金伯利·阿斯基，橡树岭国家实验室 以黄色显示的有机溶剂和以蓝色显示的水在绿色植物材料的疏水和亲水部分上分离并形成纳米团簇，推动生物质的有效分解
信用:米歇尔·莱曼/ORNL，美国
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能量的 能源部橡树岭国家实验室的科学家使用中子散射和超级计算来更好地理解有机溶剂和水是如何一起分解植物生物质的，从而创造了一条显著提高可再生生物燃料和生物产品产量的途径
发表在《美国国家科学院院刊》上的这一发现揭示了一种以前未知的纳米尺度机制，这种机制发生在生物质分解过程中，并确定了这一过程的最佳温度
ORNL系统生物学和生物技术首席科学家布赖恩·戴维森说:“了解这一基本机制有助于更有效的生物质加工技术的合理设计。”
从植物材料中生产生物燃料需要将其聚合纤维素和半纤维素成分分解成可发酵的糖，同时去除完整的木质素——一种也存在于植物细胞壁中的结构聚合物——用于塑料等增值生物产品
在这一过程中，通常使用被称为溶剂的液体化学物质将生物质溶解成其分子成分
一种叫做四氢呋喃或THF的溶剂与水结合，对分解生物质特别有效
加州大学河滨分校的查理斯·怀曼和查理斯·蔡在美国能源部ORNL生物能源科学中心支持的一项研究中发现，THF-水混合物产生高产量的糖，同时保留了用于生物产品的木质素的结构完整性
这些助溶剂的成功引起了ORNL科学家的兴趣
“利用THF和水预处理生物质是一项非常重要的技术进步，”田纳西大学/ORNL分子生物物理中心的ORNL·卢卡斯·皮特里迪斯说
“但背后的科学并不为人所知
" 皮特里迪斯和他的同事首先在位于ORNL的美国能源部科学办公室用户设施橡树岭领导计算设施的泰坦和顶峰超级计算机上运行了一系列分子动力学模拟
他们的模拟显示，大量混合的THF和水在纳米尺度上分离，在生物质上形成簇
THF选择性地在木质素和纤维素的疏水或疏水部分周围形成纳米团簇，而在亲水或亲水部分形成互补的富水纳米团簇
这种双重作用推动了生物质的分解，因为每种溶剂都会溶解部分纤维素，同时防止木质素形成团块，从而限制纤维素糖的获取——这种情况在生物质单独与水混合时很常见
“这是一个有趣的发现，”皮特里迪斯说
“但用实验来验证模拟总是很重要的，以确保模拟报告与现实相符
" 这种现象发生在三到四纳米的微小尺度上
相比之下，人的头发通常有80，000到100，000纳米宽
这些反应对在物理实验中演示提出了重大挑战
高通量同位素反应堆是美国能源部科学办公室在ORNL的用户设施，该反应堆的科学家利用中子散射和一种叫做对比度匹配的技术克服了这一挑战
这种技术有选择地用氘取代氢原子，氘是氢的一种形式，带有一个附加的中子，使实验中复杂混合物的某些成分对中子来说比其他成分更明显
“中子对氢原子和氘原子的看法非常不同，”ORNL的赛·文卡特什·平加利说，他是进行中子散射实验的生物-桑斯仪器科学家
“我们使用这种方法有选择地突出整个系统的某些部分，否则这些部分是不可见的，尤其是当它们非常小的时候
" 氘的使用使得中子看不到纤维素，并且使得THF纳米团簇在纤维素上看起来像大海捞针一样突出
为了模拟生物炼制过程，研究人员开发了一个实验装置来加热生物质和溶剂的混合物，并实时观察其变化
研究小组发现，THF-水混合物对生物质的作用有效地防止了木质素在任何温度下结块，使纤维素更容易分解
将温度提高到150摄氏度会触发纤维素微纤维的分解
这些数据为这些助溶剂分解生物质的理想加工温度提供了新的见解
戴维森说:“这是一项与生物学家、计算专家和中子科学家合作的努力，他们协力应对科学挑战，并提供与行业相关的知识。”
“这种方法可以促进对其他溶剂的进一步发现，并有助于生物经济的发展
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