Ученые разработали новую лазерную стратегию для эффективного разложения целлюлозы на полезные продукты – превращение ее в биотопливо, - пишет eurekalert.org.
С неизбежной угрозой климатического кризиса, нависшей над нами, стало крайне важно разработать эффективные альтернативы ископаемому топливу. Одним из вариантов является использование чистых источников топлива, называемых биотопливом, которые могут быть получены из природных источников, таких как биомасса. Полимерцеллюлоза на растительной основе является наиболее распространенной формой биомассы в мире и может быть преобразована в сырье, такое как глюкоза и ксилоза, для производства биоэтанола (разновидность биотоплива). Но этот процесс сложен из-за жесткой и плотной структуры молекулы, что делает ее нерастворимой в воде. Химики и биотехнологи во всем мире использовали обычные методы, такие как микроволновое излучение, гидролиз и ультразвук, чтобы разложить этот полимер, но эти процессы требуют экстремальных условий и поэтому являются неустойчивыми.
С этой целью ученые разработали новую методику деградации целлюлозы. Этот метод основывался на лазере без электронов (IR-FEL), длина волны которого настраивается в диапазоне от 3 до 20 мкм. Этот новый метод является многообещающей «зеленой» технологией для деградации целлюлозы с нулевым уровнем выбросов. Доктор Кавасаки говорит: «Одна из уникальных особенностей ИК-ЛСЭ заключается в том, что он может вызывать многофотонное поглощение для молекулы и может изменять структуру вещества. До сих пор эта технология использовалась в основных областях физики, химии и медицины, но мы хотели использовать ее, чтобы стимулировать достижения в области экологических технологий».
Ученые знали, что IR-FEL можно использовать для проведения реакций диссоциации на различные биомолекулы. Целлюлоза представляет собой биополимер, состоящий из молекул углерода, кислорода и водорода, которые образуют ковалентные связи различной длины и углов друг с другом. Полимер имеет три инфракрасные полосы на длинах волн 9,1, 7,2 и 3,5 мкм, которые соответствуют трем различным связям: режим растяжения C-O, режим изгиба H-C-O и режим растяжения C-H, соответственно. Исходя из этого, ученые облучили порошкообразную целлюлозу, настроив длину волны ИК-ЛСЭ на эти три длины волны. Затем они проанализировали продукты, используя такие методы, как электрораспылительная ионизационная масс-спектрометрия и инфракрасная микроскопия с синхротронным излучением, которые показали, что молекулы целлюлозы успешно разложились на глюкозу и целлобиозу (молекулы-предшественники для производства биоэтанола). Не только это, их продукты были получены с высоким выходом, что делает этот процесс чрезвычайно эффективным. Доктор Кавасаки объясняет: «Это был первый в мире метод, позволяющий эффективно получать глюкозу из целлюлозы с помощью ИК-ЛСЭ. Поскольку этот метод не требует жестких условий реакции, таких как вредные органические растворители, высокая температура и высокое давление, он превосходит другие известные методы».
Помимо производства биотоплива, целлюлоза имеет несколько
применений - например, в качестве функциональных биоматериалов в
биосовместимых клеточных мембранах, антибактериальных листах и
гибридных бумажных материалах. Таким образом, новый метод,
разработанный в этом исследовании, показывает перспективность для
различных отраслей, таких как здравоохранение, технологии и
машиностроение. Кроме того, доктор Кавасаки с оптимизмом смотрит
на то, как их метод может использоваться для переработки не
только целлюлозы, но и других компонентов древесины и может
оказаться инновационным методом переработки лесной биомассы. В
заключение он сказал: «Мы надеемся, что это исследование будет
способствовать развитию общества, свободного от нефти».
[Фото: eurekalert.org]
