Summary
OrganoCat은 리그닌, 발효 설탕 및 셀룰로오스 펄프로 온화한 조건하에서 리뇨셀룰로오스의 전처리 및 분획을 위한 방법입니다. 2,5푸란카르복실산을 촉매로 적용한 생원성, 이중성 용매 시스템과 2-메틸테트라하이드로푸란에서 OrganoCat 제품은 간단한 제품 회복을 위해 시상화됩니다.
Abstract
석유 기반에서 보다 지속 가능하고 바이오 기반 경제로의 전환은 원자재와 에너지공급을 유지하기 위해 새로운 정유 개념의 개발이 필요합니다. 이러한 참신하고 지속 가능한 바이오 정유 개념의 경우 녹색 화학의 원칙에 부합하는 촉매제와 용매를 사용하는 것이 중요합니다. 따라서 생물발생적 대안의 구현은 유망한 해결책이 될 수 있다. 본 원에서 본선에 제시된 리뇨셀룰로오스 전처리 및 분획 공정은 2,5-furandicarboxylic산과 같은 바이오제닉산을 촉매로 사용하여 주요 성분으로 리그노셀룰로오스의 통합 분획이다. 헤미셀룰로스 및 기타 비셀룰로산 다당류는 희석된 산에 의해 선택적으로 비합화되고 용해되고, 결정성 셀룰로오스는 고체 펄프에 남아 있다. 바이오제닉 2-메틸테트라하이드로푸란으로 구성된 제2 유기상이 존재하여, 분단된 리그닌은 시투에서추출된다. 이 공정을 통해 세 가지 주요 성분인 리닌, 셀룰로오스 및 비셀룰로오스 설탕의 효율적인 분획을 허용합니다. 이것은 리그닌의 질, 셀룰로오스 농축 펄프의 효소 가수 분해 의 개선, 낮은 분해와 온화한 비 셀룰로오스 설탕 추출에 집중하는 것을 돕습니다.
Introduction
화석 자원의 사용은 일상 생활에 필수적인 수많은 제품의 기초를 형성하면서 큰 기술적 진보를 가져왔습니다. 그러나 지구상의 석유 및 가스와 같은 자원의 제한과 착취와 관련된 환경 적 피해는 대안에 대한 긴급한 필요성을 만듭니다. 리그노셀룰로오스 바이오매스는 재생 가능하고 다재다능하며 탄소 중립1이기때문에 탄소 기반 화학 물질에 대한 유망한 원천입니다. 리그노셀룰로오스는 기본적으로 헤미셀룰로스, 셀룰로오스, 리그닌의 세 가지 주요 분수로 구성되어 있습니다. 산업 가공은 오랜 역사를 가지고 있습니다. 그러나, 제지 산업에서 황산염 및 크래프트 공정과 같은 확립되고 광범위한 공정은 주로 펄프 및 제지 산업의 활용을 위한 셀룰로오스에 초점을 맞추고있다 2. 경제 및 환경적 관점에서 수익성이 높은 화학 물질로 리그노셀룰로오스 처리를 하기 위해서는 세 가지 리그노셀룰로오스 분획의 완전한 용맹화가 필요합니다.
많은 리그노셀룰로오스 용맹 전략에서 리그닌은 에너지 회복을 위해 종종 연소되는 단순한 부산물입니다. 현재, 산업적으로 생산된 리그닌의 1-2%만이 콘크리트 첨가제, 계면활성제 및 바닐린3과같은 부가가치 제품을 생산하는 데 사용된다. 그럼에도 불구하고, 그것은 방향족의 가장 큰 재생 가능한 소스이며, 따라서 폴리머4,탄소 섬유5,연료2의기초로 응용 프로그램에 대한 유망한 특성을 갖는다. 리그닌의 용맹화의 과제는 소스 재료 및 추출 조건에 따라 복잡한 구조와 다양성에 있습니다. 더욱이, 그들의 공정 조건으로 인해, 가장 널리 퍼진 리그노셀룰로오스 분획 공정은 단량체 단위 사이의 C-C 연결의 높은 수와 황색 리그닌을 제공합니다. 따라서, 시판되는 리그닌은 중합을 해제하기가 어렵다.
세 분수의 전체적인 활용에 초점을 맞춘 다양한 접근 방식이 리그노셀룰로오스 분획을 위해 개발되었습니다. 대부분의 공정은 희석된 산과 염기로 또는 높은 온도에서 물의 자동 발화를 활용하여 헤미셀룰로오스의 가수분해에 의존합니다. 가장 탐구된 옵션 중 하나인 organosolv 공정은 일반적으로 물과 함께 끓는 저조유기 용매를 사용합니다. 이 과정의 잘 알려진 변종은 50%에탄올을 활용하는 알셀 프로세스와 첫 번째 단계에서 메탄올을 사용하고 두 번째 단계에서 NaOH를 추가하는 유기세포 프로세스를 포함한다. 포믹 또는 아세트산을 사용하는 산 성 유기성 공정도2에기술되어 있다. 최근 주요 바이오 정유 제품인 리그닌의 용맹화에 초점을 맞추고 있기 때문에 리그닌 추출과 후속 또는 통합 변환 단계를 결합하여 더 작은 리그닌 화합물과 보다 안정적이고 가치 있는 제품6,7,8을산출하는 새로운 접근법이 개발되었습니다.
오가노캣 리그노셀룰로오스 분획 공정(OrganoCat)은 2상 물과 2-메틸테트라하이드로푸란(2-MTHF) 9를 기반으로한다. 또한, 재활용 가능한 유기산은 촉매로 사용되며, 이는 온화한 온도에서 헤미셀룰로스를 선택적으로 가수분해합니다. 모든 공정 화학물질은 비교적 저렴하고 생생적인 방식으로 제조될 수 있으며, 이는그린케미칼(10)의원칙에 따라 공정의 환경적 영향을 낮춥니다. 이 공정은 유기 상에서 리그닌을 함유한 3개의 별도 제품 스트림, 수성 상에서 중합화 된 헤미셀룰로오스 설탕, 고체 잔류물로 셀룰로오스 농축 펄프를 제공합니다. 제품 스트림을 쉽게 분리할 수 있기 때문에 다운스트림 단계, 에너지 수요 및 재료 비용을 단일화 접근법과 비교하여 크게 줄일 수 있습니다. 리그닌은 상대적으로 낮은 분자량과β-O-4연계11의높은 수를 가지고 있다. 비합합된 헤미셀룰로오스 설탕은 발효 또는 미세 화학물질(12)으로의 변환에 사용될 수 있다. 셀룰로오스 펄프는 효소 디폴리머화9에매우 접근할 수 있다.
원래 OrganoCat 공정은 리뇨셀룰로오스를 분별하기 위해 촉매로 옥살산을 사용합니다. 옥탈산은 결정화9에의해 회수될 수 있다. 그러나, 이것은 반응및 물의 부분 증발을 냉각하기 위한 공정 비용을 증가시킵니다. 옥탈산의 부분 분해는13의수익을 더 감소시킬 것이다. 이러한 이유로, 오가노캣 공정은 촉매11로2,5-furandicarboxylic 산 (FDCA)을 도입하여 개선되었다. FDCA는 반응을 촉매하기에 충분한 산성일 뿐만 아니라 탈수증을 통해 포도당에서 유래될 수 있을 뿐만 아니라, 금속계 촉매 또는 생체촉매를 통한 5-하이드록시메틸푸르랄 및 후속 산화를 통해 포도당으로부터 유래될 수있다(14,15,16,17). FDCA의 산도는 약간 낮지만, 옥탈산보다 열 안정성이 높습니다. FDCA는 실온에서 물에 낮은 용해도를 가지고, 이는 반응 후 수성 단계에서 그것의 간단한 복구를 허용.
OrganoCat 공정의 스케일업이 성공적으로 3L 원자로18로개발되었다. OrganoCat lignin에 대한 추가 연구는 n-헥산 또는 n-펜탄을 가진 항솔매 침전이 에너지 효율적인 리그닌회복(19)을허용한다는 것을 발견했습니다. 다른분자량(20)으로리그닌 분획을 얻을 수 있었다. 이 논문은 FDCA를 촉매로 사용하여 리그노셀룰로오스 바이오매스의 확장 가능한 1단계 분획 공정에 대한 전체 사전 처리 방법을 제시합니다. 이 공정은 추출된 리그닌, 중합화 헤미셀룰로스 및 셀룰로오스 펄프를 쉽게 분리할 수 있는 세 개의 제품 스트림으로 산출합니다.
Protocol
참고: 샘플을 실온(며칠) 또는 냉장고(장기간)에 두어 언제든지 프로세스가 일시 중지될 수 있습니다. 이 프로토콜에 사용된 재료에 대한 자세한 내용은 재료 표를 참조하십시오.
1. 비치 나무 입자
- 10mm 체로 커팅 밀을 사용하여 원하는 입자크기(Fagus sp.)를 생성하고, 50°C에서 일정한 질량(~24h)으로 입자를 건조시켜 - 10%의 잔류 수분 함량을 남긴다.
2. 리공세포로오스 분획 및 작업
- 리그노셀룰로오스 전처리 및 분별
- 25mL 스테인리스 스틸 고압 반응기에서 실온에서 5mL의 초순수수로 500 mg의 너도밤나무(Fagus sp.)입자및 78.0 mg(0.5mmol, 0.1M)을 일시 중단한다. 서스펜션에 2-MTHF 5mL과 교반 바를 추가하고 반응기를 닫습니다. 1시간 동안 1500rpm의 교반 속도로 가열판에 반응기를 160°C로 가열합니다.
- 10분 동안 얼음물의 실온으로 반응을 식히십시오. 반응기를 열고 NaOH 용액52.5 μL(증류수내 50wt% NaOH)을 추가하고 실온에서 15분, 교반판에 500rpm을 저어줍니다.
- 유기상 및 리닌 정량화의 격리
- 원심 분리 혼합물 (실온, 5 분, 1880 × g). 파이펫을 사용하여 유기상(2-MTHF)을 50mL 원형 플라스크로 전송합니다.
- 고체 및 건조 리그닌 분획이 얻어질 때까지 회전 증발기(40°C, 200rpm, 180mbar)에서 유기상을 증발시한다. 분석 밸런스로 계량하여 리그닌 수율을 결정합니다. 추가 분석을 위해 실온에 고체 리그닌을 저장합니다.
- 고체 셀룰로오스 농축 펄프 및 수성 상 분리
- 셀룰로오스 필터 용지(17-30 μm 모공 크기)를 사용하여 수성 상을 걸러내고 셀룰로오스 농축 펄프를 분리하고 수성 상을 5mL 유리병으로 이송합니다. 펄프를 중립 pH까지 3 x 25mL 물로 세척하고 세척 용액을 100mL 비커에 별도로 보관하십시오. 펄프를 80°C에서 일정한 질량(~24h)으로 건조시다.
- 분석 밸런스를 사용하여 계량하여 말린 펄프 수율을 결정합니다.
- FDCA 수상 의 복구 및 격리
- 수성상 및 세척용액의 pH를 얼음 욕조에서 냉각시키면서 농축 HCl을 사용하여 pH 1로 일정한 교반하에 2.3단계에서 별도로 조정한다. 범용 표시기 용지를 사용하여 pH를 제어합니다.
- 두 솔루션모두에서 침전된 고체(FDCA)를 걸레로 하고, 잔류물을 결합하고, 80°C에서 일정한 질량(~24h)으로 건조한다. 세고를 버리십시오. 분석 저울로 계량하여 FDCA 수율을 결정합니다.
- 수성 위상을 25mL 플라스크로 옮기고 분석을 위해 4°C에 저장한다.
- 모피 정량화를 위한 샘플 준비
- 별도의 실험을 수행하여 모피의 양을 결정합니다. 2.1.1-2.2.1 단계를 반복합니다.
- 수집된 유기 용매 분획에 내부 표준으로 n-decane 40 mg을 추가하고 분석을 위해 보관하십시오.
3. 분석
- 펄스 암페로메트릭 검출(HPAEC-PAD)을 이용한 고성능 음이온 교환 크로마토그래피를 통해 수성 상에서 설탕 분석
- 증류수 190μL로 2.4.3단계에서 수집된 수상10μL을 희석시켰다. 희석된 시료에 2mM 2-deoxy-D-포도당 10μL을 추가합니다.
- 0.5mL+min-1의 유량으로 단당류 분리를 수행하고 10분 동안 2mMNaOH로 평형 후 샘플을 주입한다. 중성 설탕을 18분 이상 2m NaOH로 분리합니다. 그 후, 550 mM NaOH를 10 분 동안 사용하여 비뇨기산을 분리하십시오. 800m NaOH로 10분 동안 기둥을 헹구습니다.
참고: 소프트웨어는 단당류의 양을 내부 표준의 양으로 정규화하고 다른 단당류의 표준 교정 곡선을 사용하여 정량화합니다.
- 1H-13 C이성핵 단일 양자 상관 핵 자기 공명을 통한 리닌 분석(1H-13C-HSQC NMR)
- 0.5mL의 디메틸설프리산화물([d6]DMSO)에 리닌 50 mg을 용해시키고, 혼합물을 NMR 튜브로 옮기다. 400MHz 분광계를 사용하여 1H-13C HSQC(측정 시간 220분) NMR 측정을 수행합니다.
- 스펙트럼을 사용하여 리그닌에 존재하는 연결 유형을 결정합니다.
- 스펙트럼의 화학적 이동을 DMSO 신호(δ(1H) = 2.500 ppm; δ(13C) = 39.52 ppm)으로 참조한다.
- 모든 신호가 양수일 때까지 두 축모두에서 수동 위상 보정을 수행한 다음 기준 수정을 수행합니다.
- 방향족 단위의 신호와 리그닌의 연결체를 통합; 화학 적 변화에 대한 표 1을 참조하십시오.
- 다음 수식을 사용하여 방향족 단위(arom.)의 합계를 계산합니다.
Σ (arom.) = (S2,6 / 2) + ((G2 + G5) / 2) + (H2,6 / 2)(1)
Si가 2 및 6 실릴 양성자에 대응하는 신호에 상주하는 것으로,Gi는 2 및 5 과아실 양성자와 대응하는 신호에 상주하고,Hi는 2 및 6 p-하이드록시페닐 프로톤에 대응하는 신호에 상주한다. - 다음 수식을 사용하여 각 단위의 백분율을 계산합니다.
S = (S2,6/ 2) / σ (arom.) × 100 %(2)
G = (G2 + G5) / 2) / 100 %(3)×
H = (H2,6 / 2) / σ (arom.) × 100 %(4)
S, G, H는 100단체 당 각각의 모노머 시링실-(S), 과아실-(G), p-하이드록시페닐(H)-모노머 유닛의 백분율이다. - 다음 수식을 사용하여 100 단위당 연결 수를 계산합니다.
β-O-4연계 =α β-O-4/+100%(5)×
α β [β+β β-β + γ β-β+ × 100%(6)
[α β-5 + β β-5 + γ β-5] / × 100%(7)
α, β 및 γ 해당 β-O-O-β O-o-4-β 및 β-5연계의 α, β 및 γ 양성자 신호에 대응하는 신호에 통합됩니다.
참고: 연결은 100단조 단위당 연결장치로 제공됩니다. 피크의 중복으로 인해β-O-4는α 양성자 신호만사용하여 계산됩니다. β β 및 β-5 연결은 해당 연결의 모든 신호를 사용하여 계산됩니다.
- 젤 투과 크로마토그래피 (GPC) 분석
- 1.5mL 가스 크로마토그래피(GC)-바이알에서 말린 리그닌 10 mg과 포도당 1mg(내부 표준)을 1mL에 0.1 M NaOH 및 0.01 wt% NaN3 수성 용액에 녹입니다. 중격이 있는 캡을 사용하여 GC 바이알을 닫습니다.
- 자외선 검출기가 장착된 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC) 시스템에 샘플의 100μL을 주입하고 λ = 280 nm의 파장을 모니터링한다. 극지 실리카 (8mm x 50mm)와 3 개의 젤 기둥 (8mm x 300mm, 입자 직경 : 5 μm, 명목 모공 폭 : 1000 Å)의 유속1mm min-1의유속으로 사전 열 프로그래밍 된 온도 분할 / 스플리스 인젝터 시스템으로 구성된 시스템을 사용합니다. 내부 표준(glucose)의 신호에 대해 얻은 데이터를 참조한다. 266에서 65000 Da 범위의 폴리(styrene sulfonate)를 사용한 외부 교정을 참조하는 소프트웨어를 사용하여 대량 분포를 계산합니다.
- GC를 통한 퍼펄 수량화
- OrganoCat 전처리의 유기 단계에 내부 표준으로 20 mg n-decane를 추가합니다. 유기 상의 1mL를 1.5mL GC-바이알로 옮기.
- 이 용액의 1 μL을 극성 폴리우레탄 글리콜 고정상및 헬륨을 1.5mLmin-1및 화염 이온화 검출기로 운반기 가스로서 30m 컬럼을 사용하여 가스 크로마토그래프에 1μL을 주입한다. 초기 온도를 50°C로 설정한 다음 8°C~1 내지 250°C로 올리고 5분 동안 250°C에서 유지한다.
- 소프트웨어에서 제공하는 일체(Int)와 외부에서 계산된 보정 계수(cf)를 사용하여 모피를 정량화합니다.
- 2-MTHF의 1mL에서 1 mg의 furfural 및 5 mg의 n-decane 샘플을 준비하고 전술한 절차를 사용하여 GC에 주입합니다. 다음과 같이 보정 계수를 계산합니다.
CF = (Int(n-decane) / m(n-decane))/ (Int(furfural) / Int(furfural))(8) - 보정 계수를 사용하여 다음 수식으로 알 수 없는 샘플의 furfural 양을 계산합니다.
m(furfural) =m (n-decane) / Int (n-decane) × cf × Int (furfural)(9)
- 2-MTHF의 1mL에서 1 mg의 furfural 및 5 mg의 n-decane 샘플을 준비하고 전술한 절차를 사용하여 GC에 주입합니다. 다음과 같이 보정 계수를 계산합니다.
- 셀룰로오스 농축 펄프 가수 분해
- 1.5mL 바이알을 사용하여 혼합(재료표참조)이 있는 가열 블록에서 오가노캣 전처리로부터 얻은 셀룰로오스 농축 잔류물의 펄프 가수분해를 수행한다.
- 셀룰로오스 농축 펄프 20 mg과 셀룰라아제 10 μL(60 필터 종이 단위(FPU) mL-1 및 82 셀로비아스 단위(CBU)mL-1)을1.5mL 바이알에 1mL의 구연산 버퍼(pH = 4.5)에 넣고 1.5mL 바이알, 50°C에서 0h, h 12h, h.h1로 흔들어 줍니다. 그 후, 효소를 분해하기 위해 샘플을 99°C로 10분 간 가열합니다.
- 포도당(육소키나아제) 분석 키트를 사용하여 포도당 농도를 결정한다.
Representative Results
리그노셀룰로오스 전처리 및 분획 공정 인 OrganoCat(OrganoCat)에 대한 전형적인 조건 세트는 촉매로서 0.1 M FDCA를 사용하며, 생체 질량 적재는 100 g L-1(너도밤나무, 수상에 비해), 반응 시간 1h 및 반응 온도로서 160°C를 사용한다. 꿀벌 나무의 구성은 다른 곳에서 출판되었다21 (~48% 셀룰로오스, 27% 헤미셀룰로오스, 26% 리그닌). 도 1은 이 조건세트와 함께 추출된 헤미셀룰로오스 가수분해제뿐만 아니라 더 긴 반응 시간(3h) 및 낮은 온도(140°C)를 나타낸다.
가혹한 조건을 사용하여, 예를 들어,더 높은 온도 및 더 긴 반응 시간, 더 높은 추출 수율로 이어질 수 있지만, 또한 xylose의 분해 생성물인 생성물의 더 많은 저하로 이어질 수 있지만, 반면 5-(하이드록시메틸)furfural (5-HMF)는 포도당의 해당 분해 산물이다. 160°C에서 3h의 반응 시간으로 제품(수성 및 유기상 사이에 분포)에 더 많은 양의 furfural이 지적되었다. 설탕 분해 제품은 매우 반응성이 높고 푸란과 설탕의 humins-oligomers를 형성하는 경향이 있기 때문에 - 더 높은 온도에서 짧은 반응 시간은 높은 추출 효율과 낮은 설탕 저하 사이의 좋은 타협으로 간주 될 수 있습니다.
추출된 리그닌의 양은 반응 온도 및 시간과도 직접적으로 관련이 있습니다. 도 2는 추출된 리그닌의 양,β-O-4-연결함량, 및 추출된 리그닌의 질량 평균 어금니 질량을 나타낸다. 추출된 리그닌 수율은 반응 시간이 길어지는 반면,그대로 β-O-4-링크의 수는 1h 대신 3h에 반응할 때 약 절반씩 감소합니다. 반응 온도를 160°C에서 140°C로 낮추면 리그닌에 미치는 영향이 훨씬 낮아져 수율이 약간 적고 질량 평균 어금량이 적고β-O-4함량이 더 높다.
(lingo-) 셀룰로오스의 효소 가수분해가 펄프 효율을 나타내는 일반적인 지표이기 때문에, 상기 언급된 오가노캣 반응 상태세트(그림 3)에서유래한 상이한 오가노캣 펄프에 상업용 셀룰로오스 칵테일이 적용되었다. 셀룰라아제는 기판에 최적화되지 않기 때문에 전체 셀룰로오스 변환은 최첨단 성능과 비교할 수 없습니다. 그러나 서로 다른 펄프를 서로 비교할 수 있습니다. 반응 시간이 길수록 초기 반응 시간 및 포도당 수율에 큰 영향을 미치고 72h 후의 포도당 수율에 상당한 영향을 미치며 ~ 2.5의 인자에 의해 개선됩니다. 온도를 낮추는 것은 훨씬 작은 충격을 표시하는 것으로 나타나며,이 치료 내의 효소 소화성의 차이를 일으키는 주요 요인이 고양 정도임을 암시합니다.
그림 1: 유기캣 공정에서 의 당 추출 및 모피 생산은 0.1 M 2,5-furandicarboxylic 산을 촉매로, 100 gL-1 비치 나무 (수상에 비해) X 축11에표시된 것과 같이 다른 반응 온도 및 시간에. 모든 실험은 삼중에서 수행되었습니다. 평균은 표준 편차와 함께 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 오가노캣 공정에 의해 추출된 리그닌의 양 및 분석으로 0.1M 2,5-furandicarboxylic산촉매및 100gL-1 비치 목재(수성 상에 비해) x축11에표시된 바와 같이 반응 온도및 시간에 상이한 반응 온도및 시간에. 리그닌 수익률은 삼중으로 계산되었습니다. 평균은 표준 편차와 함께 표시됩니다. 분자 질량 및 연결은 대표적인 단일 실험에서 파생되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 펄프의 효소 가수 분해. 포도당은 72h(블루 바) 후 첫 시간(회색 막대) 및 치료되지 않은 비치 나무와 셀룰로오스 농축 펄프의 가수분해로부터 촉매로서 0.1M 2,5-furandicarboxylic 산과 100 g L-1 비도 나무(비크 상에 비해) 및 100gL-1 비도 나무(비록상에 비해) 및 100gL-1 비도나무 나무(비록상과 비교하여) 반응량에 따라 산출된다. 셀룰라아제는 통회 완충(pH 4.5)11에서최대 72h의 50°C에서 상이한 기판에 적용되었다. 모든 실험은 삼중에서 수행되었습니다. 평균은 표준 편차와 함께 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 단위 | 시프트δ(1H)(13C) | 링크 | 시프트δ(1H)(13C) |
| 【ppm】 | 【ppm】 | ||
| S2,6 | (6.95–6.46) (106.8–101.9) | α β-O-4 | (5.08–4.69) (75.8–69.9) |
| G2 | (7.12–6.72) (113.4–108.7) | α β-β | (4.72–4.58) (87.46–84.0) |
| G5 | (7.04–6.51) (117.8–113.4) | β β-β | (3.35–3.11) (62.0–57.9) |
| H2,6 | (7.01–6.8) (129.1–123.2) | γ β-β 1 | (4.26–4.09) (73.0–70.0) |
| γ β-β 2 | (3.87–3.71) (73.0–70.0) | ||
| α β-5 | (5.51–5.41) (88.8–86.6) | ||
| β β-5 | (3.52–3.42) (54.0–52.1) | ||
| γ β-5 | (3.80–3.67) (64.1–62.1) |
표 1: 1H-13C 이종핵 단일 양자 상관 핵 자기 공명(1H-13C-HSQC NMR)에 의해 결정된 화학적 변화는 리그닌내의 상이한 연결에 대해서. 약어 : S = 주사기 단위, G = 과아실 단위, H = p-하이드록시페닐 단위.
Discussion
리그노셀룰로오스의 설명된 분획은 반응 시간 및 온도에 따라 푸란에 대한 설탕 분해를 피하기 위해 헤미셀룰로오스 가수 분해 효율과 선택성 사이의 절충을나타낸다(도 1). 리그닌 추출도 마찬가지로 가혹한 조건에 의해 영향을 받았다. 특히 β-O-4-링키지의 감소와 고온 및 반응 시간에 의한 질량 평균 분자량의 향상은 반드시 이루어져야 할 타협을 강조한다. 따라서 반응 시간과 온도를 선택하는 것은 이 리그노셀룰로오스 분획 공정에서 중요한 단계입니다. 효소 가수분해의 효율은 대부분 FDCA 촉매 공정에서 고심에 의해 결정되는 것처럼 보이자 가장 가혹한 처리 조건은 가장 접근 가능한 펄프를 제공합니다. 공정9,11,18,22의다른 변형은 예를 들어, 상이한 촉매를 사용하여 반응성 용액에서 촉매 및 최종 pH의 강도가 공정 효율성에 가장 강한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 절차의 수정, 예를 들어,인산으로 부어, 뿐만 아니라 유익한 효과를 가지고 표시 되었습니다22. 그러나 다양한 조성으로 인해, 프로세스는 다른공급주(21)에따라 최적화가 필요하다. 전체 공정 성능을 고려할 때 분리된 분획의 다운스트림 정화를 고려해야 하므로 선택성이 중요한 역할을 합니다. 다른 유기솔브와 같은 공정과 비교하여 OrganoCat은 비교적 간단하고 별도의 세 개 스트림의 주요 구성 요소를 제공하는 biphasic 물 /2-MTHF 시스템을 사용합니다. 이렇게 하면 하류및 그로 인한 에너지 및 장비 비용을13,18로줄일 수 있습니다.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 독일 대학의 과학 및 연구를 촉진하기 위해 독일 연구 재단의 우수 이니셔티브에 의해 지원되는 우수 "바이오 매스의 맞춤형 연료"와 "연료 과학 센터"의 클러스터의 일환으로 수행되었으며, 프로젝트 AP³ Focus Lab에서 지원되는 생물 경제 과학 센터 (BioSC)의 일부입니다. 생물경제과학센터의 과학적 활동은 NRW Strategieprojekt BioSC(313/323-400-002 13호)의 틀 안에서 혁신과학부, 연구부의 재정적 지원을 받았습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1200 HPLC system | Agilent | n.a. | was used for size exclusion chomatogaphy |
| 2,5-furandicarboxylic acid | TCI Deutschland GmbH | F0710 | Purity: >98.0%(T)(HPLC) |
| 2-methyltetrahydrofuran | Carl Roth GmbH | 6845.4 | SOLVAGREEN ≥99 %, extra pure |
| Accellerase 1500 | Provided by Genencor (60 FPU mL-1 and 82 CBU mL-1; 2300 AE Leiden, Netherlands) | n.a. | cellulase for pulp hydrolysis |
| beech wood (Fagus sp.) | local supplier | n.a. | |
| BioTek Power Wave HT UV-Vis Spectrometer | BioTek Germany, 74177 Bad Friedrichshall, Germany | BT-RPRWI | |
| Bruker AS400 (400 MHz) Spectrometer | Bruker, Billerica, MA 01821, USA | n.a. | HSQC-NMR analysis |
| CarboPac PA20 column | Dionex | 302747 | monosaccharide separator column for high-performance anion-exchange chromatography |
| centrifuge 5430 R | Eppendorf | 5428000610 | |
| Focus GC | Thermo Fischer | n.a. | gas chromatograph |
| Glucose (hexokinase) assay kit | Sigma-Aldrich | GAHK20-1KT | |
| GPC- precolumn PSS PolarSil in DMAc | PSS Polymer Strandards Service GmbH | PSA080505 | precolumn with polar silica (8 x 50 mm) |
| HP-INNOwax column 30 m | Agilent J & W | 19091N-213IE | GC column with a polar polyethylene glycol stationary phase |
| PSS MCX | PSS Polymer Strandards Service GmbH | MCA0830051E3 | gel columns (8 x 300 mm, particle diameter: 5 µm, nominal pore width: 1000 Å |
| ThermoMixer | Eppendorf | n.a. | mixing and heating block |
| tinyclave steel Typ 3 / 25 mL | Büchi | 49,33,45,10,000 | 100 bar, 200 °C |
References
- Isikgor, F. H., Becer, C. R. Lignocellulosic biomass: a sustainable platform for the production of bio-based chemicals and polymers. Polymer Chemistry. 6 (25), 4497-4559 (2015).
- Azadi, P., Inderwildi, O. R., Farnood, R., King, D. A. Liquid fuels, hydrogen and chemicals from lignin: A critical review. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 21, 506-523 (2013).
- Aro, T., Fatehi, P. Production and application of lignosulfonates and sulfonated lignin. ChemSusChem. 10 (9), 1861-1877 (2017).
- Kai, D., et al. Towards lignin-based functional materials in a sustainable world. Green Chemistry. 18 (5), 1175-1200 (2016).
- Fang, W., Yang, S., Wang, X. -L., Yuan, T. -Q., Sun, R. -C. Manufacture and application of lignin-based carbon fibers (LCFs) and lignin-based carbon nanofibers (LCNFs). Green Chemistry. 19 (8), 1794-1827 (2017).
- Linger, J. G., et al. Lignin valorization through integrated biological funneling and chemical catalysis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (33), 12013-12018 (2014).
- Liao, Y., et al. A sustainable wood biorefinery for low-carbon footprint chemicals production. Science. 367 (6484), 1385-1390 (2020).
- Galkin, M. V., Samec, J. S. M. Lignin valorization through catalytic lignocellulose fractionation: a fundamental platform for the future biorefinery. ChemSusChem. 9 (13), 1544-1558 (2016).
- vom Stein, T., et al. From biomass to feedstock: one-step fractionation of lignocellulose components by the selective organic acid-catalyzed depolymerization of hemicellulose in a biphasic system. Green Chemistry. 13 (7), 1772-1777 (2011).
- Anastas, P. T. Meeting the challenges to sustainability through green chemistry. Green Chemistry. 5 (2), 29-34 (2003).
- Weidener, D., et al. One-step lignocellulose fractionation by using 2,5-furandicarboxylic acid as a biogenic and recyclable catalyst. ChemSusChem. 11 (13), 2051-2056 (2018).
- vom Stein, T., Grande, P. M., Leitner, W., Domínguez de María, P. Iron-catalyzed furfural production in biobased biphasic systems: from pure sugars to direct use of crude xylose effluents as feedstock. ChemSusChem. 4 (11), 1592-1594 (2011).
- Viell, J., Harwardt, A., Seiler, J., Marquardt, W. Is biomass fractionation by Organosolv-like processes economically viable? A conceptual design study. Bioresource Technology. 150, 89-97 (2013).
- Ait Rass, H., Essayem, N., Besson, M. Selective aerobic oxidation of 5-HMF into 2,5-furandicarboxylic acid with Pt catalysts supported on TiO2 - and ZrO2 -based supports. ChemSusChem. 8 (7), 1206-1217 (2015).
- Yi, G., Teong, S. P., Zhang, Y. Base-free conversion of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-furandicarboxylic acid over a Ru/C catalyst. Green Chemistry. 18 (4), 979-983 (2016).
- Ardemani, L., et al. Solid base catalysed 5-HMF oxidation to 2,5-FDCA over Au/hydrotalcites: fact or fiction. Chemical Science. 6 (8), 4940-4945 (2015).
- Domínguez de María, P., Guajardo, N. Biocatalytic valorization of furans: opportunities for inherently unstable substrates. ChemSusChem. 10 (21), 4123-4134 (2017).
- Grande, P. M., et al. Fractionation of lignocellulosic biomass using the OrganoCat process. Green Chemistry. 17 (6), 3533-3539 (2015).
- Holtz, A., et al. Process development for separation of lignin from OrganoCat lignocellulose fractionation using antisolvent precipitation. Separation and Purification Technology. 236, 116295 (2020).
- Weidener, D., et al. Lignin precipitation and fractionation from OrganoCat pulping to obtain lignin with different sizes and chemical composition. Molecules. 25 (15), 3330 (2020).
- Weidener, D., et al. Multiscale analysis of lignocellulose recalcitrance towards OrganoCat pretreatment and fractionation. Biotechnology for Biofuels. 13 (1), 155 (2020).
- Weidener, D., et al. Lignocellulose fractionation using recyclable phosphoric acid: lignin, cellulose, and furfural production. ChemSusChem. 14 (3), 909-916 (2020).
