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Ammoniakfaserausdehnung (AFEX) Vorbehandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse

Published: April 18, 2020 doi: 10.3791/57488
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 5, 5, 5, 5
1Department of Chemical and Biochemical Engineering, Rutgers-State University of New Jersey, 2Michigan Biotechnology Institute (MBI), 3Department of Chemical Engineering and Materials Science, Michigan State University, 4Engineering Technology Department, Biotechnology Program, College of Technology, University of Houston, 5Department of Chemical Engineering, Michigan Technological University

Summary

Die Ammoniakfaserexpansion (AFEX) ist eine thermochemische Vorbehandlungstechnologie, die lignozellulosehaltige Biomasse (z. B. Maisstover, Reisstroh und Zuckerrohrbagasse) in einen hochverdaulichen Rohstoff für Biokraftstoffe und Futtermittelumwandeln umwandeln kann. Hier beschreiben wir ein Laborverfahren zur Durchführung der AFEX-Vorbehandlung auf lignozellulosehaltiger Biomasse.

Abstract

Lignozellulose-Materialien sind pflanzliche Ausgangsstoffe, wie z. B. Ernterückstände (z. B. Maisstover, Reisstroh und Zuckerrohrbagasse) und zweckgebundene Energiepflanzen (z. B. Miscanthus und Switchgrass), die in großen Mengen zur Herstellung von Biokraftstoffen, Biochemikalien und Futtermitteln zur Verfügung stehen. In Zellwänden eingebettete pflanzliche Polysaccharide (d.h. Cellulose, Hemicellulose und Pektin) sind sehr widerspenstig gegenüber der Umwandlung in nützliche Produkte. Ammoniakfaserausdehnung (AFEX) ist eine thermochemische Vorbehandlung, die die Zugänglichkeit von Polysacchariden zu Enzymen zur Hydrolyse in fermentierbare Zucker erhöht. Diese freigesetzten Zucker können in einer Bioraffinerie in Brennstoffe und Chemikalien umgewandelt werden. Hier beschreiben wir ein LABOR-Batch-AFEX-Verfahren zur Herstellung vorbehandelter Biomasse im Grammmaßstab ohne Ammoniakrecycling. Der Laborprozess kann zur Identifizierung optimaler Vorbehandlungsbedingungen (z. B. Ammoniakbelastung, Wasserbelastung, Biomassebelastung, Temperatur, Druck, Verweilzeit usw.) verwendet werden und erzeugt ausreichende Mengen vorbehandelter Proben für eine detaillierte physikalisch-chemische Charakterisierung und enzymatische/mikrobielle Analyse. Der Ertrag von fermentierbaren Zuckern aus enzymatischer Hydrolyse von Maisstover, die im Labormaßstab AFEX-Verfahren vorbehandelt werden, ist vergleichbar mit dem aparaten AFEX-Verfahren unter ähnlichen Vorbehandlungsbedingungen. Dieses Papier soll ein detailliertes Standardverfahren für den sicheren und konsistenten Betrieb von Laborreaktoren zur Durchführung der AFEX-Vorbehandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse bereitstellen.

Introduction

Ammoniakfaserexpansion (AFEX) ist eine thermochemische Vorbehandlung, die flüchtiges Ammoniak als Hauptreaktorat für die Zellulose-Biomasse-Vorbehandlung verwendet. Dieses Verfahren wurde ursprünglich von Bruce Dale erfunden, um die Widerspenstigkeit der lignozellulosehaltigen Biomasse kostengünstig zu reduzieren und die biologisch katalysierte vorbehandelte Biomassedekonstruktion in fermentierbare Zucker1,2zu verbessern. Im Gegensatz zu den meisten anderen wässrigen thermochemischen Vorbehandlungen3ist AFEX ein Trocken-zu-Trocken-Prozess, der keine signifikante Veränderung der Biomassezusammensetzung verursacht und keinen Waschschritt mit der damit verbundenen Abfallerzeugung und -kosten erfordert. Die Rückgewinnung von überschüssigem flüchtigem Ammoniak wurde im Pilotmaßstab nachgewiesen, was zu geringeren Abfallerzeugungs- und -verarbeitungskosten führte. Das von MBI entwickelte AFEX-Reaktorsystem mit Pilotbetten (Abbildung 1) gewinnt Restammoniak mittels Dampfabisolen zurück und überträgt das heiße, konzentrierte Ammoniak in ein neues verpacktes Bett4,5. Nach der AFEX-Vorbehandlung werden die geringen Stickstoffmengen, die in die Biomasse eingearbeitet werden, von Wiederkäuern und Mikroorganismen als Nichtproteinstickstoff verwendet. Darüber hinaus erhöht AFEX durch Die Veränderung der Biomasse-Ultrastruktur durch verschiedene physikalisch-chemische Mechanismen6,7,8die Zugänglichkeit der Biomasse zu kohlenhydrataktiven Enzymen (CAZymes) und erhöht die Rate der Polysacchariden-Hydrolyse um mehrere,8,9, was auch seine Verdaulichkeit durch Wiederkäuer über ihr zelluluslytisches Mikrobiom4,10,11,12erhöht.12 Die Landwirte haben lange Zeit eine einfachere Version dieser Methode eingesetzt, um die Verdaulichkeit von Wiederkäuerfutterfutter zu erhöhen, indem sie die Biomasse tage- oder wochenlang unter Plastikplanen in Gegenwart von niedrigen wasserfreien Ammoniakbelastungen (<4% w/w Basis trockener Biomasse) und Umgebungsdrücken und Temperaturen10,11brüten.

Wasserfreies Ammoniak wurde erstmals in den 1950er Jahren auf sein Potenzial untersucht, Holz zu entzünden, und als Zellstoffchemikalie in den frühen 1970er Jahren13,14,15,16,17,18. In den frühen 1980er Jahren wurde unter Druck, Hochtemperatur, konzentriertes Ammoniak (>30% NH4OH) unter subkritischen Bedingungen erstmals im Dale-Labor verwendet, um die enzymatische Verdaulichkeit und mikrobielle Fermentationsfähigkeit von lignozellulosehaltiger Biomasse zu verbessern19. Dieser Prozess erfuhr im Laufe der Jahre mehrere Namensänderungen, beginnend als Ammoniak-Gefrierexplosion und dann Ammoniakfaserexplosion und schließlich Ammoniakfaserexpansion oder einfach AFEX. Etwa zur gleichen Zeit (Mitte der 1980er Jahre) untersuchte DuPont (heute Dow-DuPont) auch mit überkritischen und nahezu kritischen vorläubischen Vorbehandlungsverfahren, um die Verdaulichkeit von Biomasse zu erhöhen20,21,22. In den letzten Jahrzehnten wurde verstärkt wert auf die Verwendung von verdünnten wässrigen Ammoniaklösungen als Vorbehandlungsreagenz einschließlich Ammoniak-Recycling/Perkolation23 (ARP), Einweichen in wässriges Ammoniak (SAA) oder das Dow-DuPont-Verfahren ohne Ammoniakrecycling24betont. Einige zusätzliche Methoden haben die Verwendung von wasserfreiem Ammoniak (niedrigfeuchte wasserfreies Ammoniak (LMAA) und flüssigkeitsarme Minal-Ammoniak-Vorbehandlung25 (LAA) untersucht. Vor kurzem wurden zwei neue fortschrittliche Vorbehandlungstechnologien vom Typ Organosolv unter Verwendung von flüssigem wasserfreiem Ammoniak26,27 und Ammoniak-Salz-basierten Lösungen28 bei hoher Flüssigkeits- bis Festkörperbelastung entwickelt, die eine selektive Ligninfraktionierung und eine hocheffiziente enzymatische Hydrolyse von vorbehandelter zellulosehaltiger Biomasse bei ultraniedrigen Enzymbelastungen ermöglichen. Ein kürzlich erschienener Review-Artikel hat die Ähnlichkeiten und unterschiede zwischen verschiedenen Formen von Ammoniak-basierten Vorbehandlungen aufgezeigt29. Bisvorkurzem gab es jedoch keine Pilotdemonstrationen von Ammoniak-basierten Vorbehandlungsprozessen (wie AFEX), die effizient mit dem geschlossenen chemischen Recycling von konzentriertem Ammoniak gekoppelt waren, das in diesem Prozess verwendet wurde.

In diesem Beitrag beschreiben wir ausführlich das am häufigsten verwendete AFEX-Protokoll zur Vorbehandlung von zellulosehaltiger Biomasse im Labormaßstab zur Herstellung von Gram-Skalen vorbehandelter Biomasse (z. B. 1 bis mehrere 100 g). In der Regel wird Biomasse mit Wasser (0,1–2,0 g H2O/g trockener Biomasse) gemischt und in einen kundenspezifischen Edelstahlreaktor oder Parr-Reaktor geladen. Wasserfreies Ammoniak wird dann (0,3–2,0 g NH3/g trockene Biomasse) in den Reaktor zugegeben und das Gemisch auf die gewünschte Reaktionstemperatur (60–180 °C) erhitzt. Frühere Veröffentlichungen zum AFEX-Verfahren aus den 1980er-1990er Jahren begannen unmittelbar nach der Temperaturrampe mit der Vorbehandlungszeit (z.B. 5-60 min). Da die Reaktionen jedoch auftreten, sobald das Ammoniak dem Reaktor zugesetzt wird, besteht das aktuelle AFEX-Verfahren darin, die Verweilzeit unmittelbar nach der Ammoniakzugabe des Reaktors zu überwachen. Bei Temperaturen von 90 °C oder mehr ist es oft notwendig, die Biomasse vor dem Beladen des Ammoniaks vorzuheizen, um die Anfängliche Temperatur auf einen Mindestzeitraum (d. h. <5 min) zu halten. Nach Ablauf der Verweilzeit wird ein Ventil geöffnet, um den Druck schnell freizusetzen, und der Gasphaseninhalt in eine geeignete chemische Rauchhaube. Die schnelle Umwandlung von Ammoniak von der Flüssig- in die Gasphase bewirkt auch, dass der Reaktor abkühlt. Kleine Reaktoren (<100 ml Reaktorvolumen) können oft sofort in der Dunstabzugshaube entladen werden, während größere Reaktoren (>100 ml Reaktorvolumen) zusätzliche Zeit zum Abkühlen benötigen. Zur Sicherheit der Anwender wird im größeren Maßstab (>100 g Ammoniak pro Reaktorlauf) empfohlen, das Spülen mit Stickstoff so viel Restammoniak wie möglich aus dem Behälter zu entfernen und bei der Kühlung des Reaktorinhalts vor dem Entladen zu helfen. In der Regel wird im Labormaßstab kein Versuch unternommen, das Ammoniak zu recyceln und/oder zurückzugewinnen. Eine der wichtigsten Designherausforderungen für die Skalierung des AFEX-Vorbehandlungsprozesses war das Recycling von Ammoniak mit minimalen Kapital- und Betriebskosten. Auch die Zugabe von flüssigem Ammoniak zu Biomasse treibt in der Regel das teilweise Blinken der Flüssigkeit an, die die Biomasse kühlt, was eine Erwärmung des Biomasse-Ammoniak-Gemischs erfordert, bevor die AFEX-Behandlung beginnen kann. Anstatt Ammoniak als Flüssigkeit hinzuzufügen, bietet die Zugabe von Ammoniakdampf zu Biomasse zwei Vorteile: Erstens ermöglicht die hohe Porosität von Biomasse, Ammoniakdampf schnell zu transportieren, was zu einer gleichmäßigen Ammoniakverteilung in der gesamten Biomasse führt. Zweitens löst sich Ammoniakdampf leicht und exothermisch in das in feuchte Biomasse eingelassene Wasser auf, was zu einer Wärmeerzeugung führt, die die Biomasse schnell und gleichmäßig erwärmt. Um diese Vorteile zu nutzen, haben sowohl das MSU Dale Lab als auch MBI AFEX-Behandlungsmethoden mit Ammoniakdampf entwickelt. Das Dale-Labor hat das Gaseous AmmoniaK Pretreatment (GAP) Verfahren30entwickelt, und MBI hat das VERPACKTe Bett AFEX-Reaktorverfahren entwickelt (Abbildung 1)4, das im Pilotmaßstab demonstriert wurde. Das verpackte Bett-AFEX-Reaktorsystem ist in der Lage, den Halbbatch-Betrieb mit vollständigem Recycling von Ammoniak mit einem Dampfabisolierverfahren4,5. Dieser neuartige MBI-Pilotprozess nutzt die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Ammoniak, um Biomasse effizient abzubauen und gleichzeitig das Ammoniak effizient zu recyceln.

Hier stellen wir einen detaillierten Überblick zur Durchführung der AFEX-Vorbehandlung von Maisstover im Labormaßstab mit kundenspezifischen 200 ml Rohrreaktoren vor (Abbildung 2). Die von AFEX vorbehandelten Proben wurden mit handelsüblichen zelluluslytischen Enzymcocktails zu fermentierbaren Zuckern verdaut, um die Wirksamkeit der Vorbehandlungsprozesse zu demonstrieren. Die enzymatischen Hydrolyseergebnisse für den AFEX-Reaktor im Labormaßstab wurden mit größeren AF-Reaktorproben im Pilotmaßstab verglichen. Unser Ziel ist es, ein Standard-Betriebsverfahren für den sicheren und konsistenten Betrieb von Druckreaktoren im Labormaßstab für die Durchführung von AFEX-Vorbehandlungen auf zellulosehaltiger Biomasse wie Maisstover bereitzustellen. Weitere unterstützende Informationen zu Abweichungen zu diesem laboralen AFEX-Vorbehandlungsprozess (z.B. pilotgesteuertes verpacktes Bett-AFEX-Verfahren) werden in der begleitenden ergänzenden pdf-Datei weiter hervorgehoben. Ein ausführlicher Bericht über die operativen Schritte des AFEX-Prozesses im verpackten Bett wird in einer gesonderten Publikation hervorgehoben und ist auf Anfrage bei MBI-MSU erhältlich.

Protocol

1. Anpassung des Biomassefeuchtegehalts

  1. Siehe Tabelle der Materialien, die alle wichtigen Ausrüstungen und Materialien umreißt, die für die Durchführung von AFEX-Vorbehandlungen im Labor- oder Labormaßstab mit dem kundenspezifischen Rohr-AFEX-Reaktor erforderlich sind (Abbildung 2).
  2. Bestimmen Sie den Gesamtfeuchtigkeitsgehalt der Biomasse mit einem Feuchteanalysator oder einem Ofensatz bei 105 °C für 8 h. Für die Ofenmethode die Proben in einen hitzebeständigen Trockenschrank geben, um es abzukühlen, um eine Wasseradsorption vor dem Trocknen zu verhindern. Führen Sie den Prozess in doppelter oder dreifacher Ausführung durch und berechnen Sie den durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt.
  3. Für eine gegebene trockene Biomassebelastung im Reaktor (hier hält sie 25 g), verwenden Sie den in Schritt 1.2 ermittelten Feuchtigkeitsgehalt, um zu berechnen, wie viel nasse Biomasse geladen werden muss.
    Equation 1[1]
    Wo mnass = Gesamtmasse der Biomasse (Nassgewichtsbasis); mtrocken = Masse der Biomasse auf Trockengewichtsbasis; MCTWB = Biomassefeuchtegehalt auf Gesamtgewichtsbasis
  4. Diese Menge Biomasse (mnass)in einem Kunststoffbehälter abwägen.
  5. Berechnen Sie, wie viel Wasser mit der nassen Biomasse gemischt werden muss, um den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt zu erreichen. Bei Maisstover beträgt dies typischerweise 0,6 gH2O pro g trockener Biomasse.
    Equation 2[2]
    Wenn mWasser = Wassermasse, die dem Reaktor zugesetzt wird (zusätzlich zum Wasser in der Biomasse); xWasser = AFEX-Wasserbelastung (g:g Trockenbiomasse)
  6. Mit einer Sprühflasche diese Menge Wasser (mWasser)langsam in die zuvor abgewogene Biomasse geben und gut von Hand mischen.

2. Laden und montieren Sie den Reaktor

  1. Montieren Sie den Reaktorkörper, indem Sie eine Kappe und eine Teflondichtung auf den Boden des Reaktorrohrs legen. Schrauben Sie eine Klemme an Ort und Stelle, festziehen beide Muttern gleichmäßig mit einem Rachet.
  2. Übertragen Sie die nasse Biomasse auf die montierte Reaktorbasis und legen Sie einen Stecker aus Glaswolle an die Spitze der Biomasse.
  3. Legen Sie eine Teflondichtung auf die Oberseite des Reaktors. Stellen Sie sicher, dass die Region frei von Biomasse und Glaswolle ist, was eine effektive Abdichtung verhindern könnte, und legen Sie den Reaktorkopf darüber, indem Sie das Thermoelement durch die Glaswolle und Biomasse manövrieren.
  4. Schrauben Sie die Klemme mit einer Ratsche gleichmäßig auf beiden Seiten an die Spitze des Reaktors.
  5. Wiegen Sie den Reaktor(m-Reaktor) und erfassen Sie das Gewicht.

3. Stellen Sie das Reaktorsystem ein und füllen Sie den Ammoniak-Transferzylinder

  1. Vergewissern Sie sich, dass alle Geräte angeschlossen und bedienbar sind (Temperaturregler, Temperaturmonitor, Spritzenpumpe, Timer).
  2. Stellen Sie die Timer auf die gewünschte Verweilzeit für jeden zu betreibenden Reaktor und jede Probe ein.
  3. Schalten Sie die Ammoniak-Abgabeauffuhr auf der Spritzenpumpe ein und richten Sie sie bei Verwendung einer programmierbaren Spritzenpumpe ein.
    Schritt 1: Auszahlung.
    Schritt 2: Warten Sie 15 Sekunden (um Zeit zum Öffnen und Schließen von Ventilen zu lassen).
    Schritt 3: Infuse (um das Ammoniak in den Reaktor zu übertragen).
    1. Speichern Sie als AFEX-Methode, um eine einfache Wiederverwendung zu ermöglichen.
  4. Stellen Sie sicher, dass alle Ventile in und aus dem kleinen Ammoniakzylinder geschlossen sind.
  5. Wenn der Zylinder zuvor verwendet wurde und Restammoniak/Stickstoff enthält, öffnen Sie langsam Ventil A auf der Oberseite des kleinen Ammoniakzylinders, um Stickstoff abzubluten und das Ventil zu schließen, sobald flüssiges Ammoniak zu sprudeln beginnt.
  6. Um den kleinen Ammoniakzylinder zu füllen, öffnen Sie den großen wasserfreien Ammoniakzylinder und alle Ventile auf der Ammoniakleitung. Langsam ventil (B) in der Nähe der Oberseite des kleinen Ammoniakzylinders öffnen, bis sich der Druck stabilisiert. Warten Sie 5 min, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren. Etwa 120 ml Ammoniak werden in dieser Zeit vom Hauptzylinder auf den Transferzylinder geladen.
  7. Schließen Sie alle Ventile zwischen dem Ammoniaktank und dem kleinen Ammoniakzylinder, arbeiten von links nach rechts, beginnend mit dem kleinen Zylinder (Ventil B) und Abschluss am Hauptventil auf der Oberseite des Tanks.
  8. Stellen Sie den Stickstoffregler auf 350 psi ein. Öffnen Sie das Ventil an der Stickstoffflasche und das Ventil am angeschlossenen Regler. Öffnen Sie das Ventil C auf dem kleinen Ammoniakzylinder, um langsam Stickstoff hinzuzufügen, wodurch das System überdruckt wird. Stellen Sie den Druck des kleinen Zylinders je nach Bedarf auf 350 psi ein, indem Sie den Sollwert am Regler einstellen. Halten Sie Stickstoffleitungen offen, während Sie Ammoniak abgeben.

4. Den Reaktor vorheizen (bei Reaktionstemperaturen von >100 °C)

  1. Schließen Sie den Temperaturmonitor an das Thermoelement und das Heizband an den Temperaturregler an.
  2. Stellen Sie den Temperaturregler manuell ein, um den Reaktor auf 60 °C zu bringen.

5. Beladen Sie den Reaktor mit Ammoniak

  1. Schalten Sie die Spritzenpumpe ein, wenn sie nicht bereits eingeschaltet ist.
  2. Berechnen Sie das benötigte Ammoniakvolumen auf der Grundlage der gewünschten Ammoniakbelastung (g:g trockener Biomasse) und einer zuvor ermittelten Ammoniakkalibrierung.
    Equation 3[3]
    HINWEIS: Da die Ammoniakpumpe Volumenbelastungen auf Volumenbasis, bei der ersten Verwendung, kalibrieren, um von der erforderlichen Masse in Volumen umzuwandeln. Befolgen Sie das gleiche Verfahren wie für AFEX, aber beenden Sie den Lauf (Entlüfte den Reaktor) unmittelbar nach dem Laden des Ammoniaks und wiegen den Reaktor. Befolgen Sie das gleiche Verfahren zum Entladen des Reaktors.
  3. Richten Sie die Methode ein, um die richtige Menge Ammoniak zu laden:
    1. Wählen Sie die AFEX-Methode aus Abschnitt 3.3 aus.
    2. Schrittdefinition drücken Step Definition | Schritt: 1 | Festlegen von Zielvolumen oder -zeit.
    3. Drücken Sie die in mL benötigte Lautstärke mit dem Nummernblock ein, und drücken Sie das grüne Häkchen.
    4. Wenn mehr als 85 ml erforderlich sind, geben Sie das Zielvolumen als die Hälfte der in der Kalkulationstabelle angegebenen Menge ein und füllen Sie den Reaktor zweimal mit demselben Spritzenvolumen.
    5. Wiederholen Sie die Schritte 5.3.2 bis 5.3.4 für "Schritt: 3".
    6. Drücken Sie die Zurück-Taste.
  4. Ventil (D) auf der Unterseite des kleinen Ammoniakzylinders in Richtung Auspuff öffnen und dann schließen, sobald restliches Ammoniak ausgetreten ist.
  5. Öffnen Sie das Ventil (E) am Ende der Spritzenpumpe zur Vorderseite der Dunstabzugshaube, und öffnen Sie dann das Ventil (F), um Restammoniak freizusetzen. Schließen Sie Ventile (E) und (F).
  6. Trennen Sie den Reaktor vom Temperaturmonitor und dem Temperaturregler. Befestigen Sie den Reaktor an der Schnellverbindung.
  7. Offenes Ventil (D) zum kleinen Ammoniakzylinder und offenes Ventil (E) zum kleinen Ammoniakzylinder.
  8. Drücken Sie den grünen Pfeil auf der Pumpe, um die Sequenz zu starten und Ammoniak in die Spritze zu ziehen.
  9. Wenn die Spritze während der Wartezeit automatisch stoppt, drehen Sie das Spritzenventil (E) in Richtung des Reaktors und des Reaktoreinlassventils, damit es auf den Schnellanschlussstiel zeigt.
    Nach der Verzögerung beginnt die Spritze mit dem Einspritzen und stoppt automatisch am Sollpunkt.
  10. Wenn mehr als 85 ml Ammoniak benötigt werden, wiederholen Sie die Schritte 5.7 bis 5.9.
  11. Schließen Sie das Reaktorventil und das Ventil (D). Ventil (F) öffnen, um Restammoniak aus der Spritze zu lösen, und schließen Sie dann das Ventil (F) und schließen Sie das Ventil (E).
  12. Ventil (D) in Richtung Auspuff öffnen und dann schließen, sobald das Restammoniak verlassen ist.
  13. Tragen Sie kryogene Handschuhe, entfernen Sie den Reaktor aus dem schnellen Anschluss. Seien Sie vorsichtig mit potenziellen Ammoniakspray. Verwenden Sie die Elefantenstamm-Entlüftungslinie, um das freigesetzte Ammoniak zu entlüften, falls erforderlich.
  14. Starten Sie den Timer für den entsprechenden Reaktor.
  15. Wiegen Sie die Reaktoreinheit, um zu überprüfen, ob das entsprechende Gewicht von Ammoniak auf der Grundlage der Tabellenkalkulationsberechnungen hinzugefügt wurde.

6. Beginnen Sie mit dem Heizen und überwachen Sie die Reaktion

  1. Schließen Sie den Temperaturmonitor an das Thermoelement und das Heizband an den Temperaturregler an.
  2. Zeichnen Sie die Anfangstemperatur und den Druck des Reaktors nach Ammoniakzugabe (Beginn der Verweilzeit) auf.
  3. Stellen Sie den Temperaturregler manuell ein, um den Reaktor auf die eingestellte Temperatur zu bringen. Das Ziel ist es, den Sollwert in <5 min zu erreichen.
  4. Zeichnen Sie den Druck und die Temperatur des Reaktors alle 3 min bis zum Ende der Verweilzeit auf.
  5. Trennen Sie am Ende der Verweilzeit den Reaktor vom Temperaturregler und Thermoelement, entfernen Sie den Reaktor aus dem Ständer und öffnen Sie langsam das Kugelablöseventil in der Dunstabzugshaube.
    HINWEIS: Tragen Sie in diesem Schritt immer einen Gesichtsschutz.

7. Schalten Sie das System herunter

  1. Nachdem Sie den Reaktor für einige Minuten abkühlen lassen, verwenden Sie einen Ratschenschlüssel, um die Klemmen am Reaktor zu öffnen.
  2. Entladen Sie die Biomasse und Glaswolle aus dem Reaktor in eine Dunstabzugshaube. Um eine Kontamination der Biomasse in der Luft zu verhindern, da Restammoniak verdunstet, ist es am besten, in einem geschlossenen Trockenkasten in einem belüfteten Raum zu trocknen.
  3. Reinigen Sie den Reaktor mit destilliertem Wasser, bis das Wasser klar läuft und lassen Sie die Reaktoren trocknen.
  4. Wenn sie noch geöffnet sind, schließen Sie alle Ventile an und verbinden Sie sich mit dem Ammoniakzylinder.
  5. Schließen Sie alle Ventile an der Stickstoffleitung.
  6. Schalten Sie den Temperaturregler, den Temperaturmonitor, den Waagen, die Spritzenpumpe und den Timer aus.
    VORSICHT: Wenn Sie planen, mehr Reaktionen auszuführen, ist es nicht notwendig, den kleinen Ammoniakzylinder zu entlüften. Wenn es jedoch keinen Plan gibt, weitere Experimente durchzuführen, ist es aus Sicherheitsgründen am besten, den kleinen Zylinder am Ende des Experiments in die Haube zu entlüften. Dabei ist es wichtig, die Ventile offen zu lassen, da die Freisetzung von Ammoniak eisbildung verursachen kann, die einige Leitungen blockieren kann. Wenn die Leitungen auftauen, kann zusätzliches Ammoniak freigesetzt werden. Stellen Sie immer sicher, dass die Belüftung funktioniert, während das System entlüftet werden kann. Jede mit Ammoniak behandelte Biomasse muss, auch wenn sie nicht verwendet werden soll, über Nacht in der Dunstabzugshaube getrocknet werden, damit Restammoniak verdampfen kann. Es kann nicht sofort im Müll entsorgt werden.

Representative Results

Nach der AFEX-Vorbehandlung ist die Biomasse dunkler, aber ansonsten optisch unverändert (Abbildung 3). DER AFEX-Prozess erzeugt ein hochverdauliches Material in einer Vielzahl von Maßstäben als das in diesem Protokoll beschriebene. Hier haben wir die gleiche Maisstover Probe in unserem kleinen 200 ml, verpackten Bett, Bank-Scale-System vorbehandelt; eine größere 5 Gallone, gerührt Parr Reaktor; und dem MBI-Pilotreaktor. Die Bedingungen für die beiden kleineren Reaktoren (d. h. 200 ml und 5 Gallonen) waren 1,0 g NH3:g trockener Biomasse, 0,6 g H2O:g trockener Biomasse, für 30 min bei 100 °C bei 5 °C. Der AFEX4 im Pilotmaßstab wurde auf dem gleichen Material bei 0,6 g NH3:gtrockener Biomasse, 0,6 g H2O:g Trockenbiomasse, für 30 min bei 100 °C durchgeführt. Einzelheiten zu den Protokollen, die für die Durchführung der AFEX-Vorbehandlung in größerem Maßstab verwendet werden, finden Sie in den unterstützenden Informationen (siehe Ergänzungsdatei 1). Die folgenden "Qualitätskontrollkriterien" wurden auf der Grundlage der Zieltemperatur für die AFEX-Vorbehandlung festgelegt. Wenn nach Erreichen des Sollwerts die Reaktortemperatur vom Sollwert aus nach 10 °C nach außen geht, muss das Experiment abgebrochen werden. Wenn die Zieltemperatur (innerhalb von 5 °C) nicht innerhalb von 5 min nach dem Ammoniakpumpen erreicht wird, brechen Sie das Experiment ab. Darüber hinaus kann die Wirksamkeit der Vorbehandlung für das AFEX-Verfahren mit zellulolytischen Enzymcocktails getestet werden, um die zugänglichen Polysaccharide in fermentierbare Zucker zu hydrolysieren. Die Proben wurden 72 Stunden lang enzymatisch bei 6% Glucanbelastung, pH 5,0, 50 °C und 250 Umdrehungen pro Minute in einem Schüttelinkubator hydrolysiert. Für alle Saccharifikationstests wurde ein kommerzieller Cocktail von Enzymen aus 60% Cellulase (CTec3): 40% Hemicellulase (HTec3 oder NS22246) auf einer festen Gesamtproteinbelastungsbasis verwendet, die mit 15 mg Enzym/g Glucan belastet ist. Die Ergebnisse (Abbildung 4) zeigen, dass die AFEX-Vorbehandlung die Ausbeute von fermentierbaren Zuckern in allen Fällen deutlich erhöht. Darüber hinaus ist die Cellulose/Xylan-Hydrolyseausbeute für Biomasse, die mit dem AFEX-Verfahren im Labormaßstab vorbehandelt wird, vergleichbar mit dem größeren 5-Gallonen-Parr-Reaktor und dem MBI-Pilot-Paketbett-AFEX-Verfahren.

Figure 1
Abbildung 1. Schematische Darstellung der Schritte, die am Pilotbetrieb des MBI-Reaktors AFEX zur Vorbehandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse beteiligt sind, die vollständig mit effizientem Ammoniak-Recycling integriert ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2. Schemata der Labor-Skala von A) Ammoniak-Liefersystem und B) kleine 200 ml AFEX Vorbehandlungsreaktor verwendet, um AFEX-Prozess im Video-Protokoll beschrieben durchzuführen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3. DIE von AFEX vorbehandelte Biomasse hat eine sehr ähnliche grobe Morphologie im Vergleich zu unbehandelter Biomasse, abgesehen davon, dass sie etwas dunkler ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4. Glukose- und Xyloseerträge, die nach 72 h enzymatischer Hydrolyse von 6% Glucanbelastung ERHALTEN werden, werden hier gezeigt. Alle Saccharifikationstests wurden in zwei Urnen mit Mittelwerten (m) durchgeführt, die hier gemeldet wurden. Standardabweichungen (1s) werden hier als Fehlerbalken gemeldet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Datei 1: Zusätzliche Protokolle Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 1: Ammoniak-Liefersystem und Federrahmen Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

Das AFEX-Protokoll beschreibt, wie Pflanzenmaterialien in Gegenwart von wasserfreiem Ammoniak und Wasser bei erhöhten Temperaturen verarbeitet werden, um die Verdaulichkeit des Vorbehandlungsmaterials durch zellulolytische Enzyme und/oder Mikroben zu erhöhen. AFEX ist sehr effektiv auf graminoidmonocot Arten (z.B. Maisstover, Switchgrass, Miscanthus, Reisstroh, Weizenstroh und Zuckerrohr bagasse) aufgrund der Effizienz des Prozesses, um Ester-Verbindungen zu spalten, die natürlich reichlich in diesen Materialien31sind. AFEX ist viel weniger wirksam auf Biomasse aus Dicots und Gymnospermen (Hartholz, Nadelhölzer, und native forbs)32,33 aufgrund des geringeren Anteils von Lignin-Kohlenhydrat-basierte Ester-Verbindungen. Wenn diese Verbindungen jedoch mit Hilfe der Pflanzenbiotechnologie in holzige Zellwände eingebracht werden, wird das AFEX-Vorbehandlungsverfahren viel effektiver34.

Durch die Spaltung von Esterverbindungen können bestimmte Biomassekomponenten aus dem Material entfernt, aber als Extraktive auf den äußeren Zellwandoberflächen wieder aufgelegt werden, was zur Bildung von nanoskaligen Löchern führt, die das Eindringen und Wirken der zelluluslytischen Enzyme erleichtern6. DIE von AFEX vorbehandelte Maisstover zeigte eine etwa 3-fache Erhöhung der Glukose- und Xylosefreisetzungsrate nach enzymatischer Hydrolyse unter hohen Feststoffbedingungen im Vergleich zum unbehandelten Material. Ammoniak-Vorbehandlungen produzieren auch weniger und weit weniger hemmende Abbauprodukte im Vergleich zu verdünnten Säurevorbehandlung35. Ein früherer Vergleich von AFEX und verdünntem säurebehandeltem Maisstover zeigte, dass eine verdünnte Säurevorbehandlung 316% mehr Säuren, 142% mehr Aromaten und 3.555% mehr Furanaldehyde als AFEX36produziert, die alle für Mikroorganismen hemmend sein können35,37. Da ES sich bei AFEX um einen Trocken-zu-Trocken-Prozess handelt, gibt es auch keinen Zuckerverlust als verdünnter Flüssigkeitsstrom, der bei der enzymatischen Hydrolyse wirtschaftlich nicht genutzt werden kann. Dies führt jedoch zu Komplikationen, da Enzyme mit Celluloseabbau und Hemicelluloseabbau erforderlich sind, um die Zellwandpolysaccharide während der enzymatischen Hydrolyse vollständig in gemischte fermentierbare Zucker wie Glukose und Xylose zu zerlegen. Hemicelluloseische Oligomere hemmen den Zellulase-Aktivität38, die eine höhere Enzymbelastung erforderlich machen könnte, um eine hohe Endzuckerausbeute zu halten. Die Optimierung geeigneter Enzymcocktails kann jedoch den Gesamtenzymverbrauch während der Saccharifizierung von AFEX vorbehandelter Biomasse39,40,41,42,43,44,45reduzieren. Während der AFEX-Vorbehandlung führt die Hydrolyse und Ammonolyse von Esterverbindungen zur Bildung von Säure- und Amidprodukten in der vorbehandelten Biomasse (z.B. Essigsäure/Acetamid, Ferulsäure/Ferulamid, Koumersäure/Coumarylamid)36. Obwohl die Bildung von Amiden nachweislich den Fermentationsprozess unterstützte, könnte ihre Anwesenheit in sehr hohen Konzentrationen in vorbehandelten Rohstoffen ein Problem darstellen, wenn die Fütterung von Tieren vorbehandelte Biomas. Die Vorhydrolyse von Esterverbindungen mit Alkalien wie NaOH oder Ca(OH)2 vor der AFEX-Vorbehandlung kann verwendet werden, um das Problem anzugehen.

Bei der Arbeit mit wasserfreiem Ammoniak während des AFEX-Prozesses gibt es eine Reihe von Sicherheitsüberlegungen zu beachten. Wasserfreies Ammoniak reagiert mit Kupfer, Messing, Aluminium, Kohlenstoffstahl und gängigen Fluorelastomerpolymeren, die in Dichtungen verwendet werden (z. B. Viton usw.). Alle Schläuche oder Reaktorkomponenten, die mit Ammoniak in Berührung kommen können, sollten aus rostfreiem Stahl hergestellt werden, und Dichtungen, Ventilsitze und Schnellverbinderdichtungen sollten nach Möglichkeit aus Teflon oder Kalrez hergestellt werden. Ammoniak gilt nicht als giftige Chemikalie, aber es ist immer noch gefährlich wegen seiner hygroskopischen und kryogenen Eigenschaften. Es zielt leicht und kann Schleimhäute in den Augen und Atemwege stark schädigen. Ammoniak ist eine kryogene Flüssigkeit und Ammoniaklecks können durch direkten Kontakt mit dem Gasstrom oder gekühlten Geräten zu schweren Erfrierungen führen. Ammoniak ist bei Konzentrationen über 300 ppm sofort lebens- und gesundheitsgefährdend (IDLH). Die Arbeitnehmer sollten sofort evakuieren, wenn die Konzentration 50 ppm überschreitet. Es wird empfohlen, dass Bediener einen kalibrierten Ammoniakmonitor tragen, um vor gefährlichen Konzentrationen in ihrer Nähe zu warnen. Die Installation von Sensoren mit Alarmen im Hauptarbeitsbereich ist ebenfalls ratsam. Arbeitnehmer, die mit Ammoniak umgehen, sollten gut ausgebildet sein und Schutzausrüstung tragen, wie z. B. Atemschutzgeräte, die mit Methylaminkartuschen sowie kryogenen und hitzebeschützenden Handschuhen ausgestattet sind, und bereit sein, Mit notsituationen umzugehen. Im Falle einer Exposition gegenüber wasserfreiem Ammoniak sollte sich der Bediener in Sicherheit bringen und den betroffenen Bereich mindestens 15 min mit Wasser spülen. Der Ammoniak-Vorbehandlungsprozess sollte in einer Dunstabzugshaube durchgeführt werden, und der Ammoniakzylinder sollte entweder in einer Dunstabzugshaube oder einem belüfteten Schrank gelagert werden. Nach dem Experiment wird vorbehandelte Biomasse etwas restfreies Ammoniak haben und sollte entweder über Nacht in der Haube oder in einer benutzerdefinierten belüfteten Trocknungsbox getrocknet werden, bevor sie in Plastiktüten bei Raumtemperatur für Folgeexperimente gelagert wird. Einige weitere wichtige Sicherheitsaspekte sind die Installation eines Ammoniak-Liefersystems mit einem Durchflussmesser, das dazu beiträgt, Ammoniak präzise in den Reaktor zu liefern, und einen Reaktor, der mindestens das 1,5-fache des Drucks bewältigen soll, dem der Vorbehandlungsprozess unterzogen wird (z. B. für die Handhabung des AFEX-Prozesses bei 2 x 106 Pa Druck sollte der Mindestdruck des Reaktors 3 x 106 Pa betragen).

Die AFEX-Vorbehandlung ist eine vielversprechende Methode zur Herstellung hochverdaulicher pflanzlicher Biomasse, die direkt als Tierfutter oder als Ausgangsstoff zur Erzeugung von Brennstoffen und Chemikalien verwendet werden kann. Über diese beiden Branchen hinaus könnte AFEX in anderen Bereichen wie einem bioerneuerbaren Rohstoff für die Herstellung von Biomaterialien oder als Ausgangsstoff für die Erzeugung von Biogas Verwendung finden. Der Laborprozess kann in einem Labor durchgeführt werden, das mit angemessenem belüfteten Raum und Sicherheitsvorkehrungen ausgestattet ist, und unsere aktuelle Arbeit bestätigt, dass dieser verkleinerte AFEX-Prozess ähnliche Ergebnisse wie Material zeigt, das in einem skalierten und/oder pilotierten AFEX-Reaktor erzeugt wird. Das AFEX-Verfahren im Labormaßstab kann verwendet werden, um Rohstoffe, Verarbeitungsbedingungen und Anwendungen in einer höheren Durchsatzweise zu testen, während gleichzeitig eine vernünftige Erwartung an die Leistung des Prozesses auf Pilot- oder Industriemaßstäben gegeben ist.

Disclosures

Mehrere Autoren (nämlich Shishir P S Chundawat, Tim Campbell, Farzaneh Teymouri, Leonardo Sousa, Bruce E Dale, Venkatesh Balan) sind Erfinder/Miterfinder mehrerer Patente, die bei MSU/MBI über Ammoniakvorbehandlung und Reaktordesign angemeldet wurden.

Acknowledgments

Dieses Material basiert auf Arbeiten, die teilweise vom Great Lakes Bioenergy Research Center, dem U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Biological and Environmental Research unter den Award-Nummern DE-SC0018409 und DE-FC02-07ER64494 unterstützt werden. Rebecca Ong bestätigt die teilweise Unterstützung durch die Michigan Technological University (Startup-Finanzierung). Shishir Chundawat würdigt die teilweise Unterstützung durch den CBET Award der US National Science Foundation (1604421), den ORAU Ralph E. Powe Award und die Rutgers School of Engineering (Startup Funding). Bruce Dale bestätigt die teilweise Unterstützung durch das AgBioResearch-Büro der Michigan State University und auch das USDA National Institute of Food and Agriculture. Venkatesh Balan bestätigt die teilweise Unterstützung durch State of Texas und Die University of Houston (Startup Funding). MBI-Mitarbeiter erkennen teilweise Unterstützung durch das US Department of Energy und die Stiftung der Michigan State University an. Schließlich möchten wir dieses Papier unserem Mentor und Co-Autor Prof. Bruce Dale widmen, um uns zu inspirieren, unseren Traum von der Herstellung nachhaltiger zellulosehaltiger Biokraftstoffe gemeinsam zu verfolgen.

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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References

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Umweltwissenschaften Ausgabe 158 Ammoniakfaser-Erweiterung (AFEX) Vorbehandlung lignozelluloseische Biomasse Cellulose Biokraftstoffe Futtermittel Cellulasen Enzymatische Hydrolyse Bioraffinerie
Ammoniakfaserausdehnung (AFEX) Vorbehandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse
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Chundawat, S. P. S., Pal, R. K.,… More

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