Summary
암모니아 섬유 확장(AFEX)은 리그노셀룰로오스 바이오매스(예: 옥수수 스토버, 쌀 빨대 및 사탕수수 바가세)를 바이오 연료 및 동물 사료 응용 분야에서 소화가 좋은 공급 원료로 전환할 수 있는 열화학 전처리 기술입니다. 여기에서는 리그노셀룰로오스 바이오매스에서 AFEX 전처리를 수행하기 위한 실험실 규모의 방법을 설명합니다.
Abstract
리그노셀룰로오스 재료는 작물 잔류물(예: 옥수수 스탑, 쌀 빨대 및 사탕수수 바가세) 및 바이오 연료, 생화학 및 동물 사료를 대량으로 생산하기 위해 대량으로 사용할 수 있는 목적 재배 에너지 작물(예: 오칸투스 및 스위치그래스)과 같은 식물 유래 공급원료입니다. 세포벽 내에 내장된 식물 다당류(즉, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 펙틴)는 유용한 제품으로의 전환에 매우 반발적입니다. 암모니아 섬유 확장 (AFEX)은 발효 설탕으로 가수 분해효소에 대한 다당류의 접근성을 증가시키는 열화학 전처리입니다. 방출된 설탕은 바이오 정제소에서 연료 및 화학 물질로 변환될 수 있습니다. 여기서, 우리는 암모니아 재활용없이 그람 규모로 전처리 된 바이오 매스를 생산하는 실험실 규모의 배치 AFEX 공정을 설명합니다. 실험실 규모의 공정은 최적의 전처리 조건(예: 암모니아 로딩, 물 로딩, 바이오매스 로딩, 온도, 압력, 체류 시간 등)을 식별하는 데 사용할 수 있으며, 상세한 물리 화학적 특성 분석 및 효소/미생물 분석을 위해 충분한 양의 전처리 샘플을 생성합니다. 실험실 규모의 AFEX 공정을 사용하여 전처리된 옥수수 스타버의 효소 가수분해에서 발효 가능한 설탕의 수율은 유사한 전처리 조건하에서 파일럿 규모의 AFEX 공정과 비교할 수 있습니다. 이 백서는 리그노셀룰로오스 바이오매스의 AFEX 전처리를 수행하기 위한 실험실 규모의 반응기의 안전하고 일관된 작동을 위한 상세한 표준 작동 절차를 제공하기 위한 것입니다.
Introduction
암모니아 섬유 확장(AFEX)은 휘발성 암모니아를 셀룰로오스 바이오매스 전처리의 주요 반응제로 사용하는 열화학 전처리입니다. 이 과정은 원래 브루스 데일 (Bruce Dale)에 의해 발명되어 리그노셀룰로오스 바이오매스의 재발을 비용 효율적으로 줄이고 생물학적촉매 전처리 된 바이오 매스 분해를 발효 성 당1,,2로향상시킵니다. 대부분의 다른 수성 기반 열화학 전처리3과달리 AFEX는 바이오매스 조성에 큰 변화를 일으키지 않으며 관련 폐기물 발생 및 비용과 함께 세척 단계가 필요하지 않은 건식-투-건식 공정입니다. 과잉 휘발성 암모니아의 회수는 파일럿 규모에서 입증되어 폐기물 발생 및 처리 비용을 감소시입니다. MBI(그림1)가개발한 파일럿 스케일 포장 베드 AFEX 반응기 시스템은 증기 스트리핑을 사용하여 잔류 암모니아를 회수하고 뜨겁고 농축된 암모니아를 새로운 포장 된 침대4,,5로이송합니다. AFEX 전처리 후, 바이오매스내로 통합된 소량의 질소는 반추동물 및 미생물에 의해 비단백질 질소로서 사용할 수 있다. 또한, 다양한 물리화학적 메커니즘을 통해 바이오매스 초구조를 변경함으로써,,11,6,8,7,,8,AFEX는 바이오매스의 접근성을 탄수화물 활성 효소(CAZymes)로 증가시키고 다당류 가수분해 속도를8배,9배증가시켜 셀룰로액 미생물체4,10, 10을통해 반추동물에 의한 소화율을 증가시킨다.12 농부들은 낮은 무수 암모니아 하중 (&4% 건조 바이오매스의 기준을 기초로)과 주변 압력 및 온도10,,11의존재 하에 플라스틱 방수로 며칠 또는 몇 주 동안 바이오 매스를 배양하여 반추 동물 포란의 소화성을 높이기 위해이 방법의 간단한 버전을 사용했습니다.
무수 암모니아는 1950 년대에 나무를 속이는 잠재력과 1970 년대 초에 펄프 화학 물질로13, 14,,15,,15,16,,17, 18에대한 첫 번째 조사되었다.17, 1980년대 초, 임계 이하의 조건하에서 가압, 고온, 농축 암모니아(>30% NH4OH)가 먼저 데일 실험실에서 리그노셀룰로오스 바이오매스19의효소 소화및 미생물 발효성을 향상시키는 데 사용되었다. 이 과정은 암모니아 동결 폭발로 시작하여 암모니아 섬유 폭발, 마지막으로 암모니아 섬유 확장 또는 단순히 AFEX로 시작하여 수년에 걸쳐 여러 가지 이름 변경을 거쳤습니다. 이 같은 시기 (1980 년대 중반) 주위에, 듀폰 (지금 다우 듀폰) 또한 바이오 매스20,,21,22의소화성을 높이기 위해 초임계 및 거의 중요한 무수 암모니아 기반의 전처리 프로세스를 사용하여 탐구했다., 최근 수십 년 동안, 암모니아 재활용/퍼콜레이션23(ARP), 수성 암모니아(SAA) 또는 암모니아 재활용 이없는 다우-듀폰 공정을 포함한 전처리 시약으로 희석 된 수성 암모니아 용액을 사용하는 것에 대한 강조가 증가하고 있다24. 몇 가지 추가 방법은 무수 암모니아 (저수 수분 무수 암모니아 (LMAA) 및 저액체 암모니아 전처리25 (LAA)의 사용을 보았다. 최근 몇 년 동안, 액체 무수 암모니아26,,27 및 암모니아 염 기반용액(28)을 고체 하중으로 활용하는 두 가지 새로운 첨단 유기성 전처리 기술이 개발되어 초저효소 로딩에서 전처리된 셀룰로오스 바이오매스의 선택적 리그닌 분획 및 고효율 효소 가수 분해를 가능하게 했습니다. 최근 리뷰 기사는 암모니아 기반 전처리의 다양한 형태 사이의 유사점과 뚜렷한 차이점을 강조했다29. 그러나 최근4일까지는암모니아 기반 전처리 공정(AFEX 등)의 파일럿 스케일 데모가 없었으며, 이 과정에서 사용된 농축 암모니아의 폐쇄 루프 화학 적 재활용과 효율적으로 결합되었습니다.
이 논문에서는 전처리 된 바이오 매스의 그램 스케일 (예를 들어, 1 ~ 여러 100 g)을 생산하기 위해 실험실 규모에서 셀룰로오스 바이오 매스를 전처리하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 AFEX 프로토콜을 자세히 설명합니다. 일반적으로 바이오매스는 물(0.1-2.0 g H2O/g 드라이 바이오매스)과 혼합되어 맞춤형 스테인리스 스틸 관형 또는 Parr 형 반응기로 적재됩니다. 무수 암모니아는 반응기 (0.3-2.0 g NH3/g 건조 바이오매스)를 첨가하고 혼합물을 원하는 반응 온도 (60-180 °C)로 가열합니다. 1980년대부터 1990년대까지의 AFEX 공정에 대한 초기 간행물은 온도 램프 직후에 전처리 체류 시간(예: 5-60분)을 시작했습니다. 그러나, 반응이 반응체에 추가되는 즉시 암모니아가 반응기상, 현재 의 AFEX 절차는 반응기상 암모니아 첨가 직후의 체류 시간을 모니터링하기 시작한다. 90°C 이상의 온도의 경우, 초기 온도 램핑을 최소 기간(즉, lt;5분)으로 유지하기 위해 암모니아를 적재하기 전에 바이오매스를 예열해야 하는 경우가 많습니다. 체류 시간이 끝나면 밸브가 열리면 압력이 빠르게 방출되고 가스 상 내용이 적절한 화학 연기 후드로 방출됩니다. 암모니아를 액체에서 기체 상으로 빠르게 변환하면 반응기가 냉각됩니다. 소형 반응기(<100 mL 반응기 부피)는 종종 연기 후드에서 즉시 하역될 수 있으며, 대형 반응기(>100mL 반응기 부피)는 냉각하는 데 추가 시간이 필요할 수 있습니다. 사용자 안전을 위해 더 큰 규모(반응기 실행당 암모니아 100g)에서 질소로 정화하는 것은 선박에서 가능한 한 많은 잔류 암모니아를 제거하고 하역 전에 반응기 내용물 냉각을 지원하는 것이 좋습니다. 일반적으로 암모니아를 재활용 및/또는 복구하기 위해 실험실 규모에서 시도하지 않습니다. AFEX 전처리 공정을 확장하기 위한 주요 설계 과제 중 하나는 최소한의 자본 및 운영 비용으로 암모니아를 재활용하는 것입니다. 또한, 바이오매스에 액체 암모니아를 추가하면 일반적으로 바이오매스를 냉각시키는 액체의 부분 깜박임이 유발되어 AFEX 처리가 시작되기 전에 바이오매스 암모니아 혼합물의 가열이 필요합니다. 암모니아를 액체로 추가하는 대신, 암모니아 증기를 바이오매스에 추가하는 것은 두 가지 이점을 제공합니다: 첫째, 벌크 바이오매스의 높은 다공성은 암모니아 증기를 빠르게 수송할 수 있게 해주며, 그 결과 바이오매스 전체에 암모니아 분포가 균등하게 분배됩니다. 둘째, 암모니아 증기는 습한 바이오매스로 둘러싸인 물에 쉽게 방외적으로 용해되어 바이오매스를 신속하고 균일하게 가열하는 열 생성을 초래합니다. 이러한 장점을 활용하기 위해 MSU 데일 연구소와 MBI는 암모니아 증기를 이용한 AFEX 치료 방법을 개발했습니다. 데일 연구소는 기체 암모니아 전처리(GAP)공정(GAP) 공정(30)을개발했으며, MBI는 파일럿 규모로 입증된 포장베드 AFEX 반응기 공정(그림1)4를개발하였다.Figure 1 포장 된 침대 AFEX 반응기 시스템은 증기 제거 방법4,,5를사용하여 암모니아의 완전한 재활용과 반 배치 모드 작동이 가능합니다. 이 새로운 MBI 파일럿 스케일 공정은 암모니아의 화학적, 물리적 특성을 이윤을 이리저리 활용하여 암모니아를 효율적으로 재활용하면서 바이오매스를 효율적으로 처리합니다.
여기에서는 맞춤형 200 mL 부피 관형 반응기를 사용하여 실험실 규모에서 옥수수 스태버의 AFEX 전처리를 수행하기 위한 자세한 개요를 제시합니다(그림2). AFEX 전처리 된 샘플은 전처리 과정의 효능을 입증하기 위해 시판되는 셀룰로 틱 효소 칵테일을 사용하여 발효 성 당으로 소화되었습니다. 실험실 규모의 AFEX 반응기의 효소 가수 분해 결과는 더 큰 파일럿 스케일 AFEX 반응기 생성 샘플과 비교하였다. 우리의 목표는 옥수수 스태버와 같은 셀룰로오스 바이오매스에서 AFEX 전처리를 수행하기 위한 실험실 규모의 가압 반응기의 안전하고 일관된 작동을 위한 표준 작동 절차를 제공하는 것입니다. 이 실험실 규모의 AFEX 전처리 프로세스(예: 파일럿 스케일 포장 베드 AFEX 프로세스)의 변형에 대한 추가 지원 정보는 첨부된 추가 pdf 파일에서 더욱 강조표시됩니다. 포장된 침대 AFEX 프로세스 운영 단계에 대한 자세한 보고서는 별도의 발행물에서 강조 표시되며 MBI-MSU의 요청에 따라 사용할 수 있습니다.
Protocol
1. 바이오매스 수분 함량 조절
- 맞춤형 관형 AFEX 반응기를 사용하여 벤치 또는 실험실 규모의 AFEX 전처리를 수행하는 데 필요한 모든 주요 장비 및 재료를 요약한 재료 표를 참조하십시오(그림2).
- 수분 분석기를 사용하여 바이오매스의 총 수분 함량을 결정하거나 8시간 동안 105°C로 설정된 오븐을 확인합니다. 오븐 방법의 경우, 건조하기 전에 물 흡착을 방지하기 위해 냉각 내열 건조기로 샘플을 전송합니다. 중복 또는 세 배로 프로세스를 수행하고 평균 수분 함량을 계산합니다.
- 반응기에서 주어진 건식 바이오매스 로딩(여기서는 25g을 보유)의 경우 1.2단계에서 결정된 수분 함량을 사용하여 적재해야 하는 습식 바이오매스의 양을 계산합니다.
[1]
여기서 m습식 = 바이오매스의 총 질량(습식 중량 기준); m건조 = 건조 중량 기준으로 바이오매스의 질량; MCTWB = 총 중량 기준으로 바이오매스 수분 함량 - 플라스틱 용기에 이 양의 바이오매스(m젖은)를계량하십시오.
- 원하는 수분 함량을 얻기 위해 젖은 바이오매스와 혼합해야 하는 물의 양을 계산합니다. 옥수수 스토버의 경우, 이것은 일반적으로 건조 바이오 매스의 g 당 H2O의 0.6 g입니다.
[2]
여기서m물 = 반응기(바이오매스 내의 물 이외에)에 첨가된 물의 질량); x물 = AFEX 물 하중 (g:g 드라이 바이오매스) - 스프레이 병을 사용하여, 천천히 물 (m물)의양을 이전에 무게를 달아 있던 바이오 매스에 추가하고 손으로 잘 섞는다.
[1]
[2]2. 반응기를 적재하고 조립하십시오.
- 반응기 튜브의 바닥에 캡과 테플론 개스킷을 배치하여 반응기 본체를 조립합니다. 클램프를 제자리에 고정하고 두 너트를 라셰를 사용하여 균일하게 조입니다.
- 습식 바이오매스를 조립된 반응기 베이스로 옮기고 유리 울 플러그를 바이오매스 상단에 놓습니다.
- 반응기 의 상단에 테플론 개스킷을 놓습니다. 이 지역에 는 효과적인 밀봉을 방지할 수 있는 바이오매스와 유리 울이 없는지 확인하고 반응기 헤드를 위에 놓고 유리 울과 바이오매스를 통해 열전대를 기동합니다.
- 양쪽에 래칫을 사용하여 클램프를 반응기 의 상단에 볼트.
- 반응기 (m반응기)를계량하고 무게를 기록합니다.
3. 반응기 시스템을 설정하고 암모니아 전달 실린더를 채웁니다.
- 모든 장비가 연결되어 있고 작동 가능한지 확인합니다(온도 컨트롤러, 온도 모니터, 주사기 펌프, 타이머).
- 각 반응기 및 샘플이 실행될 수 있도록 타이머를 원하는 체류 시간으로 설정합니다.
- 프로그래밍 가능한 주사기 펌프를 사용하는 경우 주사기 펌프에 암모니아 전달 방법을 설정합니다.
1단계: 출금.
2단계: 밸브를 열고 닫을 수 있도록 15초 동안 기다립니다.
3 단계 : 주입 (반응기로 암모니아를 전송하기 위해).- 쉽게 재사용할 수 있도록 AFEX 방법으로 저장합니다.
- 소형 암모니아 실린더의 모든 밸브가 닫혀 있는지 확인합니다.
- 실린더가 이전에 사용되어 잔류 암모니아/질소가 포함되어 있는 경우, 작은 암모니아 실린더 상단에 천천히 열린 밸브 A를 열어 질소를 흘리고 액체 암모니아가 스퍼터링되기 시작하면 밸브를 닫습니다.
- 작은 암모니아 실린더를 채우려면 대형 무수 암모니아 실린더와 암모니아 라인의 모든 밸브를 엽니다. 압력이 안정될 때까지 작은 암모니아 실린더 상단 근처에서 천천히 밸브(B)를 엽니다. 다음 단계로 계속하기 전에 5 분 동안 기다립니다. 약 120mL의 암모니아는 이 시간 동안 주 실린더에서 이송 실린더로 충전됩니다.
- 암모니아 탱크와 소형 암모니아 실린더 사이의 모든 밸브를 왼쪽에서 오른쪽으로 닫고 작은 실린더(밸브 B)에서 시작하여 탱크 상단의 메인 밸브에서 마무리합니다.
- 질소 조절기를 350 psi로 설정합니다. 질소 실린더의 밸브와 부착된 레귤레이터의 밸브를 엽니다. 작은 암모니아 실린더의 밸브 C를 열어 질소를 천천히 추가하여 시스템을 과도하게 압박합니다. 레귤레이터의 설정점을 조정하여 필요에 따라 소형 실린더의 압력을 350psi로 조정합니다. 암모니아를 분배하는 동안 질소 라인을 열어 두십시오.
4. 반응기 예열 (반응 온도 >100 °C)
- 온도 모니터를 열전대와 가열 테이프에 연결하여 온도 컨트롤러에 연결합니다.
- 온도 조절기를 수동으로 조정하여 반응기를 최대 60°C까지 가져옵니다.
5. 암모니아로 반응기를적재
- 아직 켜지지 않은 경우 주사기 펌프를 켭니다.
- 원하는 암모니아 하중(g:g 건식 바이오매스)과 이전에 결정된 암모니아 교정을 기준으로 필요한 암모니아의 부피를 계산합니다.
[3]
참고: 암모니아 펌프는 부피 기준으로 하중되기 때문에 처음 사용할 때 는 필요한 질량에서 부피로 변환하도록 보정합니다. AFEX에 사용되는 것과 동일한 절차를 따르지만 암모니아를 적재하고 반응기를 칭량한 직후에 런(반응기 환기)을 종료합니다. 반응기를 하역하는 것과 동일한 절차를 따르십시오. - 올바른 암모니아 양을 로드하는 방법을 설정합니다.
- 섹션 3.3에서 AFEX 방법을 선택합니다.
- 프레스 스텝 정의 | 단계: 1 | 대상 볼륨 또는 시간 설정.
- 숫자 패드를 사용하여 mL에 필요한 볼륨의 키를 누르고 녹색 체크표시를 누릅니다.
- 85mL 이상이 필요한 경우 스프레드시트에 지정된 양의 절반으로 대상 볼륨을 입력하고 동일한 주사기 볼륨을 사용하여 반응기를 두 번 채웁니다.
- "단계: 3"에 대해 5.3.2에서 5.3.4단계를 반복합니다.
- 뒤로 버튼을 누릅니다.
- 작은 암모니아 실린더 바닥에 있는 밸브(D)를 배기 쪽으로 향한 다음 잔류 암모니아가 빠져나면 닫힙니다.
- 주사기 펌프의 끝에 있는 밸브(E)를 연기 후드의 앞쪽으로 향한 다음, 밸브(F)를 열어 잔류 암모니아를 방출합니다. 닫기 밸브 (E) 및 (F).
- 온도 모니터와 온도 컨트롤러에서 반응기를 분리합니다. 반응기를 빠른 연결에 연결합니다.
- 작은 암모니아 실린더를 향한 오픈 밸브(D)와 작은 암모니아 실린더를 향한 개방 밸브(E)를 향합니다.
- 펌프의 녹색 화살표를 눌러 시퀀스를 시작하고 주사기에 암모니아를 그립니다.
- 대기 기간 동안 주사기가 자동으로 중지되면 주사기 밸브(E)를 반응기 쪽으로 돌리고 반응기 입구 밸브를 빠르게 연결 스템을 가리키도록 합니다.
지연 후 주사기가 주입되어 설정점에서 자동으로 중지됩니다. - 85mL 이상의 암모니아가 필요한 경우 5.7~5.9단계를 반복합니다.
- 반응기 밸브와 밸브 (D)를 닫습니다. 오픈 밸브(F)는 주사기로부터 잔류 암모니아를 방출한 다음 밸브(F)와 닫는 밸브(E)를 닫습니다.
- 배기 쪽으로 밸브(D)를 열고 잔류 암모니아가 남아 있으면 닫힙니다.
- 극저온 장갑을 착용하고 빠른 연결에서 반응기를 제거하십시오. 잠재적인 암모니아 스프레이에 주의하십시오. 필요한 경우 코끼리 트렁크 통풍선을 사용하여 방출된 암모니아를 배출하십시오.
- 적절한 반응기의 타이머를 시작합니다.
- 반응기 유닛의 무게를 측정하여 스프레드시트 계산에 따라 암모니아의 적절한 중량이 추가되었는지 확인합니다.
[3]6. 가열을 시작하고 반응을 모니터링
- 온도 모니터를 열전대와 가열 테이프에 연결하여 온도 컨트롤러에 연결합니다.
- 암모니아 첨가(체류 시간의 시작)에 따라 반응기의 초기 온도와 압력을 기록합니다.
- 반응기를 설정된 온도까지 끌어오도록 온도 컨트롤러를 수동으로 조정합니다. 목표는 <5 분에 설정 지점에 도달하는 것입니다.
- 체류 시간이 끝날 때까지 3 분마다 반응기의 압력과 온도를 기록하십시오.
- 체류 시간이 끝나면 온도 컨트롤러 및 열전대에서 반응기를 분리하고 스탠드에서 반응기를 제거하고 연기 후드 내부의 볼 릴리스 밸브를 천천히 엽니다.
참고: 이 단계에서는 항상 얼굴 보호막을 착용하십시오.
7. 시스템 종료
- 반응기가 몇 분 동안 식도록 한 후 래칫 렌치를 사용하여 반응기의 클램프를 엽니다.
- 연기 후드 내부의 반응기에서 바이오 매스와 유리 울을 언로드합니다. 잔류 암모니아가 증발함에 따라 바이오매스의 공기 오염을 방지하기 위해 통풍이 잘되는 공간 내부의 밀폐된 건조 상자 내부에서 건조하는 것이 가장 좋습니다.
- 물이 맑아질 때까지 증류수로 반응기를 청소하고 원자로가 건조될 때까지 청소하십시오.
- 여전히 열려 있으면 모든 밸브를 닫고 암모니아 실린더에 연결하십시오.
- 질소 라인의 모든 밸브를 닫습니다.
- 온도 컨트롤러, 온도 모니터, 균형, 주사기 펌프 및 타이머를 끕니다.
주의 : 더 많은 반응을 실행할 계획이라면, 작은 암모니아 실린더를 배출 할 필요가 없습니다. 그러나 더 많은 실험을 실행할 계획이 없다면 안전을 위해 실험이 끝날 때 작은 실린더를 후드에 배출하는 것이 가장 좋습니다. 이렇게 할 때 암모니아의 방출로 인해 일부 라인을 차단할 수 있는 얼음 형성을 유발할 수 있으므로 밸브를 열어 두는 것이 중요합니다. 라인이 해동되면 추가 암모니아가 방출될 수 있습니다. 항상 시스템이 환기할 수 있도록 하면서 환기 기능이 있는지 확인하십시오. 암모니아 처리된 모든 바이오매스는 사용하려는 의도가 아니더라도 잔류 암모니아가 증발할 수 있도록 밤새 연기 후드에서 건조되어야 합니다. 즉시 쓰레기에 폐기할 수 없습니다.
Representative Results
AFEX 전처리 에 이어, 바이오매스는 색상이 어둡지만, 그렇지 않으면 시각적으로 변하지않았다(그림 3). AFEX 프로세스는 이 프로토콜에 설명된 것 외에 다양한 스케일에서 고분해성 물질을 생성합니다. 여기에서, 우리는 우리의 작은 200 mL, 포장 된 침대, 벤치 스케일 시스템에서 동일한 옥수수 스태버 샘플을 전처리; 더 큰 5 갤런, 교반 파 반응기; 그리고 MBI의 파일럿 원자로. 2개의 더 작은 반응기(즉, 200 mL 및 5 갤런 척도)에 사용되는 조건은 1.0 g NH3:g건조 바이오매스, 0.6 g H2O:g 건조 바이오매스, 100±5°C에서 30분 동안이었다. 파일럿 스케일 AFEX4는 0.6 g NH3:g건조 바이오매스, 0.6 g H2O:g 드라이 바이오매스, 100±5°C에서 30분 동안 동일한 물질상에서 수행하였다. 더 큰 규모로 AFEX 전처리를 수행하는 데 사용되는 프로토콜에 대한 자세한 내용은 지원 정보에 제공됩니다(보충 파일 1참조). 다음과 같은 '품질 관리 기준'은 AFEX 전처리대상 온도에 따라 설정되었습니다. 설정점에 도달한 후, 반응기 온도가 설정점에서 ±10°C 를 벗어나면 실험을 중단해야 한다. 암모니아 펌핑 후 5분 이내에 목표 온도(5°C 이내)에 도달하지 못하면 실험을 중단합니다. 또한, AFEX 공정에 대한 전처리 효능은 용이한 다당류를 발효 성 당으로 가수분해하기 위해 셀룰로 분해 효소 칵테일을 사용하여 테스트 할 수 있습니다. 샘플을 6% 글루칸 로딩, pH 5.0, 50°C 및 250 rpm에서 72시간 동안 효소분해하여 교반 인큐베이터에서 하였다. 60% 셀룰라아제(CTec3):40% 헤미셀룰라아제(HTec3 또는 NS22246)로 구성된 효소의 상업적 칵테일을 15 mg 효소/g 글루칸에 적재된 고정 총 단백질 로딩 기준으로 모든 당화 분석에 사용하였다. 결과(도 4)AFEX 전처리가 모든 경우에 발효 성 당의 수율을 현저하게 증가시킨다는 것을 입증한다. 또한 실험실 규모의 AFEX 공정을 사용하여 전처리된 바이오매스용 셀룰로오스/자일란 가수분해 수율은 더 큰 5갤런 Parr 반응기 및 MBI의 파일럿 스케일 포장 베드 AFEX 공정과 비교할 수 있습니다.
그림 1. 효율적인 암모니아 재활용과 완전히 통합된 리그노셀룰로오스 바이오매스를 전처리하기 위한 MBI의 AFEX 반응기의 파일럿 스케일 작동에 관련된 단계의 회로도 개요. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. A) 암모니아 전달 시스템 및 B) 비디오 프로토콜에 설명된 AFEX 공정을 수행하는 데 활용되는 소형 200 mL AFEX 전처리 반응기의 실험실 스케일의 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. AFEX 전처리 바이오매스는 염색되지 않은 바이오매스와 비교하여 매우 유사한 총 형태를 가지며, 색상이 약간 더 어둡습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 72h 효소 가수분해 후 얻어진 포도당 및 자일로스 수율은 6% 글루칸 로딩 AFEX 처리된 옥수수 스캐버를 도시한다. 모든 마찰화 검정은 여기서 보고된 평균값(m)과 중복하여 수행되었다. 표준 편차(1s)는 여기에서 오류 막대로 보고됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
추가 파일 1: 추가 프로토콜이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 표 1: 암모니아 전달 시스템 및 스트럿 프레임이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
AFEX 프로토콜은 셀룰로분해 효소 및/또는 미생물에 의한 전처리 물질의 소화성을 높이기 위해 고온에서 무수 암모니아및 물이 있는 상태에서 식물 물질을 처리하는 방법을 설명합니다. AFEX는 이러한물질에자연적으로 풍부한 에스테르 연계를 절단하는 과정의 효율성으로 인하여 그램노이드 모노코트 종(예를 들어, 옥수수 스태버, 스위치그래스, 미칸투스, 쌀 짚, 밀짚 및 사탕수수 바가세)에 매우 효과적이다. AFEX는 리그닌 기반 탄수화물 에스테 르 링키지의 작은 비율로 인해 디코트와 gymnosperms (나무, 침엽수 및 네이티브 포브)에서 파생 된 바이오 매스 (나무, 침엽수 및 기본 포브)에서 파생 된 바이오매스32,,33에 훨씬 덜 효과적입니다. 그러나, 이러한 연계가 식물 생명 공학을 사용하여 우디 세포벽으로 도입되면, AFEX 전처리 공정은 훨씬 더 효과적이다34.
에스테르 링키지의 분열은 특정 바이오매스 성분을 물질로부터 제거할 수 있지만, 외부 세포벽 표면상의 추출물로 재증착되어, 셀룰로오액 효소의 침투 및 작용을 용이하게 하는 나노스케일 홀의 형성을 초래한다6. AFEX 전처리 옥수수 스태버는 처리되지 않은 물질에 비해 높은 고체 조건 하에서 효소 가수 분해 다음 포도당 및 자일로스 방출 속도의 약 3 배 증가를 보였다. 암모니아 전처리는 또한 희석산전처리(35)에비해 더 적은 수의 억제 분해 생성물을 생산한다. AFEX와 희석산 처리 된 옥수수 스태버의 이전 비교는 희석 산 전처리가 316 % 더 많은 산, 142 % 더 많은 방향족, 및 3,555 % 더 많은35,37furan 알데히드를 생산하는 것으로 나타났습니다.36 AFEX는 건식 투 건식 공정이기 때문에 효소 가수 분해 중에 경제적으로 활용될 수 없는 희석 된 액체 스트림으로 설탕의 손실도 없습니다. 그러나, 이것은 포도당과 자일로오스 같이 혼합 발효성 설탕으로 효소 가수분해 도중 세포벽 다당류를 완전히 분해하기 위하여 셀룰로오스 분해 및 헤미셀룰로오스 분해 능력을 가진 효소로 합병증으로 이끌어 냅니다. 헤미셀룰로오스 올리고머는 셀룰라아제 활성38을억제하는 것으로 보고되었으며, 이는 높은 최종 설탕 수율을 유지하기 위해 더 높은 효소 로딩을 필요로 할 수 있다. 그러나, 적합한 효소 칵테일의 최적화는 AFEX 전처리 바이오매스39,40,,41,,42,,43,,44,,,45의당화 동안 전체 효소 사용량을 감소시킬 수 있다. AFEX 전처리 과정에서 에스테르 링키지의 가수분해 및 암모놀분해는 전처리된 바이오매스(예를 들어, 아세트산/아세타미드, 페룰산/페룰라미드, 쿠마릭산/쿠마릴아미드)에서 산 및36아미드 제품의 형성을 유도한다. 아미드의 형성은 발효 과정을 돕는 것으로 나타났지만, 전처리 된 사료 원료에서 매우 높은 농도에서 그들의 존재는 동물에게 전처리 된 바이오 마를 공급하는 경우 우려가 될 수 있습니다. AFEX 전처리 전에 NaOH 또는Ca(OH)2와 같은 알칼리와의 에스테르 연계의 전-가수분해는 문제를 해결하기 위해 사용될 수 있다.
AFEX 공정 중에 무수 암모니아로 작업할 때 염두에 두어야 할 안전 고려 사항이 많이 있습니다. 무수 암모니아는 구리, 황동, 알루미늄, 탄소 강 및 씰에 사용되는 일반적인 불소 성화수소 분자 (예 : Viton 등)와 반응합니다. 암모니아와 접촉할 수 있는 모든 튜브 또는 반응기 부품은 스테인리스 스틸로 만들어야 하며, 개스킷, 밸브 시트 및 퀵 커넥트 씰은 가능하면 테프론 또는 칼레즈로 만들어야 합니다. 암모니아는 독성 화학 물질로 간주되지 않지만 흡습성 및 극저온 특성으로 인해 여전히 위험합니다. 그것은 쉽게 표적으로 하고 가혹하게 눈과 호흡 계통에 있는 점막을 손상할 수 있습니다. 암모니아는 극저온 유체이며 암모니아 누출은 가스 흐름 또는 냉각 장비와의 직접적인 접촉으로 인해 심한 동상을 일으킬 수 있습니다. 암모니아는 300 ppm 이상의 농도에서 생명과 건강 (IDLH)에 즉시 위험합니다. 작업자는 농도가 50 ppm을 초과하는 경우 즉시 대피해야 합니다. 작업자는 주변의 위험 농도를 경고하기 위해 보정된 암모니아 모니터를 착용하는 것이 좋습니다. 주요 작업 영역에 알람이 있는 센서를 설치하는 것도 좋습니다. 암모니아를 다루는 근로자는 메틸아민 카트리지가 장착된 탈출 호흡기, 극저온 및 열 보호 장갑과 같은 보호 장비를 적절히 훈련하고 착용해야 하며 비상 사태에 대처할 준비를 해야 합니다. 무수 암모니아에 노출된 경우, 운전자는 안전으로 이동하여 해당 부위를 최소 15분 동안 물로 즉시 씻어야 합니다. 암모니아 전처리 공정은 연기 후드 내부에서 수행되어야 하며 암모니아 실린더는 연기 후드 또는 환기 캐비닛에 보관해야 합니다. 실험 후, 전처리 된 바이오 매스는 약간의 잔류 무료 암모니아를 가지며 후속 실험을 위해 실온에서 비닐 봉지에 보관하기 전에 밤새 후드 또는 맞춤형 환기 건조 상자에 건조해야합니다. 다른 주요 안전 고려 사항으로는 전처리 공정이 거치는 압력의 1.5배 이상을 처리하도록 설계된 반응기및 반응기로 암모니아를 정밀하게 전달하는 데 도움이 되는 유량계가 있는 암모니아 전달 시스템을 설치하는 것입니다(예: AFEX 공정을 2 x 106Pa 압력에서 처리하는 경우, 반응기의 최소 압력 등급은 3 x 106Pa여야 함).
AFEX 전처리는 동물 사료또는 연료 및 화학 물질을 생성하는 공급 원료로 직접 사용할 수있는 소화가 좋은 식물 바이오 매스를 생산하는 유망한 방법입니다. 이러한 두 산업 외에도 AFEX는 바이오 소재를 제조하기 위한 바이오 재생 원료 또는 바이오 가스 생산을 위한 공급 원료와 같은 다른 분야에서 사용할 수 있습니다. 실험실 규모의 공정은 적절한 환기 공간 및 안전 예방 조치가 장착된 실험실에서 수행될 수 있으며, 현재 의 작업으로 인해 축소된 AFEX 공정이 스케일업 및/또는 파일럿 AFEX 반응기에서 생성된 재료와 유사한 결과를 나타낸다는 것을 확인할 수 있습니다. 실험실 규모의 AFEX 프로세스는 공급 원료, 처리 조건 및 응용 프로그램을 더 높은 처리량 방식으로 테스트하는 데 사용할 수 있으며 파일럿 또는 산업용 스케일에서 프로세스가 어떻게 수행될지에 대한 합리적인 기대치를 제공할 수 있습니다.
Disclosures
여러 저자 (즉 Shishir P S 춘다와트, 팀 캠벨, 파르자네 Teymouri, 레오나르도 소사, 브루스 E 데일, 벤카테시 발란)는 MSU / MBI에서 암모니아 전처리 및 원자로 설계에 출원 된 여러 특허에 대한 발명가 / 공동 발명가입니다.
Acknowledgments
이 물질은 그레이트 레이크 바이오 에너지 연구 센터, 미국 에너지부, 과학실, 생물 환경 연구실 수상 번호 DE-SC0018409 및 DE-FC02-07ER64494에 의해 부분적으로 지원되는 작업을 기반으로합니다. Rebecca Ong은 미시간 기술 대학 (스타트업 자금)의 부분 적인 지원을 인정합니다. Shishir Chundawat는 미국 국립 과학 재단 CBET 상 (1604421), ORAU 랄프 E. 포웨 상, 공학의 러트 거스 학교 (스타트 펀딩)의 부분 지원을 인정합니다. 브루스 데일은 미시간 주립 대학 AgBioResearch 사무실과 또한 식품 및 농업의 USDA 국립 연구소에서 부분적인 지원을 인정합니다. 벤카테시 발란은 텍사스 주와 휴스턴 대학교(스타트업 펀딩)의 부분적인 지원을 인정합니다. MBI 직원들은 미국 에너지부와 미시간 주립 대학 재단의 부분적인 지원을 인정합니다. 마지막으로, 우리는 지속 가능한 셀룰로오스 바이오 연료를 만드는 우리의 꿈을 공동으로 추구하도록 영감을 준 우리의 멘토이자 공동 저자 인 브루스 데일 (Bruce Dale) 교수에게이 논문을 바치고 싶습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Safety Equipment/PPE | |||
| Ammonia Monitor | CanarySense | BW GAXT-A-DL | Single gas detector, Ammonia (NH3), 0 to 100 ppm |
| Cryogenic gloves | Amazon | B01L8WA238/B01L8WA1H0/B01L8WA1O8 | Keep hands protected when handling liquid ammonia |
| Ear muffs | 3M | H7A | Ear muffs to protect hearing when releasing ammonia at end of pretreatment |
| Face shield | - | - | Wear while handling ammonia |
| Heat protective gloves | Grainger | 2EWX1/2EWX2/2EWX3 | Showa heat resistant gloves, max temperature 500°F |
| Nitrile gloves | - | - | Wear while mixing biomass to prevent contamination |
| Reagents | |||
| Anhydrous Ammonia Compressed Gas Cylinder | - | - | An anhydrous ammonia compressed gas cylinder with a dip tube is required for this process. The dip tube is essential in order to withdraw liquid ammonia from the cylinder. |
| Distilled water | - | - | Used to add water to the biomass to achieve the desired water loading |
| Milled or Chopped Corn Stover | - | - | Corn stover is not readily commercially available. Contact local farmers or agricultural extension if you wish to locate some. |
| Nitrogen Compressed Gas Cylinder | - | - | |
| Equipment | |||
| Ammonia Cylinder Adapter | - | - | CGA fitting that depends on the gas cylinder. Matheson is a good source. Some require teflon gaskets. This connects the cylinder to the ammonia delivery system. A regulator is not necessary as the system uses liquid ammonia. |
| Ammonia Delivery System (Figure 4) | Swagelok | Misc. | Stainless steel pressure cylinder and components, valves, check valves, and gauges were used for all lines potentially in contact with ammonia. |
| Analytical Balance | Sartorius | CPA4202S | Balance used for preparing biomass and weighing the reactors. Toploading balance, 4200g x 0.01g |
| Chemraz O-rings | Harvard Apparatus | 5013091 | Ammonia-resistant o-rings for the SS syringe |
| Custom Tubular Reactors (Figure 3) | Parts were purchased from McMaster-Carr, Swagelok, Omega, and Motion Industries (Dixon Fittings) | Misc. | To be compatible with ammonia, the custom reactor was constructed from stainless steel components (sanitary tube and fittings, compression fittings, quick connect, pressure gauge, thermocouple), and teflon gaskets. The maximum pressure rating of the vessel is 1500 psig, which is the maximum pressure rating of the bolted sanitary clamps. |
| Drying Box | - | - | Optional: an enclosed system for drying is necessary if planning to do microbial experiments to avoid contamination. Avoid drying at elevated temperatures. |
| High Pressure Syringe Pump | Harvard Apparatus | 70-3311 | Infuse/Withrdraw PHD ULTRA HPSI Programmable Syringe Pump for transferring liquid ammonia |
| Moisture Analyzer | Sartorius | MA35 | Moisture analyzer for determining moisture content of biomass prior to pretreatment. |
| Nitrogen Delivery | Misc. | Misc. | Nitrogen compressed gas cylinder, inert gas regulator (at least 1000 psig max pressure rating), lines, and valves. |
| Ratchet wrench and 7/8" socket | - | - | Ratchet and socket to quickly tighten and open bolts on the sanitary clamp. Can be purchased anywhere. |
| Retractable Thermocouple Cables | Omega | RSC-K-3-4-5 | Retractable thermocouple cable. You need one for each reactor. |
| Stainless Steel Syringe | Harvard Apparatus | 702261 | Stainless steel syringe for tranferring ammonia to the reactors. |
| Temperature Monitor | Omega | HH12B | Dual input temperature monitor. You need one for every two reactors. |
| Voltage Controller | McMaster-Carr | 6994K11 | Variable-Voltage Transformer for controlling heating to the reactors. You need one for each reactor. |
| Supplies | |||
| Metal Scoops, Spoons and/or Spatulas | - | - | For transferring biomass for weighing, mixing, transferring into the reactor and removing from the reactor at the end of the run |
| Plastic Bowls or Tubs | - | - | Used for mixing the biomass with the water. Any bowl or tub could be used. |
| Spray Bottle | - | - | Used to add water to the biomass to achieve the desired water loading |
| Wide-Mouth Funnel | - | - | Any funnel that has a bottom opening 0.5-1.0 inches diameter. |
| Wooden Dowel | - | - | 1-1.5" diameter wooden dowel to assist with loading/unloading the reactor |
| Consumables | |||
| Glass Wool | Sigma-Aldrich | CLS3950-454G | For packing the top of the reactor to prevent biomass escape and clogging the tubing |
| Plastic Press-to-Close Bags | McMaster-Carr | 1959T24 | Bags for storing processed samples and for transferring to drying box |
| Plastic Tote | - | - | Used to transfer pretreated biomass to an alternate location for drying |
| Plastic Weighboats or Metal Trays | - | - | Used to catch the biomass when removing from the reactors, and for storing the samples while drying |
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