La biomasa lignocelulósica, materia vegetal como los tallos de maíz, paja y plantas leñosas, es una fuente sostenible para la producción de combustibles y químicos de base biológica. Sin embargo, la deconstrucción de biomasa es uno de los procesos más complejos en las tecnologías de bioenergía.Aunque los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge ORNL del Departamento de Energía de EE. UU. DOE ya habían descubierto información sobre cómo las plantas leñosas y la biomasa residual se pueden convertir en biocombustible con mayor facilidad, ahora han descubierto los detalles químicos detrás de ese proceso.
Un equipo dirigido por Jeremy Smith, Presidente de la Gobernadora ORNL de la Universidad de Tennessee UT y director del Centro UT-ORNL de Biofísica Molecular CMB, utiliza simulaciones por computadora para investigar la química de la deconstrucción de biomasa. Colaboradores de Smith deEl BioEnergy Science Center, un DOE Bioenergy Research Center dirigido por ORNL, desarrolló previamente un método de pretratamiento para descomponer la biomasa que inicia la designificación, la eliminación de la molécula rígida de la planta lignina., un solvente orgánico versátil. Esta mezcla de codisolventes interactúa de manera única con la celulosa, el componente estructural principal de las paredes celulares de las plantas, para permitir su descomposición.
La descomposición de la celulosa es esencial para su conversión en etanol, un biocombustible renovable hecho de plantas. Cuando los científicos entiendan más detalles sobre el proceso de descomposición de la celulosa, podrán mejorar el método de pretratamiento actual o encontrar nuevos solventes de manera más eficiente.
En un proyecto liderado por Barmak Mostofian, un investigador postdoctoral de CMB, el equipo de Jeremy Smith creó modelos de hasta 330,000 átomos y realizó simulaciones en la supercomputadora insignia de ORNL: el Titan Cray XK7 ubicado en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge OLCF,una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE: a principios de este año, descubrieron que la fase cosolvente de THF-agua se separa en las caras de la fibra de celulosa cristalina. Estas caras son regiones distintas con las que ciertas enzimas o moléculas pueden interactuar., El THF se une preferentemente a las caras hidrofóbicas o "temerosas del agua" de la celulosa, y el agua se une preferentemente a las caras hidrofílicas o "amantes del agua". El THF mejora la unión de las moléculas de agua a los enlaces que unen dos azúcaresmoléculas, que potencialmente pueden aumentar la hidrólisis, la descomposición química de la celulosa por el agua.
"Vimos esta separación de fases, y sabíamos que podría significar que había una química en la superficie que no habíamos observado, que no habíamos considerado antes", dijo Micholas Smith, otro investigador postdoctoral de CMB..
El equipo también descubrió que cuando rompieron la celulosa, las cadenas individuales de celulosa se rodearon principalmente de agua, mientras que el THF, debido a su estructura molecular, permaneció unido a las superficies hidrofóbicas de la celulosa. Estos resultados proporcionaron a los investigadores uncomprensión fina de las propiedades químicas detrás de la deconstrucción de la biomasa lignocelulósica.
Los investigadores dicen que este descubrimiento los ayudará a identificar nuevos codisolventes en el futuro. "Esta información nos ayudará a encontrar la cantidad mínima de cosas que necesitamos calcular para saber si un solvente es bueno para la lignocelulosa", dijo Micholas Smith. "Con suerte,eventualmente podremos escribir un programa que cree un mejor proceso de selección de solventes y seleccione automáticamente los mejores ".
El hallazgo representa un primer paso para determinar el camino completo que toma el codisolvente THF-agua para descomponer la celulosa. "Ahora estamos limitados a observar los dos estados finales del proceso de deconstrucción de celulosa", dijo el investigador de CMB Xiaolin Cheng ".Si podemos trazar la ruta completa, eso será más relevante. En el futuro, con más poder de cómputo, podremos simular la ruta de degradación de la biomasa lignocelulósica para comprender lo que sucede entre los dos puntos finales ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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