Combustíveis feitos de resíduos agrícolas ou florestais conhecidos como biomassa lignocelulósica há muito são os campeões na busca pela redução do uso de combustíveis fósseis. Mas as paredes das células vegetais têm algumas defesas inatas que tornam o processo de quebrá-las mais difícil e caro do que poderia ser.

Em um salto à frente, isso poderia ser um divisor de águas para a compreensão de como a biomassa vegetal pode ser decomposta de forma mais eficiente, uma equipe de pesquisa da Universidade da Califórnia, A Riverside uniu forças com as equipes do Laboratório Nacional de Oak Ridge e da Universidade da Flórida Central para criar um roteiro químico para romper essas defesas.

A fim de acessar os açúcares ricos em energia encontrados nas paredes celulares das plantas, pesquisadores renovaram o foco na solução de lignina, um polímero complexo também encontrado nas paredes das células vegetais que atua como um escudo natural, bloqueando o ataque químico e biológico. A lignina é particularmente eficaz na prevenção de enzimas comerciais de digerir a celulose, que compõe a maior parte dos açúcares encontrados na biomassa.

No passado, diferentes produtos químicos especializados e métodos de pré-tratamento foram usados ​​para melhorar o acesso das enzimas à celulose, mas foram ineficazes na remoção da lignina. O uso de ácidos fortes, líquidos iônicos, amônia, e os tratamentos com sulfito melhoraram um pouco a digestibilidade da celulose, mas esses métodos também deixam a lignina para trás, tornando a recuperação da celulose cara. Outros métodos têm aplicado co-solventes, como etanol e solvato de acetona para remover a lignina, mas requerem temperaturas de reação muito altas que também causam a degradação dos açúcares restantes.

Como resultado, métodos economicamente viáveis ​​de transformar biomassa em biocombustíveis ainda precisam ser realizados.

Charles Cai, um engenheiro de pesquisa assistente no Centro de Pesquisa Ambiental e Tecnologia da Faculdade de Engenharia de Marlan e Rosemary Bourns na UC Riverside, e Abhishek S. Patri, estudante de doutorado em engenharia química e ambiental, liderou uma equipe de pesquisadores em uma nova direção para se concentrar na identificação de co-solventes altamente especializados, substâncias adicionadas a um solvente primário para torná-lo mais eficaz, que pode facilitar a solvatação em temperatura mais amena e a liberação de lignina das paredes das células vegetais. Isso é conhecido como uma abordagem "primeiro a lignina" para quebrar a biomassa.

Os pesquisadores da UC Riverside alistaram a equipe de pesquisa do Centro de Biofísica Molecular do Oak Ridge National Laboratory, liderado por Jeremy Smith, para ajudar a construir uma simulação molecular de 1,5 milhão de átomos para revelar como o par de cossolvente consistindo de tetrahidrofurano, ou THF, e a água são particularmente eficazes na alteração das interações entre a lignina e a celulose, ajudando a conduzir vários mecanismos principais responsáveis ​​pela decomposição da biomassa.

A equipe descobriu que o pré-tratamento da biomassa vegetal com THF-água fazia com que os glóbulos de lignina na superfície da celulose se expandissem e se separassem uns dos outros e se afastassem das fibras de celulose. A lignina expandida também foi mais exposta à fragmentação catalítica por ácido diluído. Como resultado, a lignina poderia ser despolimerizada de forma mais eficiente, solubilizado, e transportados para fora da parede celular em condições de tratamento mais suaves.

A remoção quase completa da lignina também permitiu que as fibras de celulose remanescentes fossem mais suscetíveis ao ataque enzimático. Na verdade, após tratamento suave com co-solvente THF, as enzimas adicionadas aos sólidos ricos em celulose restantes alcançaram a hidrólise completa em açúcares de glicose.

Pesquisadores colaboradores da University of Central Florida, liderado por Laurene Tetard, ajudou a confirmar as observações feitas a partir de simulações moleculares e estudos enzimáticos usando lasers poderosos e imagens de nano-infravermelho para rastrear opticamente o rearranjo da lignina e a remoção da parede celular de fatias de madeira com microns de espessura.

Finalmente, Os pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, Yunqiao Pu e Arthur Ragauskas, mostraram que a lignina extraída de madeira dura pré-tratada com co-solvente de THF foi significativamente despolimerizada e continha menos reações indesejadas do que a lignina produzida a partir de outros métodos de pré-tratamento ácido.

Ao colocar a lignina em primeiro lugar, co-solventes altamente funcionais podem ajudar a integrar várias etapas de processamento, permitindo que a lignina e os açúcares sejam facilmente recuperados como blocos de construção químicos valiosos, tornando a produção de combustível renovável mais fácil e econômica. A equipe de pesquisa espera que, ao revelar os mecanismos sinérgicos de decomposição da biomassa por co-solventes THF e água, eles podem inspirar outros a identificar pares adicionais de co-solventes multifuncionais.

O papel, "Um par de co-solvente multifuncional revela princípios moleculares de desconstrução de biomassa, "é publicado no Jornal da American Chemical Society . Além de Cai e Patri, os autores incluem Barmak Mostofian; Yunqiao Pu; Nicholas Ciaffone; Mikhael Soliman; Micholas Dean Smith; Rajeev Kumar; Xiaolin Cheng; Charles E. Wyman; Laurene Tetard; Arthur J. Ragauskas; Jeremy C. Smith; e Loukas Petridis.