Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont utilisé la diffusion de neutrons et la superinformatique pour mieux comprendre comment un solvant organique et de l'eau fonctionnent ensemble pour décomposer la biomasse végétale, créer une voie pour améliorer considérablement la production de biocarburants et de bioproduits renouvelables.

La découverte, publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , met en lumière un mécanisme à l'échelle nanométrique auparavant inconnu qui se produit lors de la déconstruction de la biomasse et identifie les températures optimales pour le processus.

« La compréhension de ce mécanisme fondamental peut aider à la conception rationnelle de technologies encore plus efficaces pour le traitement de la biomasse, " a déclaré Brian Davison, ORNL scientifique en chef pour la biologie des systèmes et la biotechnologie.

La production de biocarburants à partir de matières végétales nécessite de casser ses composants polymères de cellulose et d'hémicellulose en sucres fermentescibles tout en éliminant la lignine intacte - un polymère structurel également présent dans les parois cellulaires végétales - pour une utilisation dans des bioproduits à valeur ajoutée tels que les plastiques. Des produits chimiques liquides connus sous le nom de solvants sont souvent utilisés dans ce processus pour dissoudre la biomasse en ses composants moléculaires.

Accompagné d'eau, un solvant appelé tétrahydrofurane, ou THF, est particulièrement efficace pour décomposer la biomasse. Découvert par Charles Wyman et Charles Cai de l'Université de Californie, Bord de rivière, lors d'une étude soutenue par le BioEnergy Science Center du DOE à l'ORNL, le mélange THF-eau produit des rendements élevés de sucres tout en préservant l'intégrité structurelle de la lignine pour une utilisation dans les bioproduits. Le succès de ces cosolvants a intrigué les scientifiques de l'ORNL.

"L'utilisation du THF et de l'eau pour prétraiter la biomasse a été une avancée technologique très importante, " a déclaré Loukas Petridis de l'ORNL de l'Université du Tennessee/ORNL Center for Molecular Biophysics. "Mais la science derrière cela n'était pas connue."

Petridis et ses collègues ont d'abord exécuté une série de simulations de dynamique moléculaire sur les superordinateurs Titan et Summit à l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL. Leurs simulations ont montré que le THF et l'eau, qui restent mélangés en vrac, séparer à l'échelle nanométrique pour former des grappes sur la biomasse.

Le THF forme sélectivement des nanoclusters autour de l'hydrophobe, ou hydrofuge, des portions de lignine et de cellulose tandis que des nanoclusters riches en eau complémentaires se forment sur l'hydrophile, ou amoureux de l'eau, portions. Cette double action entraîne la déconstruction de la biomasse car chacun des solvants dissout des parties de la cellulose tout en empêchant la lignine de former des grumeaux qui limiteraient l'accès aux sucres cellulosiques - un phénomène courant lorsque la biomasse est mélangée à de l'eau seule.

"C'était une découverte intéressante, ", a déclaré Petridis. "Mais il est toujours important de valider les simulations avec des expériences pour s'assurer que ce que les simulations rapportent correspond à la réalité."

Ce phénomène se produit à l'échelle minuscule de trois à quatre nanomètres. En comparaison, un cheveu humain vaut généralement 80, 000 à 100, 000 nanomètres de large. Ces réactions ont présenté un défi important à démontrer dans une expérience physique.

Les scientifiques du réacteur isotopique à haut flux, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL, a surmonté ce défi en utilisant la diffusion des neutrons et une technique appelée correspondance de contraste. Cette technique remplace sélectivement les atomes d'hydrogène par du deutérium, une forme d'hydrogène avec un neutron ajouté, pour rendre certains composants du mélange complexe dans l'expérience plus visibles pour les neutrons que d'autres.

"Les neutrons voient un atome d'hydrogène et un atome de deutérium très différemment, " a déclaré Sai Venkatesh Pingali de l'ORNL, un scientifique de l'instrument Bio-SANS qui a réalisé les expériences de diffusion des neutrons. « Nous utilisons cette approche pour mettre en évidence de manière sélective des parties de l'ensemble du système, qui autrement ne serait pas visible, surtout quand ils sont vraiment petits."

L'utilisation de deutérium a rendu la cellulose invisible aux neutrons et a fait ressortir visuellement les nanoclusters de THF contre la cellulose comme l'aiguille proverbiale dans une botte de foin.

Pour imiter le traitement de la bioraffinerie, les chercheurs ont développé un dispositif expérimental pour chauffer le mélange de biomasse et de solvants et observer les changements en temps réel. L'équipe a découvert que l'action du mélange THF-eau sur la biomasse empêchait efficacement la lignine de s'agglomérer à toutes les températures, permettant une déconstruction plus aisée de la cellulose. L'augmentation de la température à 150 degrés Celsius a déclenché la dégradation des microfibrilles de cellulose. Ces données fournissent de nouvelles informations sur la température de traitement idéale pour que ces cosolvants déconstruisent la biomasse.

"C'était un effort de collaboration avec des biologistes, des experts en informatique et des scientifiques neutroniques travaillant en tandem pour relever le défi scientifique et fournir des connaissances pertinentes pour l'industrie, ", a déclaré Davison. "La méthode pourrait alimenter de nouvelles découvertes sur d'autres solvants et aider à développer la bioéconomie."