马萨诸塞大学安姆斯特分校的一队化学工程师发现了一个小分子，此小分子在被转换为生物燃料时行为与纤维素一样。研究这个迷你纤维素分子第一次揭示了木材和草原牧草在在高温转化为生物燃料期间所发生的化学反应。
这项新技术发现报道在2012年2月期的 Energy & Environmental Science上，并在Nature Chemistry上着重指出。
这种迷你纤维素分子称为α-环糊精，解决了面对诸如热解或气化的高温生物燃料过程的主要障碍之一。还不知道木材快速加热并分解成气体时所发生的复杂化学反应。并且当前的技术也不允许使用计算机模型来追踪化学反应的发生，因为木材中分子太大，反应也太复杂。
通过研究更小的替代分子所取得的突破开辟了用计算机模拟来研究生物质的可能性。 通过计算，在实际纤维素中刺激化学反应需要花1万年时间。用迷你纤维素的相同生物燃料反应可在一个月内做到。
研究小组已将研究迷你纤维素所得的见解在理解木材化学反应获得明显进展。使用更快的计算机模拟，他们能追踪他们可以跟踪木材向化学蒸气产品转换的所有方式。这些反应包括创建造生物燃料生产的重要分子呋喃。
出现在木材内的已发现的反应将作为设计先进生物燃料反应器的基础。通过创造木材转换的反应模型，科学家能设计生物质反应器来优化理想化生物燃料生产的特异反应。为了生物燃料的产生，最大化生产呋喃的新途径并最小化如CO2样气体的形成。
研究高温生物量化学作用的称为"薄膜热解"的新实验技术使迷你纤维素的发现成可能。它包括创造构成60%木材生物质的纤维素层，它非常薄，只有几微米厚。当以摄氏一百万度/分钟的速度非常迅速加热薄层时，他们创造了作为生物燃料前体的挥发性化学物质。
Paul Dauenhauer去年已获得几个知名的资助。2011年5月，他获美国能源部的基础能源科学5年80万早期事业奖。这项资助为他在了解控制分解植物物质成化学成分和燃料副产品过程的催化剂的研究提供了支持。2011年2月，他获得美国国家自然科学基金在开展热解基础研究方面1年80万的拨款。另外，在2011年他还获得3M公司的三年年轻教职员奖。（生物谷bioon.com）
doi:10.1038/nchem.1259
PMC:
PMID:
Cellulose conversion: A promising pyrolysis
Anne Pichon
ABSTRACT Converting biomass into biofuels first involves breaking down solid biopolymers - in particular cellulose, which are long chains of glucose moieties that constitute up to 60% of biomass - into small fragments. These are typically light oxygenated species or furans that can subsequently be transformed into biofuels. Unfortunately, various experimental and theoretical limitations have hindered a good understanding of cellulose pyrolysis, and in turn the development of efficient large-scale processes. The problems include: the starting material is a heterogeneous condensed phase which slows heat transfer; the large number of reactions that occur in the solid, liquid and gas phases further complicates the reaction environment and thus analysis; and the size of cellulose molecules themselves makes molecular dynamics simulations too difficult.
doi:10.1039/C1EE02743C
PMC:
PMID:
Revealing pyrolysis chemistry for biofuels production: Conversion of cellulose to furans and small oxygenates
Matthew S. Mettler, Samir H. Mushrif, Alex D. Paulsen, Ashay D. Javadekar, Dionisios G. Vlachos, Paul J. DauenhauerP>
ABSTRACT Biomass pyrolysis utilizes high temperatures to produce an economically renewable intermediate (pyrolysis oil) that can be integrated with the existing petroleum infrastructure to produce biofuels. The initial chemical reactions in pyrolysis convert solid biopolymers, such as cellulose (up to 60% of biomass), to a short-lived (less than 0.1 s) liquid phase, which subsequently reacts to produce volatile products. In this work, we develop a novel thin-film pyrolysis technique to overcome typical experimental limitations in biopolymer pyrolysis and identify α-cyclodextrin as an appropriate small-molecule surrogate of cellulose. Ab initiomolecular dynamics simulations are performed with this surrogate to reveal the long-debated pathways of cellulose pyrolysis and indicate homolytic cleavage of glycosidic linkages and furan formation directly from cellulose without any small-molecule (e.g., glucose) intermediates. Our strategy combines novel experiments and first-principles simulations to allow detailed chemical mechanisms to be constructed for biomass pyrolysis and enable the optimization of next-generation biorefineries.
