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溶剂和水的爱恨关系导致更好的生物质分解

作者: 沈阳新闻网 更新时间: 2020年07月10日 21:43:53 游览量: 123

简述:

能源部橡树岭国家实验室的科学家使用中子散射和超级计算来更好地了解有机溶剂和水如何共同作用来分解植物生物

能源部橡树岭国家实验室的科学家使用中子散射和超级计算来更好地了解有机溶剂和水如何共同作用来分解植物生物量,从而创造一条显着改善可再生生物燃料和生物产品生产的途径。

溶剂和水的爱恨关系导致更好的生物质分解

该发现发表在《美国国家科学院院刊》上,阐明了以前未知的纳米级机理,该机理发生在生物质解构过程中,并确定了该过程的最佳温度。

ORNL系统生物学和生物技术首席科学家Brian Davison说:“了解这种基本机制可以帮助合理设计更有效的技术来处理生物质。”

从植物材料生产生物燃料需要将其聚合物纤维素和半纤维素成分分解为可发酵的糖,同时去除完整的木质素(一种在植物细胞壁中也发现的结构性聚合物),以用于增值生物产品,例如塑料。在此过程中经常使用称为溶剂的液体化学品将生物质溶解为其分子成分。

与水配对,称为四氢呋喃或THF的溶剂在分解生物质方面特别有效。在美国能源部位于ORNL的生物能源科学中心支持的一项研究中,由加利福尼亚大学河滨分校的查尔斯·怀曼(Charles Wyman)和查尔斯·蔡(Charles Cai)发现,THF-水混合物可产生高糖分,同时保留木质素在生物产品中的结构完整性。这些助溶剂的成功吸引了ORNL科学家的兴趣。

田纳西大学/ ORNL分子生物物理学中心的ORNL的Loukas Petridis说:“使用THF和水预处理生物质是非常重要的技术进步。” “但是它背后的科学尚未为人所知。”

Petridis和他的同事们首先在橡树岭领导力计算设施(美国橡树岭DOE科学办公室用户设施)的Titan和Summit超级计算机上进行了一系列分子动力学模拟。他们的模拟显示,大量混合的THF和水在纳米级分离,在生物质上形成簇。

THF在木质素和纤维素的疏水或疏水部分周围选择性地形成纳米团簇,而在亲水或亲水部分上形成互补的富水纳米团簇。这种双重作用推动了生物质的解构,因为每种溶剂溶解了纤维素的一部分,同时防止了木质素形成团块,从而限制了对纤维素糖的获取,而生物质仅在水中混合就很常见。

佩特里迪斯说:“这是一个有趣的发现。” “但是通过实验验证模拟始终很重要,以确保模拟报告与现实相符。”

这种现象发生在三到四个纳米的微小范围内。为了进行比较,人的头发通常为80,000至100,000纳米宽。这些反应给物理实验证明了巨大的挑战。

DONL科学办公室用户设施高通量同位素反应堆的科学家使用中子散射和一种称为对比匹配的技术克服了这一挑战。该技术选择性地用氘代替氢原子,氘是添加了中子的氢形式,以使实验中复杂混合物中的某些组分对中子比其他组分更可见。

“中子看到一个氢原子和氘原子非常不同,”橡树岭国家实验室的西文卡塔斯Pingali,谁执行了一个生物SANS仪器的科学家说,中子散射实验。“我们使用这种方法来选择性地突出显示整个系统的某些部分,否则这些部分将是不可见的,尤其是当它们真的很小时。”

氘的使用使纤维素对中子不可见,并使THF纳米簇像干草堆中的谚语针一样在纤维素上突然冒出。

为了模拟生物炼油厂的加工过程,研究人员开发了一种实验装置,可以加热生物质和溶剂的混合物并实时观察变化。研究小组发现,THF-水混合物对生物质的作用有效地防止了木质素在所有温度下结块,从而使纤维素的分解更容易。将温度升高到150摄氏度会触发纤维素微纤维分解。这些数据为这些助溶剂解构生物质的理想加工温度提供了新的见解。

“这是一个合作努力生物学家,计算专家和中子的科学家协同工作,回答的科学挑战,并提供行业相关的知识,”戴维森说。“该方法可以促进其他溶剂的进一步发现,并有助于发展生物经济。”

文章链接:http://www.68nw.com//jksh/90019.html

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