Avances en la descomposición de biomasa abre las puertas a nuevas tecnologías para producir biocombustibles y bioproductos

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Científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge perteneciente al Departamento de Energía de EEUU utilizaron supercomputadoras y la tecnología de dispersión de neutrones para comprender mejor de qué forma un solvente orgánico y el agua trabajan juntos para descomponer la biomasa de las plantas, creando una vía para mejorar significativamente la producción de biocombustibles y bioproductos renovables.

El hallazgo, publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EEUU, logró comprender un mecanismo de nanoescala previamente desconocido que ocurre durante la deconstrucción de la biomasa e identifica temperaturas óptimas para el proceso.

«Comprender este mecanismo fundamental puede ayudar en el diseño racional de tecnologías aún más eficientes para procesar biomasa», dijo Brian Davison, científico jefe de ORNL para biología de sistemas y biotecnología.

La producción de biocombustibles a partir de material vegetal requiere la descomposición de sus componentes de celulosa polimérica y hemicelulosa en azúcares fermentables al tiempo que elimina la lignina intacta, un polímero estructural que también se encuentra en las paredes celulares de las plantas, y puede utilizarse para elaborar bioproductos de alto valor agregado como plásticos. Los productos químicos líquidos conocidos como solventes a menudo se emplean en este proceso para disolver la biomasa en sus componentes moleculares.

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En combinación con agua, un solvente llamado tetrahidrofurano, o THF, es particularmente efectivo para descomponer la biomasa. Descubierta por Charles Wyman y Charles Cai de la Universidad de California, Riverside, durante un estudio respaldado por el BioEnergy Science Center del DOE en ORNL, la mezcla de THF-agua produce altos rendimientos de azúcares mientras preserva la integridad estructural de la lignina para su uso en bioproductos. El éxito de estos codisolventes intrigó a los científicos de ORNL.

«Usar THF y agua para pretratar la biomasa fue un avance tecnológico muy importante», dijo Loukas Petridis de ORNL del Centro de Biofísica Molecular de la Universidad de Tennessee / ORNL. «Pero la ciencia detrás de esto no se conocía».

Petridis y sus colegas realizaron una serie de simulaciones de dinámica molecular en las supercomputadoras Titan y Summit de la Sala de Computación Avanzada de Oak Ridge. Sus simulaciones mostraron que el THF y el agua, que permanecen mezclados en condiciones naturales, se separan a nanoescala para formar grupos en la biomasa.

El THF forma selectivamente nanoclusters alrededor de las porciones hidrofóbicas o repelentes al agua de lignina y celulosa, mientras que los nanoclusters complementarios ricos en agua se forman en las porciones hidrofílicas o que tienen afinidad por el agua. Esta acción dual impulsa la deconstrucción de la biomasa, ya que cada uno de los solventes disuelve porciones de la celulosa mientras evita que la lignina forme grumos que limitarían el acceso a los azúcares celulósicos, una ocurrencia común cuando la biomasa se mezcla solo en agua.

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«Este fue un hallazgo interesante», dijo Petridis. «Pero siempre es importante validar las simulaciones con experimentos para asegurarse de que el informe de simulaciones corresponde a la realidad».

Este fenómeno ocurre en la pequeña escala de tres a cuatro nanómetros. A modo de comparación, un cabello humano suele tener entre 80.000 y 100.000 nanómetros de ancho. Estas reacciones presentaron un desafío significativo para demostrar en un experimento físico.

Los científicos del Reactor de Isótopos de alto flujo, una departamento de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL, superaron este desafío utilizando la dispersión de neutrones y una técnica llamada coincidencia de contraste. Esta técnica reemplaza selectivamente los átomos de hidrógeno con deuterio, una forma de hidrógeno con un neutrón agregado, para hacer que ciertos componentes de la mezcla compleja en el experimento sean más visibles para los neutrones que otros.

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«Los neutrones ven un átomo de hidrógeno y un átomo de deuterio de manera muy diferente», dijo Sai Venkatesh Pingali de ORNL, un científico del instrumento Bio-SANS que realizó los experimentos de dispersión de neutrones . «Utilizamos este enfoque para resaltar selectivamente partes de todo el sistema, que de otro modo no serían visibles, especialmente cuando son realmente pequeñas».

El uso de deuterio hizo que la celulosa fuera invisible para los neutrones e hizo que los nanoclusters de THF sobresalieran visualmente contra la celulosa como la aguja proverbial en un pajar.

Para imitar el procesamiento de la biorrefinería, los investigadores desarrollaron una configuración experimental para calentar la mezcla de biomasa y solventes y observar los cambios en tiempo real. El equipo descubrió que la acción de la mezcla de agua y THF sobre la biomasa evitó que la lignina se acumulara a todas las temperaturas, lo que permitió una deconstrucción más fácil de la celulosa. El aumento de la temperatura a 150 grados Celsius desencadenó la descomposición de la microfibrilla de celulosa. Estos datos proporcionan nuevos conocimientos sobre la temperatura de procesamiento ideal para que estos codisolventes deconstruyan la biomasa.

«Este fue un esfuerzo de colaboración con biólogos, expertos en computación y científicos de neutrones que trabajaron en conjunto para responder al desafío científico y proporcionar conocimiento relevante para la industria», dijo Davison. «El método podría impulsar nuevos descubrimientos sobre otros solventes y ayudar a aumentar la bioeconomía».

 
 
 
 
 

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