La tua domanda è un po 'ovunque, ma credo di poter rispondere comunque. Prima, però, permettetemi di sottolineare che la vostra formula di somma per la cellulosa è sbagliata. Mentre il glucosio è effettivamente un singolo $ \ ce {C6} $ composto con la formula della somma esaustiva di $ \ ce {C6H12O6} $, la cellulosa è, infatti, un polimero mal definito costituito da più $ \ ce {C6H10O5} $ subunità , collegate insieme sia linearmente per formare lunghe catene ma anche reticolate per formare reti estese. Pertanto, la formula della somma migliore sarebbe $ \ ce {(C6H10O5) _nH2O} $ o $ \ ce {C_ {6n} H_ {10n + 2} O_ {5n + 1}} $ per valori molto grandi di $ n $.

Ci sono due ragioni per cui il glucosio, il suo dimero maltosio e i suoi polimeri amilosio, amilopectina e glicogeno sono molto più facilmente digeribili da tutti gli organismi rispetto al cellbiose (il dimero del glucosio che si trova nella cellulosa) e alla cellulosa stessa.

Il primo è il tipo di collegamento: il primo insieme di composti contiene tutti connessioni α $ \ ce {{1} \ bond {->} 4} $ mentre cellbiose e cellulosa contengono β $ \ ce {{1} \ bond {->} 4} $ connessioni. Questa differenza apparentemente minore significa che mentre le subunità dell'amido formano spirali, le subunità cellulosiche in realtà formano fibre e tutti gli enzimi progettati per rompere le subunità a spirale non possono lavorare con le fibre.

Il secondo è il numero e il tipo di collegamenti incrociati. Ogni organismo ha una serie di enzimi che possono rompere i legami incrociati presenti nell'amilopectina o nel glicogeno (o entrambi), ma anche questi hanno una forma diversa da quelli della cellulosa a causa della configurazione β delle subunità in quest'ultima.

Gli enzimi per abbattere l'amilosio, l'amilopectina e il glicogeno sono praticamente presenti in ogni organismo multicellulare poiché questi composti sono usati per immagazzinare energia in una forma disponibile, il che non avrebbe senso se l'organismo non potesse rompere la forma di stoccaggio fino a monomeri. Tuttavia, la cellulosa non era "intesa" come accumulatore di energia e quindi non c'era alcuna pressione evolutiva per evolvere enzimi in grado di digerirla. Pertanto, solo pochissime specie che hanno trovato e popolato questa nicchia ecologica sono in grado di digerire la cellulosa e ancor meno sono in grado di digerire i composti aggiuntivi presenti nel legno che lo rendono duro.

Passiamo ora al processo di progettazione parte della tua domanda. In generale, se abbiamo gli enzimi dovremmo essere in grado di degradare il legno in monomeri utilizzabili in modo molto simile a qualsiasi organismo lo faccia in qualunque ambiente in cui vivono. Non solo i simbionti delle termiti sono di interesse ma anche i funghi che digeriscono il legno, naturalmente. Tuttavia, la difficoltà principale qui è acquisire gli enzimi necessari in quantità sufficienti per rendere il processo economico. Sono a conoscenza solo di pochissimi enzimi che possono essere fermentati e isolati in quantità e purezza sufficienti per un possibile utilizzo economico; tra loro una lipasi generica. Questo è un ostacolo significativo che i chimici di processo devono superare.

Tuttavia, c'è un'altra cosa. potrebbe funzionare se abbiamo accesso all'enzima, ma non è necessario. Molte volte il problema più significativo per gli ingegneri chimici è il problema dello scale-up: le reazioni funzionano bene su piccola scala ma una volta che si tenta di ridimensionarle fino a quantità maggiori per una maggiore produttività, si rompono in un modo o nell'altro. Sono sicuro che senza conoscere i titoli esatti che ci sono scaffali di libri riguardanti il ​​problema dello scale-up. Per quanto ne so (avvertimento: non sono un chimico industriale o un ingegnere chimico), spesso è dovuto a tentativi ed errori quali processi funzionano bene e quali no; e ciò che funziona bene per un tipo di prodotto non funziona affatto per gli altri.

Inutile dire che si deve avere accesso a una quantità significativa di fondi per colmare il divario di ricerca finché non si è effettivamente in grado di fare soldi così non mi sorprende (anche se sono scontento) che la società di cui parli sia fallita.

La ragione principale è che la cellulosa è progettata per essere difficile da digerire

La ragione chimica specifica è ben spiegata nella risposta di Jan, ma lì è una spiegazione più semplice e fondamentale: la cellulosa è progettata in questo modo. La natura ha creato alcuni organismi che necessitano di una componente strutturale che non è facile da abbattere per altri organismi (per evitare dubbi, l'evoluzione a volte produce risultati che chiamiamo progettati non abbiamo bisogno di un progettista esterno) .

Gli alberi vogliono durare a lungo e, se altri organismi potessero digerire facilmente il loro materiale strutturale, non raggiungerebbero questo obiettivo. La cellulosa è uno dei composti strutturali chiave che consente ai tronchi degli alberi di essere forti e di lunga durata. Se fossero costruiti da un polimero di zucchero diverso come l'amido, sarebbero facili da digerire (l'amido è progettato per essere un mezzo di conservazione degli zuccheri ed è relativamente facile da riconvertire in forme digeribili, motivo per cui molti dei nostri alimenti sono per lo più prodotti da esso).

Quindi, in definitiva, l'indigestibilità della cellulosa è il prodotto di una storia evolutiva in cui alcuni organismi vogliono essere grandi, forti e durevoli. Pochissime altre creature hanno sviluppato buoni modi per sconfiggere questa proprietà (gli insetti simbiotici negli stomaci delle termiti sono un raro esempio).

La sfida principale è la struttura macroscopica della cellulosa. È un solido, gli enzimi ovviamente possono iniziare a lavorare solo in superficie e le idrolasi funzioneranno solo su poche catene sciolte casuali.

Questo è troppo lento, anche se hai molto tempo e non stai cercando di fare soldi. Quindi devi prima rompere la tua cellulosa usando un processo che è economico e si traduce in un prodotto abbastanza pulito per gli enzimi (puoi usare gli acidi, ma non troppo o impedirai agli enzimi di funzionare). Non è troppo facile.

Dopo aver rotto la struttura cristallina è necessario utilizzare una miscela di enzimi, poiché è necessario ancora un po 'di "punti di partenza". Hai bisogno di enzimi per fare delle rotture nel mezzo della catena, anche alcuni enzimi allentano la catena dalla massa, ecc. Prima di poter utilizzare un enzima che digerisce la cellulosa dalla fine (come accade facilmente con l'amido). Le idrolasi sono abbastanza veloci, ma hai bisogno di molte altre attività.

Quindi tutto questo deve combaciare, hai bisogno di una fonte che sia davvero molto economica, un processo che lo scomponga abbastanza da consentire agli enzimi di fare il loro lavoro, e quindi questo deve risultare in un mix di glucosio e altri composti che sono buone fonti di cibo per la fase di fermentazione e questo non deve contenere microrganismi concorrenti o altre sostanze inibitorie. E ricorda, per tutto questo tempo sei in competizione con combustibili fossili a basso costo.

Creare dell'etanolo è banalmente facile al momento, puoi ordinare degli enzimi, far bollire la cellulosa in acido, lavarla, aggiungere gli enzimi, aggiungere un po 'di lievito e distillare il tuo etanolo. Ma farlo in modo economicamente fattibile non è così facile.

Il fallimento di un'azienda non è nemmeno un'indicazione che non funziona / non è fattibile. Dupont, ad esempio, produce molto etanolo utilizzando un processo (parzialmente) enzimatico. Puoi navigare e avere un'idea delle sfide, dei colli di bottiglia e della portata dell'operazione. Anche altre società stanno facendo molte cose, ad esempio POET-DSM e Abengoa.

Esistono in natura un certo numero di cellulasi (enzimi per scindere la cellulosa in oligosugar più corti). Vedi ad es. https://en.wikipedia.org/wiki/Cellulase

Sono necessari a qualsiasi pianta che cresce, per poter fare qualche ristrutturazione. Tuttavia, funzionano solo su catene amorfe e solo un tipo (endocellulasi) è effettivamente in grado di tagliare nel mezzo di una lunga catena o segmento di rete. Il resto morde solo i pezzi (le estremità penzolanti risultanti).

I segmenti cristallini (sono ciò che rende gli alberi così duri ed elastici) sono virtualmente immuni agli enzimi. Si degradano solo dopo precedenti ad es. danni ossidativi o UV. Il legno sott'acqua non si decompone su scale temporali umane, a meno che non si raggiungano temperature più elevate e / o condizioni acide.

Le termiti et al. hanno molti denti minuscoli e affilati (in senso figurato) e dividono meccanicamente il legno in particelle molto piccole, la cui enorme superficie consente agli enzimi di tornare a lavorare.