सुपरकंप्यूटिंग बायोमास ईंधन रूपांतरण में सुधार करता है

टीएचएफ और पानी के सह-सॉल्वैंट्स लिग्निन को स्वयं और सेल्यूलोज से अलग करने का कारण बनते हैं, एक यादृच्छिक कुंडल में विस्तार करते हैं। क्रेडिट: चार्ल्स कै / यूसीआर
कृषि या वानिकी कचरे से बने ईंधन जिन्हें लिग्नोसेलुलोसिक बायोमास के रूप में जाना जाता है, लंबे समय से जीवाश्म ईंधन के उपयोग को कम करने की चाह में एक चैंपियन रहे हैं। लेकिन प्लांट सेल की दीवारों में कुछ जन्मजात बचाव होते हैं, जो उन्हें तोड़ने की प्रक्रिया को और अधिक कठिन और महंगा बनाते हैं।

आगे एक छलांग में, जो समझने के लिए गेम चेंजर हो सकता है कि प्लांट बायोमास को और अधिक कुशलता से कैसे तोड़ा जा सकता है, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में एक शोध टीम, रिवरसाइड ने ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी और सेंट्रल फ्लोरिडा विश्वविद्यालय बनाने के लिए टीमों के साथ सेना में शामिल हो गए हैं। इन बचावों को तोड़ने के लिए एक रासायनिक रोडमैप।

प्लांट सेल की दीवारों में पाए जाने वाले ऊर्जा से भरपूर शक्कर को एक्सेस करने के लिए, शोधकर्ताओं ने लिग्निन को सॉल्व करने पर ध्यान केंद्रित किया है, जो कि प्लांट सेल की दीवारों में पाए जाने वाले एक जटिल पॉलीमर भी है, जो केमिकल और बायोलॉजिकल अटैक को रोकते हुए नेचुरल शील्ड का काम करता है। लिग्निन वाणिज्यिक एंजाइमों को सेल्यूलोज को पचाने से रोकने में विशेष रूप से प्रभावी है, जो बायोमास में पाए जाने वाले शर्करा के थोक बनाता है।

अतीत में, सेलूलोज़ के लिए एंजाइम की पहुंच में सुधार के लिए विभिन्न विशेष रसायनों और दिखावा विधियों का उपयोग किया गया है, लेकिन लिग्निन को हटाने में अप्रभावी थे। मजबूत एसिड, आयनिक तरल पदार्थ, अमोनिया और सल्फाइट उपचारों के उपयोग से सेल्यूलोज की पाचन क्षमता में कुछ सुधार हुआ है, लेकिन ये विधियां लिग्निन को भी पीछे छोड़ देती हैं, जिससे सेल्यूलोज ठीक हो जाता है। अन्य तरीकों ने लिग्निन को हटाने के लिए इथेनॉल और एसीटोन सॉल्वेट जैसे सह-सॉल्वैंट्स को लागू किया है, लेकिन उन्हें बहुत उच्च प्रतिक्रिया तापमान की आवश्यकता होती है जो शेष शर्करा को भी नीचा दिखाने का कारण बनते हैं।

परिणामस्वरूप, बायोमास को जैव ईंधन में बदलने के आर्थिक रूप से व्यवहार्य तरीकों को अभी तक महसूस नहीं किया गया है।

चार्ल्स काई, मार्लन और रोज़मेरी बॉर्न्स कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग में यूसी रिवरसाइड में पर्यावरण अनुसंधान और प्रौद्योगिकी केंद्र में एक सहायक अनुसंधान इंजीनियर, और रासायनिक और पर्यावरण इंजीनियरिंग में डॉक्टरेट के छात्र अभिषेक एस पात्री ने शोधकर्ताओं की एक टीम का नेतृत्व किया। अत्यधिक विशिष्ट सह-सॉल्वैंट्स की पहचान करने पर ध्यान केंद्रित करने के लिए नई दिशा, पदार्थों को एक प्राथमिक विलायक में जोड़ा जाता है ताकि इसे और अधिक प्रभावी बनाया जा सके, जिससे प्लांट सेल की दीवारों से माइग्रेन तापमान सॉल्वैंशन और लिग्निन की रिहाई की सुविधा मिल सके। इसे बायोमास को तोड़ने के लिए “लिग्निन-प्रथम” दृष्टिकोण के रूप में जाना जाता है।

यूसी रिवरसाइड के शोधकर्ताओं ने जेरेमी स्मिथ के नेतृत्व में ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के मॉलिक्यूलर बायोफिजिक्स के सेंटर में रिसर्च टीम को एक 1.5 मिलियन परमाणु आणविक सिमुलेशन के निर्माण में मदद करने के लिए बताया कि कैसे सह-विलायक जोड़ी टेट्राहाइड्रोफुरान, या टीएचएफ और पानी से युक्त है। लिग्निन और सेल्युलोज के बीच बातचीत को बदलने में विशेष रूप से प्रभावी, बायोमास को तोड़ने के लिए जिम्मेदार कई प्रमुख तंत्रों को चलाने में मदद करता है।

टीम ने पाया कि टीएचएफ-पानी के साथ प्लांट बायोमास का संकेत देने से सेल्युलोज सतह पर लिग्निन ग्लोब्यूल्स का विस्तार होता है और एक दूसरे से दूर और सेल्यूलोज फाइबर से दूर हो जाता है। विस्तारित लिग्निन भी पतला एसिड द्वारा उत्प्रेरक विखंडन के संपर्क में अधिक था। नतीजतन, लिग्निन को अधिक प्रभावी ढंग से depolymerized किया जा सकता है, घुलनशील, और मिलिटरी उपचार की स्थिति में सेल की दीवार से बाहर ले जाया जाता है।

लिग्निन के लगभग पूर्ण निष्कासन ने शेष सेल्युलोज फाइबर को भी एंजाइम हमले के लिए अतिसंवेदनशील होने की अनुमति दी। वास्तव में, हल्के THF सह-विलायक उपचार के बाद, शेष सेलूलोज़-समृद्ध ठोस में जोड़ा गया एंजाइम ग्लूकोज शर्करा को पूर्ण हाइड्रोलिसिस प्राप्त करता है।

लॉरेन टेटर्ड के नेतृत्व में सेंट्रल फ्लोरिडा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने सहयोग करते हुए, आणविक सिमुलेशन और एंजाइमैटिक अध्ययनों से शक्तिशाली लेजर और नैनो-अवरक्त इमेजिंग का उपयोग करके वैकल्पिक रूप से लिग्निन की पुनर्व्यवस्था और माइक्रोन की कोशिका भित्ति को हटाने के लिए किए गए अवलोकनों की पुष्टि करने में मदद की। दृढ़ लकड़ी के मोटे टुकड़े।

अंत में, ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं युनुकियाओ पु और आर्थर रागसकास ने दिखाया कि टीएचएफ सह-विलायक के साथ बहे गए दृढ़ लकड़ी से निकाले गए लिग्निन को काफी मात्रा में डीपोलाइज्ड किया गया था और इसमें लिग्निन की तुलना में अन्य अम्लीय प्रेट्रमेंट विधियों द्वारा उत्पादित कम अवांछित प्रतिक्रियाएं थीं।

पहले लिग्निन लगाकर, अत्यधिक कार्यात्मक सह-सॉल्वैंट्स कई प्रसंस्करण चरणों को एकीकृत करने में मदद कर सकते हैं जबकि लिग्निन और शर्करा दोनों को मूल्यवान रासायनिक भवन ब्लॉकों के रूप में आसानी से पुनर्प्राप्त करने की अनुमति देता है, जिससे नवीकरणीय ईंधन उत्पादन आसान और अधिक लागत प्रभावी हो जाता है। अनुसंधान दल को उम्मीद है कि सह-सॉल्वैंट्स THF और पानी द्वारा बायोमास टूटने के सहक्रियात्मक तंत्र को प्रकट करके, वे दूसरों को अतिरिक्त बहुक्रियाशील सह-विलायक जोड़े की पहचान करने के लिए प्रेरित कर सकते हैं।

द पेपर, “मल्टीफंक्शनल को-सॉल्वेंट पेयर, बायोमास डीकंस्ट्रक्शन के आणविक सिद्धांतों को प्रकट करता है,” अमेरिकन केमिकल सोसायटी के जर्नल में प्रकाशित हुआ है। कै और पैट्री के अलावा, लेखकों में बरमाक मोस्टोफ़ियन शामिल हैं; युनुकिया पु; निकोलस सियाफोन; मिखाइल सोलिमन; मिचोलस डीन स्मिथ; राजीव कुमार; ज़ियाओलिन चेंग; चार्ल्स ई। विमन; लॉरेन टेटर्ड; आर्थर जे। रागौस्का; जेरेमी सी। स्मिथ; और लौकस पेट्रीडिस।