Liu Takat拉瓦尔大声回答,和杰里米·史密斯UT / ORNL中心的分子生物物理学和查尔斯Cai的加州大学河滨分校。
生物和环境研究办公室在美国能源部科学办公室支持研究和Bio-SANS仪器高通量同位素反应堆。欧洲杯线上买球研究HFIR使用资源和橡树岭领导计算设施;都是美国能源部科学办公室用户设备。欧洲杯线上买球
UT-Battelle管理ORNL能源部科学办公室。欧洲杯线上买球最大的支持者在物理科学基础研究在美国,科学的办公室正在努力解决一些最紧迫的挑战我们的时间。欧洲杯线上买球
来源:https://www.ornl.gov/