Op een cellulosekristal zoeken tetrahydrofuraan (THF) en water elk hun eigen plekje op. In dat effect moet je de verklaring zoeken voor de effectiviteit van deze combinatie van oplosmiddelen bij de voorbehandeling van houtige biomassa, schrijven Barmak Mostofian, Jeremy Smith en collega’s van Oak Ridge National Laboratory in JACS.

Ze ontdekten het door het systeem te simuleren op de Cray XK7 Titan-supercomputer die 330.000 atomen tegelijk aan kon. Zie de afbeelding: groen is cellulose, blauw is water en oranje is THF. Die laatste twee zijn normaal gesproken perfect mengbaar maar rond een cellulosekristal, dat van nature zowel hydrofobe als hydrofiele oppervlakken heeft, zie je een fasenscheiding optreden. Water hecht zich via waterstofbruggen op de hydrofiele kanten, terwijl THF zich op de hydrofiele zijden ophoopt.

De onderzoekers hebben ook een losse cellulosevezel gesimuleerd. Die blijkt helemaal te worden omringd door watermoleculen.

Op ‘co-solvent enhanced lignocellulosic fractionation’ (CELF) vroegen onderzoekers van de University of California Riverside enkele jaren geleden octrooi aan. Normaal gesproken ontsluit je de cellulose uit houtige biomassa met een combinatie van verdund zwavelzuur, enzymen en verhoogde temperatuur. Toevoeging van THF als ‘co-solvent’ blijkt het proces dusdanig te vergemakkelijken dat je 90 procent minder enzymen nodig hebt. Dat scheelt zeker twintig eurocent per liter bio-ethanol. Maar hoe het kwam, bleef onduidelijk.

Eerder maakten de simulaties van Smith en collega’s al duidelijk dat THF een prima oplosmiddel is voor de ligninefractie, die de biomassa bij elkaar houdt. Op die manier worden de cellulosekristallen dus blootgelegd.

De nieuwste simulaties suggereren dat THF ook wel eens een onverwachte rol zou kunnen spelen bij het oplossen van die kristallen. Om die rol te achterhalen, zou je moeten simuleren wat er precies gebeurt tussen de afgebeelde begintoestand en de losse cellulosevezel. Maar die simulatie gaat de beschikbare rekencapaciteit voorlopig verre te boven.

bron: ORNL