p Cientistas do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia usaram o espalhamento de nêutrons e supercomputação para entender melhor como um solvente orgânico e água trabalham juntos para quebrar a biomassa vegetal, criando um caminho para melhorar significativamente a produção de biocombustíveis e bioprodutos renováveis. p A descoberta, publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências , lança luz sobre um mecanismo de nanoescala até então desconhecido que ocorre durante a desconstrução da biomassa e identifica as temperaturas ideais para o processo.

p "A compreensão desse mecanismo fundamental pode auxiliar no projeto racional de tecnologias ainda mais eficientes para o processamento de biomassa, "disse Brian Davison, Cientista-chefe do ORNL para biologia de sistemas e biotecnologia.

p A produção de biocombustíveis a partir de material vegetal requer a quebra de seus componentes de celulose polimérica e hemicelulose em açúcares fermentáveis ​​enquanto remove a lignina intacta - um polímero estrutural também encontrado nas paredes das células vegetais - para uso em bioprodutos de valor agregado, como plásticos. Produtos químicos líquidos conhecidos como solventes são frequentemente empregados neste processo para dissolver a biomassa em seus componentes moleculares.

p Emparelhado com água, um solvente chamado tetrahidrofurano, ou THF, é particularmente eficaz na decomposição de biomassa. Descoberto por Charles Wyman e Charles Cai, da Universidade da Califórnia, Riverside, durante um estudo apoiado pelo Centro de Ciência de Bioenergia do DOE em ORNL, a mistura de THF-água produz altos rendimentos de açúcares enquanto preserva a integridade estrutural da lignina para uso em bioprodutos. O sucesso desses co-solventes intrigou os cientistas do ORNL.

p "Usar THF e água para pré-tratamento de biomassa foi um avanço tecnológico muito importante, "disse Loukas Petridis do ORNL da Universidade do Tennessee / ORNL Center for Molecular Biophysics." Mas a ciência por trás disso não era conhecida. "

p Petridis e seus colegas primeiro executaram uma série de simulações de dinâmica molecular nos supercomputadores Titan e Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no ORNL. Suas simulações mostraram que THF e água, que ficam misturados em massa, separar em nanoescala para formar clusters na biomassa.

p O THF forma seletivamente nanoclusters em torno do hidrofóbico, ou repelente de água, porções de lignina e celulose, enquanto nanoaglomerados ricos em água complementares se formam no hidrofílico, ou amante da água, porções. Essa dupla ação leva à desconstrução da biomassa, pois cada um dos solventes dissolve porções da celulose enquanto evita que a lignina forme aglomerados que limitariam o acesso aos açúcares celulósicos - uma ocorrência comum quando a biomassa é misturada apenas com água.

p "Este foi um achado interessante, "Petridis disse." Mas é sempre importante validar simulações com experimentos para ter certeza de que o que as simulações relatam corresponde à realidade. "

p Esse fenômeno ocorre em uma escala minúscula de três a quatro nanômetros. Para comparação, um cabelo humano tem normalmente 80, 000 a 100, 000 nanômetros de largura. Essas reações representaram um desafio significativo para demonstrar em um experimento físico.

p Cientistas do Reator Isotópico de Alto Fluxo, uma instalação de usuário do DOE Office of Science em ORNL, Superou esse desafio usando espalhamento de nêutrons e uma técnica chamada correspondência de contraste. Esta técnica substitui seletivamente átomos de hidrogênio por deutério, uma forma de hidrogênio com um nêutron adicionado, para tornar certos componentes da mistura complexa no experimento mais visíveis aos nêutrons do que outros.

p "Os nêutrons veem um átomo de hidrogênio e um átomo de deutério de maneira muito diferente, "disse Sai Venkatesh Pingali do ORNL, um cientista do instrumento Bio-SANS que realizou os experimentos de espalhamento de nêutrons. "Usamos essa abordagem para destacar seletivamente partes de todo o sistema, que de outra forma não seria visível, especialmente quando são muito pequenos. "

p O uso de deutério tornou a celulose invisível aos nêutrons e fez com que os nanoclusters de THF se projetassem visualmente contra a celulose como a proverbial agulha em um palheiro.

p Para imitar o processamento de biorrefinaria, os pesquisadores desenvolveram uma configuração experimental para aquecer a mistura de biomassa e solventes e observar as mudanças em tempo real. A equipe descobriu que a ação da mistura de THF-água na biomassa evitou que a lignina se aglomerasse em todas as temperaturas, facilitando a desconstrução da celulose. O aumento da temperatura para 150 graus Celsius desencadeou a quebra das microfibrilas de celulose. Esses dados fornecem novos insights sobre a temperatura de processamento ideal para esses co-solventes para desconstruir a biomassa.

p "Este foi um esforço colaborativo com biólogos, especialistas computacionais e cientistas de nêutrons trabalhando em conjunto para responder ao desafio científico e fornecer conhecimento relevante para a indústria, "Davison disse." O método pode alimentar novas descobertas sobre outros solventes e ajudar a aumentar a bioeconomia. "