Introduction
חדרי הביקוש לאנרגיה של האנושות בר קיימא הוא אחד האתגרים הגדולים שהציוויליזציה שלנו פרצופים. שימוש באנרגיה צפוי להכפיל ב 50 השנים הבאות, הגדלת עומס רב יותר על משאבי דלק מאובנים. 1 ההצטברות של גזי חממה (GHG) באטמוספרה באמצעות שימוש בדלק מאובנים רחב התפשט היא בעייתית במיוחד, כמו CO 2 שנוצר משריפה דלקים מאובנים אחראים 50% של אפקט החממה אנתרופוגניים. 2 לכן, יישום בקנה מידה הגדולה של טכנולוגיות ניטראליות מתחדשות פחמן חיוני שעונה על הצרכים של הדורים הבאים אנרגיה וחומרים המוגבר. 1, 3
ביומסה הצמח הוא משאב מתחדש המגוונים ביותר, כפי שהוא יכול לשמש כדי לייצר חום, חשמל, כמו גם, חומרים כימיקלים מבוססי פחמן ודלקים. היתרונות העיקריים של ביומסה lignocellulosic פני סוגים ביומסה אחרים הם שפע, הפוטנציאל שלה PE תשואות גבוהותאזור r אדמה ועל פי רוב חיסכון פליטה CO 2 גבוה יותר, הכולל שימור גבוה של פחמן בקרקע. 4, 5 יתרונות של שימוש ביומסה כולל זמינות מקומית, דרישות הון נמוכות להמיר ביומסה לאנרגיה, ומניעת סחף קרקע. 8
המפיקים הגדולים של חומר זינה lignocellulosic הם תעשיית ייעור במגזר החקלאי וכן ניהול פסולת עירונית. 6 ייצור lignocellulose יש פוטנציאל להיות מורחבת, עם מוח כדי להגביל יערות והימנעות החלפת גידולי מזון שחרור מזהמים פוטנציאליים. 7 עבור ביומסה מתחדשת להפוך למקור נפוץ קיימא של דלקים לתחבורה נוזלים כימיקלים, העיבוד שלה חייב להיות תחרותי כלכלי עם טכנולוגיות מרת דלק מאובנים. 9, 10, אחת הדרכים להשגה זו היא להגביר את התפוקה ואיכות של חומרי ביניים הנגזרות ביומסה תוך צמצום עלות. </ P>
Lignocellulose מכיל שיעור סוכרים גבוהה אשר ניתנות להמרה דלקים וכימיקלים באמצעות המרות הקטליטי מיקרוביאלי. 11 סוכרים אלה נמצאים lignocellulose בצורה פולימריים כמו תאית hemicellulose. הם יכולים להיות הידרוליזה לתוך מונומרים גלוקוז וסוכר אחרים ולאחר מכן המשמשים לייצור ביו-וכימיקלים שמקורם ביו אחרים וממסים. 12
כדי לגשת הסוכרים התאיים, המקדים של ביומסה יש צורך הדרך פיזי, כימי או תהליכים משולבים. 4 המקדים הוא לטעון את הצעד היקר ביותר יִצוּב מְחִיר של ביומסה lignocellulosic. לפיכך מחקר לתוך תהליכי המקדים שיפור הכרחי.
טכנולוגיות מקדימות שונות זמינות. מעניין במיוחד הם אלה שמפרידים בין ליגנין מתאית (מקדים fractionative). ליגנין, המרכיב העיקרי השלישיlignocellulose, גישת גבולות hydrolyzing סוכנים תאיים hemicellulose ומקטינה את תשואת הסוכר לטון של זינה. 11 ליגנין המופרד יכול להיות מנוצל כמו biorefinery נוסף ביניים אם היא מבודדת באיכות מתאימה. 13 אחת תהליך fractionative הוא תהליך קראפט אשר הוא המקדים הנפוץ ביותר לייצור נייר / תאי. בשנת מעיכת קראפט, שבבי עץ ממוקמים בתוך תערובת של הידרוקסיד נתרן גופרתי נתרן מחומם בטמפרטורות גבוהות של כ 170 מעלות צלזיוס בלחץ גבוה. 14 התגובות אלקליין להסיר hemicellulose ו ליגנין ידי שבירת הפולימרים עד שברים קצרים דרך nucleophilic ו בסיס קטליזה, ועל ידי המסת שברי הליגנין באמצעות דה-protonation של קבוצות הידרוקסיל פנוליות / אלכוהול. תהליך נוסף delignification נפוץ הוא תהליך Organosolv אשר גם שהברים מתמוסס ליגנין ו hemicellulose. במקום להשתמש aqueo אלקלייןפתרון אותנו, ממיסים אורגניים כגון אתנול וחומצה אצטית משמשים בטמפרטורות גבוהות הנעים בין 160-200 מעלות צלזיוס ולחצים מסרגל 5-30. יש מקדים Organosolv כמה יתרונות על פני קראפט מעיכה בכך שהיא מייצרת פחות אוויר וזיהום מים. 15 שני התהליכים להחזיק כמה אתגרים כלכליים, אם משתמשים בו לייצור כימיקלים ודלקים ולא תאי. 16 מקדים Ionosolv משתמש נוזלים יוניים, אשר הם מלחימים יש נקודת התכה מתחת ל -100 מעלות צלזיוס, כתוצאת אינטראקציות Coulombic החזקות שלהם, לחץ אדים נמוכים מאוד. 17 זה מבטל זיהום אוויר בתהליך המקדים, ומאפשר עיבוד ליד או בלחץ אטמוספרי.
בעוד שרוב ILs נוצר סינתזות מייגעות, רבי שלבים, ILs protic יכול להיות מסונתז תהליך חד-שלב מ כימיקלי סחורות, מה שהופך אותם פחות יקרים; ההערכה היא כי חלק ILs יכול להיות מיוצר על בקנה מידה גורפת עבורמחיר של 1.24 $ לכל קילו אשר ניתן להשוות בממסים אורגניים שכיחים כגון אצטון טולואן. 18 היכולת למחזר ולעשות שימוש חוזר ILs להתאמה האישי אלה בתהליך הפועלת יחסית בטמפרטורות נמוכות ולחצים עושה את זה אלטרנטיבה שפירה יותר מועמד אטרקטיבי מבחינה כלכלית עבור Biorefining.
פרוטוקול וידאו מפורט זה מדגים גרסה בקנה מידה במעבדה של תהליך Ionosolv עבור delignification של ביומסה lignocellulosic ואת saccharification האנזימטית הסופי של עיסת התאית עשירה כמו גם ההתאוששות של ליגנין ריח ללא טוהר גבוה. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הערה: נוזלים יוניים protic המשמשים בתהליך מסונתזים במעבדה שלנו, למרות שחלקם עשויים להיות או להיות זמינים מסחרית. נוזלים יוניים וכתוצאה מכך הם חומציים מאכל וכנראה גורמים המגרים את העור / עין (תלוי אמין בשימוש), ולכן חייב להיות מטופלים עם PPE המתאים לובש טיפול (חלוק מעבדה, מפרט בטיחות, כפפות עמידות).
1. הכנה
- הכנה ואחסון ביומסה lignocellulosic
- השג את ביומסה lignocellulosic לפני הניסוי בכמויות מספיקות, עד g למשל 100 5 ק"ג.
הערה: כל ניסוי דורש לפחות 3 גרם של ביומסה (1 גרם לכל בשלושה עותקים). - להפחית את תכולת הלחות, זמן קצר לאחר קציר ולאחסן את ביומסה בצורת אוויר יבש במעבדה. האוויר יבש ביומסה על ידי הפצת ביומסה על שולחן או ספסל ולהשאיר אותו למשך 2 שבועות או עד להופעתה היבשה. העבר ולהפוך את ביומסה במהלך tזמן כדי להאיץ את התהליך. בצע את הניסויים חלוקים בתוך שנה של קציר.
הערה: מייד לאחר קטיף, ביומסה וודי יכולה להכיל עד 50% WT לחות, תוך ביומסה יבשה-אוויר, אשר הוא יציב יותר, מכיל 5-12 לחות wt%. - טוחנים מסננים ביומסה למגוון גודל חלקיקים בחר. אחסן את ביומסה היבשה בשקיות פלסטיק או מכלי מתאים אחר עד שימוש.
הערה: עבור מדגמים קטנים טיפל בפרוטוקול זה, בגודל החלקיקים מופחת מומלץ, למשל 180-850 מיקרומטר.
- השג את ביומסה lignocellulosic לפני הניסוי בכמויות מספיקות, עד g למשל 100 5 ק"ג.
- קביעת תכולת הלחות של ביומסה (לפי פרוטוקול NREL) 20
- כדי לקבוע את תכולת הלחות של ביומסה, preweigh פיסת נייר אלומיניום (גודל כ 5 ס"מ x 5 ס"מ) על משקל אנליטי ולהקליט את המשקל של רדיד (רדיד מ '). תשקול בערך 100 מ"ג של ביומסה יבשת אוויר על רדיד האלומיניום ולהקליט באוויר-DRI המדויקמשקל ed (ADW מ ').
- מקפלים את רדיד אלומיניום על מנת לבצע מנות ומניחים בתנור אוהד בסיוע ב 105 מעלות צלזיוס למשך הלילה (לפחות למשך 4 שעות).
- קח את החבילה החוצה והנח אותה מיד ייבוש במשך 5 דקות, ולאחר מכן לשקול את החבילה מיד ולהקליט את המשקל המדויק של משקל מיובש בתנור בתוספת רדיד (מ ODW + רדיד). חשב את תכולת הלחות (ב%) של BM mc ביומסה על פי משוואה 1:
Eq. 1
כאשר m ODW + רדיד הוא המשקל של החבילה מיובשת בתנור (ביומסה מיובשת בתנור בתוספת רדיד), רדיד m הוא המשקל של נייר הכסף מ ADW הוא משקל האוויר היבש של ביומסה. כל המשקולות צריכות להיות גם בסול או מ"ג.
- סינתזה של יונית נוזלית
- במנדף או מארז פרק, שוקל 1 חפרפרתשל האמין (triethylamine) לתוך בקבוק תחתון 1 L עגול עם בר ומערבבים מגנטי. מניחים את הבקבוק באמבט קרח על צלחת בוחש מגנטי. הוספת משפך בנוסף 250 מ"ל מיד כדי למזער התאדות של האמין.
הערה: הבטחת החומצה הנכונה: יחס בסיס הוא בעל חשיבות גבוהה להשגת השחזור של הניסויים המקדימים. - מדוד את 1 חפרפרת של חומצה גופרתית באמצעות פתרון של ריכוז ידוע (בדוגמה 5 mol / L זה) וכן בקבוק מדידה (200 מ"ל). מעביר את החומצה הגופרתית לתוך המשפך בנוסף ולשטוף כל חומצה דבקה קירות בקבוק המדידה לתוך המשפך בנוסף עם מים ללא יונים.
- מוסיפים את dropwise חומצה גופרתית אל אמין תוך בחישה נמרצת. ודא הפתרון אינו מתחמם, כמו זה יוביל רותחים של האמין ויחס מדויק של חומצה לבסיס. יש לשטוף את החלק הפנימי של המשפך בנוסף באמצעות מים ללא יונים כדי להבטיח את החומצה מועברת באופן כמותי.
הערה: קבוצות גדולות יותר של בתמיסה נוזלית יונית יכולות להיעשות על ידי הגדלת הכמות של חומצה אמינית הגופרתית כמו גם נפח הבקבוק בהתאם. - להתאדות רוב המים באמצעות המאייד רוטרי. תכולת המים צריכה להיות נמוכה יותר מאשר תוכן המים הנדרש עבור המקדים.
הערה: אין צורך לייבש את הנוזל היוני לחלוטין. זה עשוי להיות מועיל לעזוב קצת מים נוזלים יוניים, כמו כמה נוזלים יוניים מיובשים, כולל סולפט מימן triethylammonium, הם מוצקים בטמפרטורת החדר. מייבש להקפיא יכול לשמש גם כדי להפחית את תכולת המים.
- במנדף או מארז פרק, שוקל 1 חפרפרתשל האמין (triethylamine) לתוך בקבוק תחתון 1 L עגול עם בר ומערבבים מגנטי. מניחים את הבקבוק באמבט קרח על צלחת בוחש מגנטי. הוספת משפך בנוסף 250 מ"ל מיד כדי למזער התאדות של האמין.
- אישור והתאמת תוכן המים של פתרון IL
הערה: תכולת המים היא משתנה ניסיוני חשוב. ישנם שלושה מקורות המים בתערובת המקדימה עשויים לבוא. כולם צריך להילקח בחשבון: (1) המים הכלולים בתמיסה הנוזלית המסונתז או קנה היונית (2) המים כלולים tהוא אוויר יבש ביומסה (3) מים הוסיף עם טפטפת כדי להשיג את תכולת המים הרצוי הסופי.- קבע את תכולת המים של הפתרון הנוזלי המסונתז או נרכש יוני ידי טיטרציה נפח קארל פשר פי הנחיות על ידי יצרן Titrator. הוסף כמה טיפות של IL לתוך Titrator באמצעות מזרק טרום שקל. הזן את המשקל של נוזל הוסיף לתוך Titrator ולהמתין עד Titrator מציג קריאה. רשום את תכולת המים.
- החלט על תכולת מים עבור המקדים ביומסה. בניסוי זה, להשתמש 20% WT. להפחית את תכולת המים 5% WT מתחת תכולת המים הרצוי באמצעות המאייד רוטרי ולאשר את תכולת המים החדש על ידי טיטרציה קארל פישר כמתואר 1.4.1.
הערה: תוצאות טובות מושגות עם 20% WT מים; אולם זה לא תמיד יהיה אופטימלי עבור מקדים. תכולת מים גבוהה עשויה להיבחר על מנת להפחית את העלות ממסה או צמיגות נמוכה.
<li> חישובים לצורך הניסוי. - החלט על כמות סול מ בתמיסה נוזלית יוני, סופית BM יחס ביומסה ל-ממס / סופי סול. הנה, להשתמש 10 גרם של פתרון נוזלים יוניים המכילים מים 20 wt% ויחס ביומסה ל-ממס של 1:10 g / g.
הערה: צינורות בשימוש בפרוטוקול זה יכול להכיל עד 18 גרם של פתרון IL אם ביומסה ממס היחס הוא 1:10 (wt / wt). יחס גבוה ביומסה ל-ממס (עד 1: 2 או אפילו 1: 1) הוא חיובי מנקודת מבט כלכלי אך עלול לסכן את היעילות המקדימה בקנה מידה קטנה. - לקבוע את הכמות (ללא מים) נוזלים יוניים הנדרש עבור כל דגימה על פי המשוואה הבאה 2:
Eq. 2
איפה IL M הוא הכמות הנדרשת של נוזלים יוניים בגרמים, סול מ ', סופי הוא את הכמות הרצויה של בתמיסה נוזלית יונית בגרמים, והאחרון WC <תת /> הוא תכולת המים הרצויה (ב%) בפתרון נוזלים יוניים. - בשלב הבא, לחשב את הכמות בתמיסה נוזלית מסונתזת או קנה יוני להתווסף לתוך צינור אחד לחץ על פי המשוואה הבאה 3:
Eq. 3
איפה סול מ 'הוא הסכום של פתרון להתווסף לתוך צינור אחד לחץ (בגרמים), IL m הוא הכמות הנדרשת של נוזלים יוניים (בגרמים), בב"ש סול הוא תכולת המים בתמיסה הנוזלית היונית (ב%) כפי שנקבע על ידי טיטרציה קארל פישר. - לקבוע את כמות ביומסה (בסיס משקל בתנור מיובש) שיתווסף הפתרון הנוזל היוני באמצעות משוואה 4 להלן. בניסוי זה, השתמש 1 גרם של ביומסה Miscanthus מיובש בתנור לכל צינור לחץ.
Eq. 4
איפה ODW הוא הסכום של ביומסה להיות להוסיףed לתוך צינור אחד לחץ (בגרמים), סול מ ', סופי הוא את הכמות הרצויה של פתרון נוזלים יוני (בגרמים) ו BM / סול סופי הוא היחס הרצוי של ביומסה ל-יוני בתמיסה נוזלית. - קבע את המשקל ביומסה יבש-אוויר כי צריך להוסיף לתוך הצינור באמצעות המשוואה הבאה: 5
Eq. 5
שם ADW הוא משקל האוויר היבש של ביומסה להתווסף לתוך הצינור (בגרמים), ODW הוא משקל בתנור יבש של ביומסה הנדרש לצורך הניסוי (שנקבע 1.5.4 בגרמים) ו MC BM הוא הערך שנקבע 1.2.3. - לחשב כמה מים צריך להוסיף עם טפטפת כדי להשיג את תכולת המים הסופי הרצוי על פי המשוואה הבאה: 6
Eq. 6
איפה מים מ היא הכמותבתוספת מים, שירותים סופיים הוא תכולת מים הרצוי בתערובת המקדימה (כאן 20% WT), מ 'sol.final היא כמות ממס (כאן 10 גרם), mc BM היא תכולת הלחות של ביומסה האוויר יבש , מ 'בע"מ הוא הכמות ביומסה האוויר יבשה להתווסף, שירותי הסול הוא תכולת המים של הפתרון הנוזלי המסונתז או נרכש יוני, וסול מ הוא הכמות בתמיסה נוזלית יונית.
Eq. 1 
Eq. 2 
Eq. 3 
Eq. 4 
Eq. 5 
Eq. 6 Pretreatment 2.
הערה: התהליך עשוי להיות מופרע בכל נקודה על ידי השארת דגימות בטמפרטורת החדר (במשך כמה ימים) או במקרר (לפרקי זמן ארוכים יותר).
- טרום לשקול שלושה 15 מיליליטר צינורות לחץ עם כובעי טפלון וטבעות סיליקון O. ראייה לבדוק את צינורות לחץ כדי להבטיח להם ללא סדקים או פגמים.
הערה: צינורות לחץ גדולים יותר הולמי נוזלים יוניים יותר ביומסה יכולים לשמש אם תרצו בכך, אם כי תוצאות מקדימות לאלהיות להשוואה ישירה בין דגימות מטופלים בגדלי בקבוקון שונים. אנו ממליצים על השימוש של כובעי סוגרים מול לאיטום טוב יותר. - עם פיפטה 10 מ"ל, להוסיף את הכמות הנדרשת של פתרון נוזלים יוניים לתוך מעמד צינור הלחץ על כף המאזניים. השתמש טבעות פקק כדי לשמור על בעמידת צינור. רשום את המשקל של הפתרון הנוזל היוני הוסיף. להוסיף את הכמות הנדרשת של מים הפתרון שנקבע 1.5.6 בעזרת פיפטה, בהנחה צפיפות המים להיות 1 גר '/ מ"ל.
- להוסיף את הכמות הנדרשת של lignocellulose אוויר יבש על ידי הנחת פיסת נייר אלומיניום (מידות 3 ס"מ x 8 ס"מ) על איזון, אופני אלה את האיזון ומשקלו את ביומסה. טרה את האיזון ולהוסיף ביומסה אל הצינור. מניח את רדיד ריק בחזרה על היתרה ולהקליט את ההבדל.
הערה: לחילופין, סירות שקילה antistatic ניתן להשתמש. - סגור את המכסה עם כובע טפלון עם O-Ring סיליקון. בדקו חותם טוב בלי יותר מדי הידוק. רשום את המשקל של pצינורות ressure המכילים ביומסה נוזלים יוניים. מערבבים את התוכן של הצינור באמצעות שייקר מערבולת עד שכל ביומסה נמצא בקשר עם נוזלים יוניים.
הערה: לא כל חומרי O-Ring לעמוד להיות במגע עם נוזלים יוניים בטמפרטורה גבוהה. מצאנו כי סיליקון עובד היטב. - מניחים את הצינורות לחץ בתנור אוהד בסיוע כי כבר מחומם מראש לטמפרטורה הרצויה. לדוגמה, לעזוב צינורות במשך 8 שעות ב 120 מעלות צלזיוס או שעה 1 ב 150 ° C.
הערה: זמן וטמפרטורה הם משתנים ניסיוניים חשובים. ניתן להשתמש שילובי טמפרטורת - זמן אחר. - הסר צלוחיות מהתנור באמצעות כפפה לתנור ומניחים אותם במנדף לתת להם להתקרר לטמפרטורת החדר. בדוק את המשקל של הצלוחיות לאחר הקירור כדי להבטיח אין מים נמלטו במהלך בישול.
3. הזולה Wash
- מעבירים את התוכן של כל צינור לתוך צינור צנטריפוגות 50 מ"ל באמצעות 40 מ"ל של אבסולוטאתנול דואר. לנער את הצינור באמצעות שייקר מערבולת דקות 1 לערבב היטב ולהשאיר הצינור בטמפרטורת החדר למשך שעה 1 לפחות.
הערה: ההפרדה יכולה גם להתבצע באמצעות סינון, לעומת זאת, פחות דיוק ייתכן שנצפה עבור גודל המדגם שהציע. - לנער את הצינור באמצעות שייקר מערבולת למשך 30 שניות, ואז צנטריפוגות צינור במשך 50 דקות ב 2,000 x ז. נוזל נפרד ומוצק באמצעות אחסון זהיר. אסוף את הנוזל בתוך 250 מיליליטר נקי עגול בקבוק תחתון עם בר ומערבב.
- הוסף 40 מ"ל אתנול טרי לתוך צעד צינור וחזור 50 מ"ל 3.2 שלוש פעמים.
- הסר את אתנול מן הנוזל היוני ידי צבת בסיבוב תחתי צלוחיות על גוש חימום. חבר כל אחד מהם משאבת ואקום עם מלכודת קרה. מלא את המלכודת עם קרח יבש ולהגדיר את החימום עד 40 ° C. Switch ובחש המשאבה.
הערה: הניסוי זו משתמשת עד שנקבע במקביל תוצרת בית המאייד מבוסס על הגדרת סינתזה במקביל. דוודים במקביל גם יכול להיות Purchasא-מוכן. לחלופין מאייד רוטרי יכול לשמש.
- הסר את אתנול מן הנוזל היוני ידי צבת בסיבוב תחתי צלוחיות על גוש חימום. חבר כל אחד מהם משאבת ואקום עם מלכודת קרה. מלא את המלכודת עם קרח יבש ולהגדיר את החימום עד 40 ° C. Switch ובחש המשאבה.
4. הפקת Soxhlet של זולה
- מעביר את העיסה הרטובה שטפה לתוך אצבעוני תאית לרשום על כל אצבעון בעפרון.
- מלאו 150 מ"ל אתנול אבסולוטי לתוך 250 מ"ל נקי בקבוק עגול תחתית עם בר ומערבבים. הכנס את האצבעון המכיל מדגם לתוך חולץ 40 מיליליטר Soxhlet, להוסיף קבל ולהתקין הכל על תחנת העבודה חולץ במקביל מחוברת ילר הסירקולציה מחודש.
הערה: אם אתנול שימש להעברת עיסת, להוסיף רק את ההבדל 150 מ"ל בבקבוק עם תחתית עגולה. - כאשר כל הדגימות נטענות, ומתחיל לבחוש, להגדיר את הטמפרטורה ל -135 מעלות צלזיוס ולהדליק את recirculator (טמפרטורת הגדרת 18 ° C). חלץ את דגימות העיסה במשך 20 שעות בסך הכל.
- כבו את החימום כדי לאפשר refluxing לבוא עד שנעצרה. ואז לעבור שני בחישה צינון. קח את האצבעונים מתוך חולץ Soxhletבאמצעות פינצטה ולתת יבש עיסת רטובים לילה האצבעון במנדף.
- מוסיף את הנוזל מן חילוץ Soxhlet לנוזל מן לשטוף ביומסה ולהמשיך מתאדה אתנול מן לשטוף ביומסה עם המאייד המקביל או מאייד רוטרי ב 40 ° C.
- מעביר את עיסת האוויר יבשה מן האצבעון על גבי פיסת נייר אלומיניום tared על איזון אנליטית, להקליט את משקל האוויר היבש של עיסת החילוץ ולהעביר אותו לתוך שקית פלסטיק שכותרתו. נסה לשחזר הכל, ואילו לא מגרד חומר אצבעון מהקיר.
- קבע את תכולת הלחות של העיסה מייד לחשב את התשואה מיובשת בתנור (כפי שהוצג קודם בשלב 1.4).
5. בידוד ליגנין
- כאשר כל אתנול התאדו, לזרז את ליגנין ידי העברת נוזלים יוניים מהבקבוק מסביב לתחתית לתוך צינור צנטריפוגה 50 מ"ל באמצעות 30 מ"ל מים. מערבבים את ההשעיה ולהשאיר למשך לפחות 1 שעה.צנטריפוגה במשך 20 דקות XG ב 2000, ולהפריד את הפתרון מן מוצק באמצעות אחסון.
הערה: בפרוטוקול זה, 3 ושווי של מים משמשים antisolvent. פחות antisolvent ניתן להשתמש, אם ירצה בכך. הכביסות ניתן לאסוף, המים יוסר נוזלים יוניים התאושש לשימוש חוזר. - הוסף 30 מ"ל מים מזוקקים כדי גלולה ליגנין בתוך הצינור צנטריפוגות. חזור על ערבוב, הדגירה של 1 שעה ו צנטריפוגה. חזור על שלב זה עבור סכום כולל של 3 שוטף ליגנין.
- יבש את ליגנין בתוך צינור צנטריפוגות באמצעות תנור ואקום מכסה פירסינג ב 45 מעלות צלזיוס למשך הלילה. כדי לקבוע את התשואה ליגנין, במקום חתיכת נייר אלומיניום על איזון, טרה משקל, להוסיף ליגנין מהתנור ולהקליט את המשקל באופן מיידי. מעבירים את ליגנין לתוך בקבוקון לאחסון.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הסכום המדויק של הסרה ליגנין ומשקעים ליגנין, התאושש עיסת תשואת גלוקוז תלוי בסוג של ביומסה בשימוש, הטמפרטורה בה הטיפול מנוהל ואת משך הטיפול. פעמים מקדימות קצרות וטמפרטורות נמוכות להוביל מקדים שלם תוך בטמפרטורות גבוהות התאי הופכת לבלתי יציב בנוזל היוני, שמובילים הידרוליזה ושפלה. הנוזל היוני שנבחר גם ממלא תפקיד חשוב התוצאה של ההליך החלוק.
איור 1 מציג את הרכב Miscanthus מטופל (דשא) ואורן (softwood), ואת Miscanthus ואורן עיסת המתקבל לאחר טיפול מקדים triethylammonium HSO 4 עבור 8 שעות ב 120 ° C (ניתוח ההלחנה בוצע בהתאם לפרוטוקול NREL). 21 ברור מן הדמות מקדימה Ionosolv בבית ה תנאי אסה הניבו תוצאות שונות עבור שני סוגים של ביומסה. במקרה של ביומסה הדשא, רוב ליגנין ואת hemicelluloses הוסרו, בעוד המקדים של עץ רך בעיקר הסיר את hemicelluloses ואת כמות קטנה בלבד של ליגנין. ההבדל בתוצאה של המקדים נקבע באותה מידה כאשר pulps התאושש היו נתונים saccharification האנזימטית. 22 בעוד 77% של שחרור גלוקוז תיאורטי הושג Miscanthus, אורן הניב רק 13%. הבדל החילוץ ליגנין משתקף בתשואות ליגנין: 20% ו -5% מהמשקל ביומסה ראשוני התגלו כמו ליגנין עבור Miscanthus ואורן, בהתאמה.
ההבדל בתוצאות מקדימות בין שני חומר הזינה מיוחס הסוגים השונים של הווה ליגנין ב עשבי עץ רכים; ליגנין סוג ז 'עץ רך יותר הסרבן ועוד קשה להסיר מ ליגנין הדשא.
ילדה = "jove_content" FO: keep-together.within-page = "1"> 
הרכב איור 1. Miscanthus ואורן לפני ואחרי טיפול מקדים [triethylammonium] [HSO 4] עם 20% WT מים במשך 8 שעות ב 120 מעלות צלזיוס. זה נקבע על ידי הליך ניתוח ההלחנה NREL. 21 אנא ראה חומר עזר 21 עבור יותר פרוטוקול מפורט. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
ניתן לאפיין ליגנין ידי קוהרנטיות קוונטית heteronuclear (HSQC) ניתוח תמ"ג אשר מראה כי אג"ח אתר הם בקעו במהלך המקדים בעוד שאיגרות חוב CC חדשים נוצרים. 19 עוד הוכח כי המשקל המולקולרי, אשר יכול להיות מוערך על ידי GPC, הוא הרבה נמוכה מזו של ליגנין הילידים. לפעמים מקדים עוד המשקל המולקולרי מגדיל בשל תגובות עיבוי. תגובה של ליגנין עם הנוזלים היוניים היא מינימאלית כפי שמעיד עלייה שולית של תכולת הגופרית ולא עלייה של תוכן החנקן של ליגנין לאורך זמן.
ניתוח נוסף יכול להתבצע אם עניין. ניתוח XRD של עיסת התאית התאוששה בדרך כלל תערוכות crystallinity גבוהה. 17 אלכוהול הנוזלים היוני התאושש יכול להיות מנותח על ידי HPLC כדי לזהות סוכרים מומס מוצרים פגומים שלה. 23
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הטכניקה עבור החלוקה של ביומסה lignocellulosic המוצגת כאן מייצרת עיסה תאית-עשיר ליגנין. רוב hemicelluloses מתמוססים לתוך הנוזל היוני הידרוליזה, אך לא התאושש. אם סוכרי hemicellulose הם רצויים, צעד מראש חילוץ hemicellulose לפני delignification Ionosolv עשוי להיות נחוץ. זה היה עד כה בלתי אפשרי לסגור את מאזן מסה מלא עבור ביומסה, כפי שהוא לא ניתן לזהות ולכמת את כל תוצרי פירוק נמצא ליקר נוזלים יוניים, במיוחד אלה הנובעים ליגנין. מחקר מפורט על מחזור מאזן מסה מתנהל וצפוי להתפרסם בקרוב.
לשטוף אתנול יש צורך בקנה מידה קטנה כדי להשיג הפרדות טובות, כמו נוזלים יוניים שיורית דבקות אל פני השטח של העיסה עשוי להפחית פעילות האנזים במהלך saccharification, ובכך הטיית הניתוח בקנה המידה מעבדתי. יצוין כיכרכים של לשטוף אתנול נצרך בפרוטוקול זה אינם תואמים-אפ בקנה מידה וכנראה אינם נדרשים אם התהליך הוא להיות מופעל על בקנה מידה מסחרי.
ניסיוני להגדיר זה מסתמך אך ורק על הסעה כדי להקל על העברת המוני. הערבוב צפוי זאת כדי להקל על התגובה ועלול לשנות את זמני תגובה נדרשות יעיל מיצוי ליגנין.
בסך הכל, הפרוטוקול המקדים ביומסה שהוצג הוכח כיעיל מאוד עבור החלוקה של ביומסה lignocellulosic. היתרונות העיקריים על מימיים mechanochemical (כלומר, פיצוץ קיטור) תהליכים הם סלקטיביות משופרות, כלומר, כשלקוח תאי נקי ליגנין מטוהר. יתרון נוסף הוא בתנאים קלים יחסית לפיו התהליך יכול להתבצע. יתרונות על פני תהליכים ליגנין-solvating אחרים (כלומר, מעיכה קראפט או מקדים Organosolv) הם ה- SEP פשוטarations והתאוששות ממס בשל התנודתיות-אי IL, הפחתת השקעות הון. ליגנין המבודד הוא ריח חינם. תהליך Ionosolv המוצג הינו בתפקוד שלה מאוד דומה לתהליך Organosolv המשתמשת אתנול מימית acidified. עם זאת, כמו הנוזלים היוניים יש לחץ אדים זניח (הפחתה לחצים בתהליך לקראת אטמוספרי), המחזור של הממס שונה והחשיפה ממסה אדים ממוזערים.
בהשוואה לתהליך הנוזלים היוני באמצעות נטולי מים, נוזלים יוניים בסיסיים כגון 1-אתיל-3-methylimidazolium יצטט או 1-בוטיל-3-methylimidazolium כלוריד, אשר תוצאת עיסת תאית decrystallized מניבים תשואות saccharification גבוהות מאוד, התהליך המועסק כאן נותן לעלות לתשואות גלוקוז נמוכות מעט. 24 עם זאת, התהליך הנוכחי הוא ייבוש עתיר אנרגיה סובלנית לחות, ולכן לא מחייב, ומשתמש נוזלים יוניים מסנתזים הרבה יותר בקלות ולכן e xpected להיות משמעותי פחות יקר.
כמו עם כל יישום של נוזלים יוניים, אחד היתרונות העיקריים הוא האפשרות לכוון את המאפיינים של נוזלים יוניים על ידי שינוי הליבה קטיון, החל imidazolium כדי אמוניום, ובאמצעות שינוי מספר, אורך, סימטריה החלפה של רשתות אלקיל על קטיון. 25 במקרה המיוחד של נוזלים יוניים protic בשימוש בפרוטוקול זה, חומצה לבסיס יחס ואת תכולת המים יכול לשמש עיצוב הממס. 26, 27 זה מעורר ממיסים עם מגוון רחב של הקטבים, acidities, viscosities ומאפיינים פיזיים אחרים.
פרמטרים אחרים שיכול להיות מותאם כוללים העמסה ביומסה, טמפרטורה מקדימה וזמן, ותוספים. בנוסף, את העלויות הכרוכות ממיסים, ציוד השקעת אנרגיה יהיה צורך לקחת בחשבון אופטימיזציה, אם אפשרות המקדים הזה היא לשמש בסביבה מסחרית.
ss = "jove_content"> התוצאה המדויקת של המקדים יהיה תלוי כל הפרמטרים הנ"ל וניתן המותאם לצרכיו וריבית של אנשים לנהל את המחקר. יישומים אפשריים כוללים את הבידוד של ליגנין Ionosolv עם מאפיינים שונים, למשל, לייצור שרפה או כימיקלים ארומטיים, או לייצור תאי או חומרים שמקורם סוכר וכימיקלים. הפרוטוקול יכול לשמש כבסיס להמציא פרוטוקולים ישתנו, כלומר, באמצעות כורים גדולים עוררו או כורי זרימה רציפים. תוצאות של מחקרים ניסיוניים כגון תאפשר ניתוח טכנו-כלכלי של תהליך חלוקה מבוסס נוזלים יוניים זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים אין לי מה לחשוף.
Acknowledgments
המחברים מודים המכון גרנתאם לשינויי האקלים ואיכות הסביבה, אקלים-KIC ו EPSRC (EP / K038648 / 1 ו- EP / K014676 / 1) למימון ופייר בובייה למתן נתוני הניסוי עבור pretreatments אורן.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| IL synthesis | |||
| Round bottom flask, with standard ground joint 24/29 NS, 1,000 ml | Lenz | 3 0024 70 | VWR product code 271-1309 |
| 250 ml Addition Funnel, Graduated, 29/26 Joint Size, 0-4 mm PTFE Valve | GPE | CG-1714-16 | |
| Dish-shaped dewar flask, SCH 31 CAL | KGW-Isotherm | 1197 | |
| Volumetric flask, 200 ml | VWR | 612-3745 | |
| Cork rings, pasteur pipettes and teet, wash bottle with deionised water, large magentic stir bar | |||
| Biomass size reduction | |||
| Heavy Duty Cutting Mill SM2000 | Retsch | Discontinued | Replaced with Cutting Mill SM 200 (20.728.0001) |
| Bottom sieves (10 mesh square holes, for particle size <2 mm) | Retsch | 03.647.0318 | Part of cutting mill |
| Analytical Sieve Shaker AS 200 | Retsch | 30.018.0001 | Part of sieving machine |
| Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (180 µm) | Retsch | 60.131.000180 | Part of sieving machine |
| Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (850 µm) | Retsch | 60.131.000850 | Part of sieving machine |
| Collecting pan, stainless steel, 200 mm Ø, height 50 mm | Retsch | 69.720.0050 | Part of sieving machine |
| Rotary evaporator | |||
| Rotary evaporator (Rotavapor R-210) | Buchi | Discontinued | Replaced with Rotavapor R-300 |
| Water bath (Heating bath B-491) | Buchi | 48201 | Part of rotary evaporator |
| Recirculator | Julabo | F25 | Part of rotary evaporator |
| Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of rotary evaporator |
| Vacuum controller (Vacuum Control Box VCB 521) | Ilmvac GmbH | 600053 | Part of rotary evaporator |
| Parallel evaporator | |||
| StarFish Base Plate 135 mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of parallel evaporator |
| Monoblock for 5 x 250 ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of parallel evaporator |
| Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of parallel evaporator |
| Gas/Vacuum Manifold with connectors | Radleys | RR95510 | Part of parallel evaporator |
| 650 mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of parallel evaporator |
| Quick Release Male, R/A Barbed 6.4 mm + Shut-off (3.2 mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of parallel evaporator |
| Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor |
| Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor |
| Elliptical Stirring Bar 15 mm Rare Earth | Radleys | RR98097 | Part of parallel evaporator |
| Vacuum cold trap, plastic coated, PTFE stopcock | Chemglass | CG-4519-01 | Part of parallel evaporator |
| Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of parallel evaporator |
| Tygon tubing E-3603, 6.40 mm (internal) 12.80 mm (external) | Saint-Gobain/VWR | 228-1292 | Part of parallel evaporator |
| Parallel Soxhlet extractor | |||
| StarFish Base Plate 135 mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of soxhlet extractor |
| Monoblock for 5 x 250 ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of soxhlet extractor |
| Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of soxhlet extractor |
| Telescopic 5-way Clamp with Silicone Strap and Long Handle | Radleys | RR95410 | Part of soxhlet extractor |
| Water Manifold with connectors | Radleys | RR95500 | Part of soxhlet extractor |
| 650 mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of soxhlet extractor |
| Quick Release Male, R/A Barbed 6.4 mm + Shut-off (3.2 mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of soxhlet extractor |
| Coil condensers with standard ground joints 29/32 NS | Lenz | 5.2503.04 | Part of soxhlet extractor |
| Extractor Soxhlet 40 ml borosilicate glass 29/32 socket 24/29 cone | Quickfit | EX5/43 | Part of soxhlet extractor |
| Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor |
| Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor |
| Recirculator | Grant | LTC1 | Part of soxhlet extractor |
| Cellulose extraction thimble | Whatman | 2280-228 | |
| Tweezers | Excelta | 20A-S-SE | |
| Vacuum drying oven | |||
| Vacuum drying oven | Binder | VD 23 | Part of vacuum oven |
| Dewar vessel 2 L 100 x 290 mm with handle | KGW-Isotherm | 10613 | Part of vacuum oven |
| Vacuum Trap | GPE | CG-4532-01 | Part of vacuum oven |
| Other equipment | |||
| Analytical balance | A&D | GH-252 | accuracy to ± 0.1 mg |
| Volumetric Karl Fischer titrator | Mettler Toledo | V20 | |
| 10 ml disposable pipette | Corning Inc | Costar 4101 10 mL Stripette | |
| Eppendorf Research plus pipette, variable volume, volume 100-1,000 μl | Eppendorf | 3120000062 | |
| Desiccator | Jencons | JENC250-028BOM | |
| Ace pressure tube bushing type, Front seal, volume 15 ml | Ace Glass | 8648-04 | |
| Ace O-rings, silicone, 2.6 mm, I.D. 9.2 mm | Ace Glass | 7855216 | O-ring for pressure tube |
| Vortex shaker | VWR International | 444-1378 (UK) | |
| Fan-assisted convection oven | ThermoScientific | HeraTherm OMH60 | |
| Oven glove (Crusader Flex) | Ansel Edmont | 42-325 | |
| 250 ml Round bottom flask single neck ground joint 24/29 (Pyrex) | Quickfit | FR250/3S | |
| Rotaflo stopcock adapter with cone 24/29 | Rotaflo England | MF11/2/SC | |
| 50 ml Falcon tube | Heraeus/Kendro | HERA 76002844 | |
| Centrifuge (Mega Star 3.0) | VWR | 521-1751 | |
| Reagents | |||
| Ethanol absolute | VWR | 20820.464 | |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | T0886 | |
| Sulfuric acid 5 mol/L (10 N) AVS TITRINORM volumetric solution Safe-break bottle 2.5 L | VWR | 191665V | |
| Purified water (15 MΩ ressitance) | Elga | CENTRA R200 | |
| Lignocellulosic biomass | |||
| Miscanthus X gigantheus | |||
| Pinus sylvestris | |||
References
- Lewis, N. S., Nocera, D. G. Powering the planet: chemical challenges in solar energy utilization. Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 103 (43), 15729-15735 (2006).
- Dincer, I. Renewable energy and sustainable development: a crucial review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 4 (2), 157-175 (2000).
- Zweibel, K., Mason, J., Fthenakis, V.
- Lee, J. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. J. Biotechnol. 56 (1), 1-24 (1997).
- Carrott, P., Ribeiro Carrott, M. Lignin-from natural adsorbent to activated carbon: A review. Bioresour.Technol. 98 (12), 2301-2312 (2007).
- Cardona Alzate, C., Sánchez Toro, O. Energy consumption analysis of integrated flowsheets for production of fuel ethanol from lignocellulosic biomass. Energy. 31 (13), 2447-2459 (2006).
- Field, C. B., Campbell, J. E., Lobell, D. B. Biomass energy: the scale of the potential resource. Trends Biochem Sci. 23 (2), 65-72 (2008).
- Hoogwijk, M., et al. Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy. Biomass Bioenergy. 25 (2), 119-133 (2003).
- Goldemberg, J. Ethanol for a sustainable energy future. Science. 315 (5813), 808-810 (2007).
- Himmel, M. E., et al. Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production. Science. 315 (5813), 804-807 (2007).
- Mosier, N., et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresour.Technol. 96 (6), 673-686 (2005).
- Kumar, P., Barrett, D. M., Delwiche, M. J., Stroeve, P. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production. Ind Eng Chem Res. 48 (8), 3713-3729 (2009).
- Hu, F., Ragauskas, A. Suppression of pseudo-lignin formation under dilute acid pretreatment conditions. RSC Advances. 4 (9), 4317-4323 (2014).
- Chakar, F. S., Ragauskas, A. J. Review of current and future softwood kraft lignin process chemistry. Ind Crop Prod. 20 (2), 131-141 (2004).
- Mutjé, P., Pelach, M., Vilaseca, F., García, J., Jiménez, L. A comparative study of the effect of refining on organosolv pulp from olive trimmings and kraft pulp from eucalyptus wood. Bioresour.Technol. 96 (10), 1125-1129 (2005).
- Zhao, X., Cheng, K., Liu, D. Organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic hydrolysis. Appl. Microbiol. Biotechnol. 82 (5), 815-827 (2009).
- Brandt, A., Gräsvik, J., Hallett, J. P., Welton, T. Deconstruction of lignocellulosic biomass with ionic liquids. Green Chem. 15, 550 (2012).
- Chen, L., et al. Inexpensive ionic liquids:[HSO 4]−-based solvent production at bulk scale). Green Chem. 16 (6), 3098-3106 (2014).
- Brandt, A., Chen, L., van Dongen, B. E., Welton, T., Hallett, J. P. Structural changes in lignins isolated using an acidic ionic liquid water mixture. Green Chem. 17, 5019-5034 (2015).
- Sluiter, A., et al. NREL/TP-510-42621. Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples. , (2008).
- Sluiter, A., et al. NREL/ TP - 510 - 42618Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. , (2011).
- Resch, M. G., Baker,, Decker, S. R. NREL/TP-5100-63351. Low Solids Enzymatic Saccharificatin of Lignocellulosic Biomass. , (2015).
- Brandt, A., Ray, M. J., To, T. Q., Leak, D. J., Murphy, R. J., Welton, T. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
- Aver, K., Scortegagna, A., Fontana, R., Camassola, M. Saccharification of ionic-liquid-pretreated sugar cane bagasse using Penicillium echinulatum enzymes. J Taiwan Inst Chem Eng. 45 (5), 2060-2067 (2014).
- George, A., et al. Design of low-cost ionic liquids for lignocellulosic biomass pretreatment. Green Chem. 17 (3), 1728 (2015).
- Verdía, P., Brandt, A., Hallett, J. P., Ray, M. J., Welton, T. Fractionation of lignocellulosic biomass with the ionic liquid 1-butylimidazolium hydrogen sulfate. Green Chem. 16 (3), 1617-1627 (2014).
- Brandt, A., et al. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
