Los químicos construyen catalizadores sintéticos para descomponer la biomasa como si fueran súper enzimas • Servicio de noticias • Universidad Estatal de Iowa

Publicado el 17 de agosto de 2023 3:10 pm

Yan Zhao está trabajando para desarrollar catalizadores sintéticos que podrían ayudar a la industria a descomponer las fibras vegetales para obtener combustibles y productos químicos. Foto más grande. Foto de Christopher Gannon.

AMES, Iowa – Yan Zhao señaló los árboles afuera de la ventana de su campus en una tarde lluviosa.

El profesor de química de la Universidad Estatal de Iowa está desarrollando nuevos catalizadores sintéticos para descomponer la celulosa, las fibras vegetales que hacen que esos árboles sean altos y fuertes.

"La celulosa está hecha para durar: un árbol no desaparece simplemente después de la lluvia", dijo Zhao. "La celulosa es un gran desafío para descomponer".

Zhao cree que tiene una idea y una tecnología que puede hacer el trabajo, haciendo de la biomasa vegetal una fuente práctica de azúcares que se pueden convertir para muchas aplicaciones, incluidos combustibles y productos químicos.

"Nos estamos inspirando en la biología", dijo Zhao. “Estamos intentando duplicar las características de las enzimas naturales. Y hasta ahora, tenemos buenos resultados”.

Las enzimas son proteínas naturales que actúan como catalizadores, regulando las reacciones químicas que mantienen los procesos biológicos y el funcionamiento de los seres vivos. Las enzimas, por ejemplo, catalizan el metabolismo celular, incluida la descomposición de los alimentos para la digestión.

Tres enzimas (endocelulasa, exocelulasa y betaglucosidasa) pueden descomponer y digerir la fibra vegetal o celulosa.

Las enzimas naturales parecen ser un buen lugar para que las industrias recurran al procesamiento de celulosa. Pero son caros. No pueden sobrevivir a altas temperaturas ni a disolventes no acuosos. Además, son inestables y difíciles de reciclar para volver a producirlos.

El grupo de investigación de Zhao ha trabajado unos 10 años para desarrollar catalizadores de nanopartículas capaces de resolver esos problemas. Las subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) han apoyado ese trabajo. La Fundación de Investigación de la Universidad Estatal de Iowa busca la protección de patentes de la tecnología y busca socios comerciales.

Una nueva subvención de tres años de 700.000 dólares de la NSF (con 400.000 dólares para la investigación del estado de Iowa) impulsará las últimas ideas de Zhao sobre catalizadores que imitan enzimas. El nuevo proyecto incluye simulaciones por computadora de los sitios de reacción activa realizadas por Sijia Dong, profesora asistente de química y biología química en la Universidad Northeastern en Boston.

Las simulaciones, dijo Zhao, “nos ayudarán a comprender mejor nuestro sistema. Este es un sistema muy complejo”.

El grupo de investigación de Zhao está aprovechando nanoesferas dinámicas conocidas como micelas. Se ensamblan cuando cadenas de moléculas tensioactivas (que reducen la tensión superficial en los líquidos) se exponen al agua, lo que hace que las cabezas hidrofílicas de las moléculas, amantes del agua, formen una capa exterior y las colas hidrofóbicas que odian el agua se giren dentro de esa capa. .

Zhao y su grupo han encontrado una manera de que las micelas se ensamblen alrededor de moléculas plantilla que se asemejan a sitios activos. Una vez solidificadas por la luz ultravioleta, estas “nanopartículas impresas molecularmente” tienen un tamaño de 5 milmillonésimas de metro y la forma y el tamaño exactos para imitar las propiedades catalíticas y de unión de las enzimas naturales. Las nanopartículas tienen grupos catalíticos que apuntan directamente a los enlaces de azúcar en los polímeros de celulosa para descomponerlos de manera eficiente y selectiva.

“Si tiene éxito, la investigación producirá catalizadores sintéticos para la celulosa (descomposición) que pueden competir con las celulasas naturales en actividad pero que son mucho más fáciles de preparar y reciclar”, según un resumen del proyecto.

Eso podría convertirlos en una opción viable para la industria, dijo Zhao, quien está interesado en establecer asociaciones con empresas.

Al fin y al cabo, la tecnología se adapta al estado y a los tiempos.

"La conversión de biomasa es un gran problema no sólo para el estado de Iowa", dijo Zhao, señalando un mercado potencial para la biomasa cultivada en campos agrícolas en todo el estado, "sino que el mundo en este momento está interesado en una economía y sostenibilidad con neutralidad de carbono". .”

Yan Zhao, Química, 515-294-5845, [email protected]

Mike Krapfl, Servicio de Noticias, 515-294-4917, [email protected]

El grupo de investigación de Yan Zhao está construyendo nanoesferas que actúan como súper enzimas para descomponer las fibras vegetales en la biomasa, como los residuos de cultivos. Los nuevos catalizadores podrían hacer de la biomasa una fuente práctica de azúcares que puedan convertirse en combustibles y productos químicos.

"La conversión de biomasa es un gran problema no sólo para el estado de Iowa, sino que el mundo en este momento está interesado en una economía y sostenibilidad con neutralidad de carbono".

Yan Zhao, química