Les combustibles fabriqués à partir de déchets agricoles ou forestiers appelés biomasse lignocellulosique ont longtemps été un champion dans la quête de réduction de l'utilisation des combustibles fossiles. Mais les parois cellulaires végétales ont des défenses innées qui rendent le processus de destruction plus difficile et coûteux qu'il ne pourrait l'être.

Dans un bond en avant qui pourrait changer la donne pour comprendre comment la biomasse végétale peut être décomposée plus efficacement, une équipe de recherche à l'Université de Californie, Riverside s'est associé à des équipes du laboratoire national d'Oak Ridge et de l'Université de Floride centrale pour créer une feuille de route chimique pour briser ces défenses.

Afin d'accéder aux sucres riches en énergie présents dans les parois cellulaires végétales, les chercheurs ont renouvelé leur attention sur la solvatation de la lignine, un polymère complexe également présent dans les parois cellulaires végétales qui agit comme un bouclier naturel, bloquant les attaques chimiques et biologiques. La lignine est particulièrement efficace pour empêcher les enzymes commerciales de digérer la cellulose, qui constitue l'essentiel des sucres présents dans la biomasse.

Autrefois, différents produits chimiques spécialisés et méthodes de prétraitement ont été utilisés pour améliorer l'accès des enzymes à la cellulose, mais se sont avérés inefficaces pour éliminer la lignine. L'utilisation d'acides forts, liquides ioniques, ammoniac, et les traitements au sulfite ont quelque peu amélioré la digestibilité de la cellulose, mais ces méthodes laissent également derrière elles la lignine, rendant la cellulose coûteuse à récupérer. D'autres méthodes ont appliqué des co-solvants tels que l'éthanol et le solvate d'acétone pour éliminer la lignine, mais ils nécessitent des températures de réaction très élevées qui provoquent également la dégradation des sucres restants.

Par conséquent, des méthodes économiquement viables de transformation de la biomasse en biocarburants n'ont pas encore été mises au point.

Charles Caï, ingénieur de recherche adjoint au Center for Environmental Research and Technology du Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering à UC Riverside, et Abhishek S. Patri, un doctorant en génie chimique et environnemental, a dirigé une équipe de chercheurs prenant une nouvelle direction pour se concentrer sur l'identification de co-solvants hautement spécialisés, substances ajoutées à un solvant primaire pour le rendre plus efficace, qui peut faciliter une solvatation à température plus douce et la libération de lignine des parois cellulaires végétales. C'est ce qu'on appelle une approche « la lignine d'abord » pour décomposer la biomasse.

Les chercheurs de l'UC Riverside ont enrôlé l'équipe de recherche du Centre de biophysique moléculaire du Laboratoire national d'Oak Ridge, dirigé par Jeremy Smith, pour aider à construire une simulation moléculaire de 1,5 million d'atomes pour révéler comment la paire de co-solvants constituée de tétrahydrofurane, ou THF, et l'eau sont particulièrement efficaces pour modifier les interactions entre la lignine et la cellulose, aider à conduire plusieurs mécanismes clés responsables de la décomposition de la biomasse.

L'équipe a découvert que le prétraitement de la biomasse végétale avec du THF-eau provoquait l'expansion et la rupture des globules de lignine à la surface de la cellulose les uns des autres et des fibres de cellulose. La lignine expansée était également plus exposée à la fragmentation catalytique par l'acide dilué. Par conséquent, la lignine pourrait être dépolymérisée plus efficacement, solubilisé, et transporté hors de la paroi cellulaire dans des conditions de traitement plus douces.

L'élimination presque complète de la lignine a également permis aux fibres de cellulose restantes d'être plus sensibles à l'attaque enzymatique. En réalité, après un traitement co-solvant THF doux, les enzymes ajoutées aux solides riches en cellulose restants ont obtenu une hydrolyse complète en sucres de glucose.

Chercheurs collaborateurs de l'Université de Floride centrale, dirigé par Laurene Tétard, a aidé à confirmer les observations faites à partir des simulations moléculaires et des études enzymatiques en utilisant des lasers puissants et une imagerie nano-infrarouge pour suivre optiquement le réarrangement et l'élimination de la lignine de la paroi cellulaire de tranches de bois dur d'un micron d'épaisseur.

Finalement, Les chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge, Yunqiao Pu et Arthur Ragauskas, ont montré que la lignine extraite de bois dur prétraité avec le co-solvant THF était considérablement dépolymérisée et contenait moins de réactions indésirables que la lignine produite à partir d'autres méthodes de prétraitement acides.

En mettant la lignine en premier, des co-solvants hautement fonctionnels peuvent aider à intégrer plusieurs étapes de traitement tout en permettant à la lignine et aux sucres d'être facilement récupérés en tant que blocs de construction chimiques précieux, rendre la production de carburant renouvelable plus facile et plus rentable. L'équipe de recherche espère qu'en révélant les mécanismes synergiques de dégradation de la biomasse par les co-solvants THF et eau, ils peuvent inspirer d'autres à identifier des paires de co-solvants multifonctionnelles supplémentaires.

Le papier, « Un couple de co-solvants multifonctionnel révèle les principes moléculaires de la déconstruction de la biomasse, " est publié dans le Journal de l'American Chemical Society . En plus de Cai et Patri, les auteurs incluent Barmak Mostofian; Yunqiao Pu; Nicolas Ciaffone; Mikhaïl Soliman; Micholas Dean Smith; Rajeev Kumar; Xiaolin Cheng; Charles E. Wyman; Laurene Tétard; Arthur J. Ragauskas; Jeremy C. Smith; et Loukas Petridis.