Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã sử dụng sự tán xạ neutron và siêu máy tính để hiểu rõ hơn cách thức dung môi hữu cơ và nước phối hợp với nhau để phá vỡ sinh khối thực vật, tạo ra một con đường để cải thiện đáng kể việc sản xuất nhiên liệu sinh học và sinh phẩm tái tạo.
Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng đã sử dụng tán xạ neutron và siêu máy tính để hiểu rõ hơn cách thức dung môi hữu cơ và nước phối hợp với nhau để phá vỡ sinh khối thực vật, tạo ra một con đường cải thiện đáng kể việc sản xuất nhiên liệu sinh học và sinh học tái tạo.
Phát hiện này được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (Proceedings of the National Academy of Sciences) đã làm sáng tỏ một cơ chế nano chưa được biết đến trước đây xảy ra trong quá trình giải mã sinh khối và xác định nhiệt độ tối ưu cho quá trình.
“Hiểu được cơ chế cơ bản này có thể hỗ trợ trong việc thiết kế hợp lý các công nghệ thậm chí hiệu quả hơn để xử lý sinh khối”, Brian Davison, nhà khoa học trưởng của ORNL cho hệ thống sinh học và công nghệ sinh học cho biết.
Sản xuất nhiên liệu sinh học từ nguyên liệu thực vật đòi hỏi phải phá vỡ các thành phần cellulose và hemiaellulose polymer của nó thành các loại đường có thể lên men trong khi loại bỏ lignin nguyên vẹn – một loại polymer cấu trúc cũng được tìm thấy trong thành tế bào thực vật – để sử dụng trong các chế phẩm sinh học có giá trị gia tăng như nhựa. Hóa chất lỏng được gọi là dung môi thường được sử dụng trong quá trình này để hòa tan sinh khối vào các thành phần phân tử của nó.
Được kết hợp với nước, một dung môi gọi là tetrahydrofuran hoặc THF đặc biệt hiệu quả trong việc phá vỡ sinh khối. Được phát hiện bởi Charles Wyman và Charles Cai thuộc Đại học California, Riverside, trong một nghiên cứu được hỗ trợ bởi Trung tâm Khoa học BioEnergy của DOE tại ORNL, hỗn hợp nước THF tạo ra sản lượng đường cao trong khi vẫn giữ được tính toàn vẹn cấu trúc của lignin để sử dụng trong sinh học. Sự thành công của các vũ trụ này hấp dẫn các nhà khoa học ORNL.
Sử dụng THF và nước để xử lý sinh khối là một tiến bộ công nghệ rất quan trọng. Nhưng khoa học đằng sau nó không được biết đến.
Petridis và các đồng nghiệp của ông lần đầu tiên thực hiện một loạt mô phỏng động lực phân tử trên siêu máy tính Titan và Hội nghị thượng đỉnh tại Cơ sở tính toán lãnh đạo Oak Ridge, một cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE tại ORNL. Mô phỏng của họ cho thấy THF và nước được trộn lẫn với nhau, tách ra ở cấp độ nano để tạo thành các cụm trên sinh khối.
THF chọn lọc hình thành các cụm nanô xung quanh kỵ nước, hoặc thấm nước, các phần của lignin và cellulose trong khi các cụm nanô giàu nước bổ sung hình thành trên các phần ưa nước hoặc ưa nước. Tác động kép này thúc đẩy quá trình phân hủy sinh khối khi mỗi dung môi hòa tan các phần của cellulose trong khi ngăn lignin hình thành các khối sẽ hạn chế sự tiếp cận với đường xenlulo – một sự xuất hiện phổ biến khi sinh khối được trộn lẫn trong nước.
Đây là một phát hiện thú vị. Nhưng điều quan trọng là luôn xác nhận các mô phỏng với các thí nghiệm để đảm bảo rằng những gì báo cáo mô phỏng tương ứng với thực tế.
Hiện tượng này xảy ra ở quy mô nhỏ từ ba đến bốn nanomet. Để so sánh, một sợi tóc của con người thường rộng từ 80.000 đến 100.000 nanomet. Những phản ứng này đưa ra một thách thức đáng kể để chứng minh trong một thí nghiệm vật lý.
Các nhà khoa học tại Lò phản ứng đồng vị High Flux, cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE tại ORNL đã vượt qua thử thách này bằng cách sử dụng tán xạ neutron và một kỹ thuật gọi là đối chiếu tương phản. Kỹ thuật này thay thế có chọn lọc các nguyên tử hydro bằng deuterium, một dạng hydro với một neutron được thêm vào, để làm cho các thành phần nhất định của hỗn hợp phức tạp trong thí nghiệm có thể nhìn thấy neutron hơn các loại khác.
“Các neutron nhìn thấy một nguyên tử hydro và một nguyên tử đơteri rất khác nhau”, Sai Venkatesh Pingali của ORNL, một nhà khoa học dụng cụ Bio-Sans, người thực hiện các thí nghiệm tán xạ neutron nói. “Chúng tôi sử dụng phương pháp này để làm nổi bật có chọn lọc các phần của toàn bộ hệ thống, điều mà nếu không thì sẽ không thể nhìn thấy được, đặc biệt là khi chúng thực sự nhỏ.”
Việc sử dụng deuterium khiến cellulose trở nên vô hình đối với neutron và làm cho các hạt nano THF bật ra một cách trực quan so với cellulose giống như kim châm ngôn trong một đống cỏ khô.
Để bắt chước quá trình chế biến sinh học, các nhà nghiên cứu đã phát triển một thiết lập thử nghiệm để làm nóng hỗn hợp sinh khối và dung môi và quan sát những thay đổi trong thời gian thực. Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy hoạt động của hỗn hợp nước THF trên sinh khối có hiệu quả giữ cho lignin không bị vón cục ở mọi nhiệt độ, cho phép phân hủy cellulose dễ dàng hơn. Việc tăng nhiệt độ lên 150 độ C đã kích hoạt sự phân hủy cellulose microfibril. Những dữ liệu này cung cấp những hiểu biết mới về nhiệt độ xử lý lý tưởng cho các vũ trụ này để giải cấu trúc sinh khối.
Đây là một nỗ lực hợp tác với các nhà sinh học, chuyên gia tính toán và nhà khoa học neutron làm việc song song để trả lời thách thức khoa học và cung cấp kiến thức liên quan đến ngành. Phương pháp này có thể thúc đẩy những khám phá thêm về các dung môi khác và giúp phát triển kinh tế sinh học.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Oak Ridge . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :