Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Fraktionering af lignocellulosisk biomasse ved hjælp af OrganoCat-processen

Published: June 5, 2021 doi: 10.3791/61933
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Institut für Bio- und Geowissenschaften, Pflanzenwissenschaften (IBG-2), Forschungszentrum Jülich

Summary

OrganoCat er en metode til forbehandling og fraktionering af lignocellulose under milde forhold i lignin, fermenterbare sukkerarter og cellulosemasse. I et biogent, bifasisk opløsningsmiddelsystem af vand og 2-methyltetrahydrofuran med 2,5 furancarboxylsyre som katalysator adskilles OrganoCat-produkterne in situ for ligetil produktgenvinding.

Abstract

Overgangen fra en oliebaseret til en mere bæredygtig og biobaseret økonomi kræver udvikling af nye raffinaderikoncepter for at opretholde forsyningen af råvarer og energi. For disse nye og bæredygtige bioraffinaderikoncepter er det vigtigt at bruge katalysatorer og opløsningsmidler, der er i overensstemmelse med principperne i grøn kemi. Derfor kan gennemførelsen af biogene alternativer være en lovende løsning. Den lignocelluloseforbehandlings- og fraktioneringsproces, der præsenteres heri-OrganoCat-, er en integreret fraktionering af lignocellulose i dens hovedkomponenter ved hjælp af biogene syrer som 2,5 furandicarboxylsyre som katalysator. Hemicelluloses og andre ikke-cellulose polysaccharider er selektivt depolymerized af fortyndet syre og opløst, mens den krystallinske cellulose forbliver i den faste pulp. I nærværelse af en anden organisk fase bestående af biogen 2-methyltetrahydrofuran udvindes disentangled lignin in situ. Processen giver mulighed for effektiv fraktionering af de tre hovedkomponenter-lignin, cellulose, og ikke-celluloseholdige sukkerarter. Dette hjælper med at fokusere på bruninens kvalitet, forbedring af enzymatisk hydrolyse af celluloseberiget pulp og den milde ikke-celluloseholdige sukkerudvinding med lav nedbrydning.

Introduction

Brugen af fossile ressourcer har medført store teknologiske fremskridt, da de danner grundlag for mange produkter, der er afgørende for hverdagen. Begrænsningen af ressourcer som olie og gas på jorden og de miljøskader, der er forbundet med udnyttelsen af dem, skaber imidlertid et presserende behov for alternativer. Lignocellulosisk biomasse er en lovende kilde til kulstofbaserede kemikalier, da den er vedvarende, alsidig og CO2-neutral1. Lignocellulose består grundlæggende af tre hovedfraktioner at gøre brug af: hemicelluloses, cellulose og lignin. Dens industrielle forarbejdning har en lang historie. Etablerede og udbredte processer, såsom sulfit- og Kraft-processerne fra papirindustrien, fokuserer dog primært på cellulose til udnyttelse i papirmasse- og papirindustrien2. En fuld valorisering af alle tre lignocellulose fraktioner er nødvendig for at gøre lignocellulose forarbejdning mod kemikalier mere rentabel ud fra økonomiske og miljømæssige perspektiver.

I mange lignocellulose valorisering strategier, lignin er blot et biprodukt, der ofte brændes til energigenvinding. I øjeblikket anvendes kun 1-2% af det industrielt producerede lignin til fremstilling af værditilvækstprodukter som betontilsætningsstoffer, overfladeaktive stoffer og vanillin3. Ikke desto mindre er det den største vedvarende kilde til aromater og har derfor lovende egenskaber til anvendelse som grundlag for polymerer4, kulfibre5og brændstof2. Udfordringerne i valoriseringen af lignin ligger i dens komplekse struktur og mangfoldighed, afhængigt af kildematerialet og ekstraktionsbetingelserne. Desuden leverer de mest udbredte lignocellulosefraktioneringsprocesser på grund af deres procesforhold sulfonerede lignin med et stort antal C-C-forbindelser mellem monomerenhederne. Derfor er kommercielt tilgængelige lignin udfordrende at depolymerize.

En række forskellige tilgange, som fokuserer på den holistiske udnyttelse af alle tre fraktioner, er blevet udviklet til lignocellulosefraktionering. De fleste processer er afhængige af hydrolyse af hemicellulose, enten med fortyndede syrer og baser eller ved at udnytte autoprotolyse af vand ved forhøjede temperaturer. Som en af de mest udforskede muligheder bruger organosolv processer lavkogende organiske opløsningsmidler, normalt i kombination med vand. Velkendte varianter af denne proces omfatter Alcell-processen, som bruger 50% ethanol, og Organocell-processen, som bruger methanol i første trin og tilføjer NaOH i andet trin. Syre organosolv processer, der bruger myresyre eller eddikesyre er også beskrevet2. På grund af det nylige fokus på valorisering af lignin som et vigtigt bioraffinaderiprodukt er der udviklet nye metoder, som kombinerer bruninudvinding med efterfølgende eller integrerede omdannelsestrin for at give mindre ligninforbindelser og mere stabile og værdifulde produkter6,7,8.

OrganoCat lignocellulosefraktioneringsprocessen (OrganoCat) er baseret på et tofaset system af vand og 2-methyltetrahydrofuran (2-MTHF)9. Derudover anvendes en genanvendelig organisk syre som katalysator, som selektivt hydrolyser hemicelluloses ved milde temperaturer. Alle proceskemikalier kan produceres på en relativt billig og biogen måde, hvilket sænker processens miljøpåvirkning i overensstemmelse med principperne i grøn kemi10. Processen leverer tre separate produktstrømme med lignin i den organiske fase, depolymeriseret hemicellulosesukker i vandige fase og celluloseberiget pulp som en fast rest. Da produktstrømmene let kan adskilles, kan downstream-trin, energiefterspørgsel og materialeomkostninger reduceres betydeligt sammenlignet med for eksempel monophasiske tilgange. Lignin har en relativt lav molekylvægt og et stort antalβ-O-4-koblinger11. Depolymeriserede hemicellulosesukker kan anvendes til gæring eller omdannelse til fine kemikalier12. Cellulosemassen er meget tilgængelig for enzymatisk depolymerisering9.

Den oprindelige OrganoCat proces bruger oxalsyre som katalysator til at fraktionere lignocellulose. Oxalsyre kan derefter genvindes ved krystallisering9. Dette øger dog procesomkostningerne ved afkøling af reaktionen og den delvise fordampning af vand. Den delvise nedbrydning af oxalsyre vil mindske indtægterne yderligere13. Af denne grund blev OrganoCat-processen forbedret ved at indføre 2,5-furandicarboxylsyre (FDCA) som katalysator11. FDCA er ikke kun tilstrækkeligt sur til at katalysere reaktionen, men kan også udledes af glukose via dehydrering til 5-hydroxymethylfurfural og efterfølgende oxidation med metalbaserede katalysatorer eller biokatalysatorer14,15,16,17. Selv om surhedsgraden af FDCA er lidt lavere, det har en højere termisk stabilitet end oxalsyre. FDCA har en lav opløselighed i vand ved stuetemperatur, hvilket gør det muligt at komme sig helt fra den vandige fase efter reaktionen.

En opskalering af OrganoCat-processen blev med succes udviklet til en 3 L reaktor18. Yderligere undersøgelser af OrganoCat lignin viste, at antisolvent nedbør med n-hexan eller n-pentane muliggør en energieffektiv bruningenvinding19. Det var muligt at få lignin fraktioner med forskellige molekylvægte20. Dette papir præsenterer den fulde præparative metode til en skalerbar, et-trins fraktioneringsproces af lignocellulosisk biomasse ved hjælp af FDCA som katalysator. Denne proces giver ekstraheret lignin, depolymeriserede hemicelluloses og cellulosemasse i tre let separable produktstrømme.

Protocol

BEMÆRK: Processen kan sættes på pause når som helst ved at lade prøverne være ved stuetemperatur (i et par dage) eller i køleskabet (i længere perioder). Se materialetabellen for at få flere oplysninger om de materialer, der anvendes i denne protokol.

1. Bøgetræpartikler

  1. Generer den ønskede partikelstørrelse af bøgetræ (Fagus sp.) ved hjælp af en skæremølle med en 10 mm sigte, og tør partiklerne ved 50 °C til konstant masse (~ 24 timer), hvilket efterlader et resterende fugtindhold på ~ 10% vand.

2. Lignocellulosisk fraktionering og oprustning

  1. Lignocelluloseforbehandling og fraktionering
    1. 500 mg bøgetræ (Fagus sp.)partikler og 78,0 mg FDCA i 5 mL ultrapurt vand ved stuetemperatur i en højtryksreaktor i rustfrit stål på 25 mL. Tilsæt 5 mL 2-MTHF og en omrøringsstang til suspensionen, og luk reaktoren. Reaktoren opvarmes til 160 °C på en varmeplade med en omrøringshastighed på 1500 omdrejninger i 1 time.
    2. Lad reaktionen køle ned til stuetemperatur i isvand over en periode på ~ 10 min. Åbn reaktoren, tilsæt 52,5 μL NaOH-opløsning (50 wt% NaOH i destilleret vand), og rør i 15 min ved stuetemperatur og 500 rpm på en omrøringsplade.
  2. Isolering af organisk fase og kvantificering af lignin
    1. Centrifuge blandingen (stuetemperatur, 5 min, 1880 × g). Brug en pipette til at overføre den organiske fase (2-MTHF) til en 50 mL rundbundet kolbe.
    2. Fordamper den organiske fase i en roterende fordamper (40 °C, 200 omdr./min., 180 mbar), indtil der er opnået en fast og tør ligninfraktion. Bestem ligninudbyttet ved vejning med en analytisk balance. Opbevar den faste lignin ved stuetemperatur til yderligere analyse.
  3. Adskillelse af fast celluloseberiget pulp og vandig fase
    1. Filtrer den vandige fase ved hjælp af et cellulosefilterpapir (17-30 μm porestørrelse) i en tragt for at isolere den celluloseberigede pulp, og overfør vandig fase til et 5 mL-hætteglas. Vask pulpen indtil neutral pH med 3 x 25 mL vand, og opbevar vaskeopløsningen separat i et 100 mL bægerglas. Pulpen tørres ved 80 °C til konstant masse (~24 timer).
    2. Bestem det tørrede pulpudbytte ved at veje med en analytisk balance.
  4. FDCA opsving og isolering af vandig fase
    1. pH i vandig fase og vaskeopløsningen justeres separat fra trin 2.3 separat under konstant omrøring til pH 1 ved hjælp af koncentreret HCl, mens opløsningen afkøles i et isbad. Styre pH-virksomheden ved hjælp af universelt indikatorpapir.
    2. Filtrer det bundfaldne faste stof (FDCA) fra begge opløsninger, kombiner resterne, og tør ved 80 °C til konstant masse (~24 timer). Kassér vaskerne. Bestem FDCA-udbyttet ved at veje med en analytisk balance.
    3. Vandig fase overføres til en 25 mL kolbe, og opbevar den ved 4 °C til analyse.
  5. Prøveforberedelse til furfural kvantificering
    1. Udfør et separat eksperiment for at bestemme mængden af furfural. Gentag trin 2.1.1-2.2.1.
    2. Tilsæt 40 mg n-decane som en intern standard til den indsamlede organiske opløsningsmiddelfraktion, og opbevar til analyse.

3. Analyse

  1. Analyse af sukker i vandig fase ved højtydende anion-udveksling kromatografi med pulserende amperometrisk detektion (HPAEC-PAD)
    1. 10 μL af den vandige fase opsamlet i trin 2.4.3 med 190 μL destilleret vand. Der tilsættes 10 μL på 2 mM 2-deoxy-D-glucose til den fortyndede prøve.
    2. Adskillelsen af monosaccharider på en monosaccharidseparatorsøjle med en strømningshastighed på 0,5 mL∙min-1, og indsprøjt prøven efter ækvilibrering med 2 mM NaOH i 10 min. Adskil de neutrale sukkerarter med 2 mM NaOH over 18 min. Derefter skal du bruge 550 mM NaOH i 10 min til at adskille uronsyrerne. Skyl kolonnen med 800 mM NaOH i 10 min.
      BEMÆRK: Softwaren normaliserer mængden af monosaccharider til mængden af den interne standard og kvantificerer dem ved hjælp af standardkalibreringskurver for de forskellige monosaccharider.
  2. Lignin analyse via 1H-13C heteronuklear enkelt kvante korrelation nuklear magnetisk resonans (1H-13C-HSQC NMR)
    1. ~50 mg lignin opløses i 0,5 mL deuteret dimethylsulfoxid ([d6] DMSO), og blandingen overføres til et NMR-rør. Udfør 1H-13C HSQC (måletid 220 min) NMR-målinger ved hjælp af et 400 MHz spektrometer.
    2. Bestem de typer af forbindelser, der findes i lignin ved hjælp af spektret.
      1. Reference til det kemiske skift af spektret til DMSO-signalet (δ(1H) = 2.500 ppm; δ(13C) = 39,52 ppm).
      2. Udfør en manuel fasekorrektion på begge akser, indtil alle signalerne er positive, og udfør derefter en oprindelig korrektion.
      3. Integrer signalerne fra de aromatiske enheder og ligninens forbindelser; se tabel 1 for de kemiske skift.
    3. Beregn summen af de aromatiske enheder (arom.) ved hjælp af følgende formel:
      Σ(arom.) = (S2,6 / 2) + ((G2 + G5) / 2) + (H2,6 / 2) (1)
      Med Si er integreret over signalet svarende til 2 og 6 syringyl protoner, Gi er integrals over de signaler, der svarer til 2 og 5 guaiacyl protoner, og Hi er integreret over signalet svarende til 2 og 6 p-hydroxyphenyl protoner.
    4. Beregn procentdelen af hver enhed ved hjælp af følgende formler:
      S = (S2,6/ 2) / Σ(arom.) × 100% (2)
      G = ((G2 + G5) / 2) / Σ(arom.) × 100% (3)
      H = (H2,6 / 2) / Σ(arom.) × 100% (4)
      Med S, G og H er procentdelen af respektive monomerer-syringyl- (S), guaiacyl- (G) og p-hydroxyphenyl (H)-monomer enheder pr 100 monomer enheder.
    5. Beregn antallet af forbindelser pr. 100 enheder ved hjælp af følgende formler:
      β-O-4 forbindelser = α β-O-4 / Σ (arom.) × 100% (5)
      forbindelser = (α β-β + β β-β + γ β-β) / Σ(arom.) × 100 % (6)
      forbindelser = (α β-5 + β β-5 + γ β-5) / Σ(arom.) × 100% (7)
      Med α, β og γ som integreret over signalet, der svarer til α- og β- og γ-protonsignalerne i de tilsvarende β-O-4-, β-β- og β-5-forbindelser.
      BEMÆRK: Forbindelser er angivet som kobling pr. 100 monomerenheder. På grund af overlapning af toppe beregnesβ-O-4 kun ved hjælp af α protonsignal. β-β og β-5-forbindelser beregnes ved hjælp af alle signaler fra den tilsvarende forbindelse.
  3. Gel permeation kromatografi (GPC) analyse
    1. 10 mg tørret lignin og 1 mg glukose (som intern standard) opløses i 1 mL af en 0,1 M NaOH og 0,01 wt% NaN3 vandig opløsning i en 1,5 mL gaskromatografi (GC)-hætteglas. Luk GC-hætteglasset med en hætte med septum.
    2. Prøvens 100 μL indsprøjtes i et højtydende HPLC-system (Liquid Chromatography), der er udstyret med en ultraviolet detektor, og som overvåger en bølgelængde på λ = 280 nm. Brug et system bestående af et forkogt programmeret temperatur split/splitless injektorsystem med polar silica (8 mm x 50 mm) og tre gelsøjler (8 mm x 300 mm, partikeldiameter: 5 μm, nominel porebredde: 1000 Å) med en strømningshastighed på 1 mL min-1. Henvis de indhentede data til signalet fra den interne standard (glukose). Massefordelingen beregnes ved hjælp af softwaren, der refereres til en ekstern kalibrering med poly(styren sulfonat) i et interval fra 266 til 65000 Da.
  4. Furfural kvantificering via GC
    1. Tilsættes 20 mg n-decane som intern standard til den organiske fase af OrganoCat-forbehandlingen. Overfør 1 mL af den organiske fase til et 1,5 mL GC-hætteglas.
    2. 1 μL af denne opløsning i en gaskromatograf med en 30 m søjle med en polar polyurethanglykolsk stationær fase og helium som bæregas med en strømningshastighed på 1,5 mLmin-1 og en flammeioniseringsdetektor. Indstil den oprindelige temperatur til 50 °C, hæv derefter med 8 °Cmin.-1 til 250 °C, og hold den ved 250 °C i 5 min.
    3. Kvantificer furfural ved hjælp af de integrals (int) givet af softwaren og en eksternt beregnet korrektionsfaktor (jf. ).
      1. Der fremstilles en prøve på 1 mg furfural og 5 mg n-decane i 1 mL 2-MTHF, og den injiceres i GC ved hjælp af ovennævnte procedure. Beregn korrektionsfaktoren på følgende måde:
        cf = (Int(n-decane) / m(n-decane)) / (Int(furfural) / Int(furfural)) (8)
      2. Brug korrektionsfaktoren til at beregne mængden af furfural i den ukendte prøve med følgende formel:
        m(furfural) = m(n-decane) / Int(n-decane) × jf. × Int(furfural) (9)
  5. Celluloseberiget pulphydrlyse
    1. Pulphydrlyse af celluloseberigede restprodukter fra OrganoCat-forbehandling i en varmeblok med blanding (se materialetabellen)ved hjælp af 1,5 ml hætteglas.
    2. Der tilsættes 20 mg celluloseberiget pulp og 10 μL cellulase (60 filterpapirenheder (FPU) mL-1 og 82 cellobiaseenheder (CBU) mL-1) til 1 mL citratbuffer (pH = 4,5) i et 1,5 mL-hætteglas og rystes ved 50 °C i 0 h, 1 h eller 72 timer. Derefter opvarmes prøverne til 99 °C i 10 min. for at denaturere enzymerne.
    3. Bestem glukosekoncentrationen ved hjælp af et glukose (hexokinase) assay kit.

Representative Results

Et typisk sæt betingelser for lignocelluloseforbehandlings- og fraktioneringsprocessen OrganoCat (OrganoCat) anvender 0,1 M FDCA som katalysator, en biomassebelastning på 100 g L-1 (bøgetræ sammenlignet med den vandige fase), 1 h reaktionstid og 160 °C som reaktionstemperatur. Sammensætningen af bøgetræ er blevet offentliggjort andetsteds21 (~ 48% cellulose, 27% hemicellulose, 26% lignin). Figur 1 viser den ekstraherede hemicellulosehydrolysat med dette sæt betingelser samt længere reaktionstid (3 timer) og lavere temperatur (140 °C).

Ved hjælp af hårdere forhold, f.eks.højere temperatur og længere reaktionstid, kan det føre til højere ekstraktionsudbytte, men fører også til mere nedbrydning af de produkter-furfural er et nedbrydningsprodukt af xylose, mens 5-(hydroxymethyl)furfural (5-HMF) er det tilsvarende nedbrydningsprodukt af glukose. Der blev konstateret en større mængde furfural i produkterne (fordelt mellem vandige og de organiske faser) med en reaktionstid på 3 timer ved 160 °C. Da sukkerforringelsesprodukterne er meget reaktive og har tendens til at danne humins-oligomerer af furaner og sukkerarter- kan den kortere reaktionstid ved højere temperatur betragtes som et godt kompromis mellem høj ekstraktionseffektivitet og lav sukkerforringelse.

Mængden af udvundet lignin er også direkte relateret til reaktionstemperaturen og tiden. Figur 2 viser mængden af lignin udvundet, indholdet af βO-4-kobling og massegennemsnittet molarmasser af de udvundne ligniner. Mens det ekstraherede ligninudbytte stiger med længere reaktionstid, reduceres antallet af intakteβ- O-4-forbindelser med ca. halvdelen, når der reageres i 3 timer i stedet for 1 time. Sænkning af reaktionstemperaturen fra 160 °C til 140 °C har en meget lavere indvirkning på lignin, hvilket resulterer i lidt mindre udbytte, mindre massegennemsnits molarmasse og højereβ- O-4-indhold.

Da enzymatisk hydrolyse af (lingo-)cellulose er en almindelig indikator for pulping effektivitet, en kommerciel cellulose cocktail blev anvendt til de forskellige OrganoCat pulps som følge af ovennævnte OrganoCat reaktion tilstand sæt (Figur 3). Da cellulasen ikke er optimeret til substraterne, kan den samlede cellulosekonvertering ikke sammenlignes med den nyeste ydeevne; Det giver dog mulighed for sammenligning af de forskellige pulper med hinanden. Den længere reaktionstid udviser en betydelig indvirkning på den oprindelige reaktionstid og glukoseudbyttet efter 72 timer, hvilket forbedres med en faktor på ~ 2,5. Sænkning af temperaturen synes at vise en meget mindre virkning, hvilket indebærer, at den vigtigste faktor, der forårsager forskellene i enzymatisk fordøjelighed inden for denne behandling, er graden af indignering.

Figure 1
Figur 1: Sukkerudvinding og furfural produktion i OrganoCat-processen med 0,1 M 2,5 furandicarboxylsyre som katalysator og 100 g L-1 bøgetræ (sammenlignet med vandig fase) ved forskellige reaktionstemperaturer og -tider som angivet på x-aksen11. Alle eksperimenter er udført i tredobling. Gennemsnittet vises med standardafvigelsen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Mængde og analyse af lignin udvundet ved OrganoCat-proces med 0,1 M 2,5 furandicarboxylsyre som katalysator og 100 g L-1 bøgetræ (sammenlignet med vandig fase) ved forskellige reaktionstemperaturer og -tider som angivet på x-akse11. Lignin udbyttet er beregnet i tredotel. Gennemsnittet vises med standardafvigelsen. Molekylær masse og forbindelser blev afledt af repræsentative enkeltforsøg. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Enzymatisk hydrolyse af pulper. Glukose giver efter 72 timer (blå stænger) og reaktionshastigheder inden for den første time (grå stænger) fra hydrolysen af ubehandlet bøgetræ og celluloseberigede pulper fremstillet af OrganoCat med 0,1 M 2,5 furandicarboxylsyre som katalysator og 100 g L-1 bøgetræ (sammenlignet med den vandige fase) ved forskellige reaktionstemperaturer og -tider som angivet på x-aksen. Cellulase blev påført de forskellige substrater ved 50 °C i op til 72 timer i angerbuffer (pH 4.5)11. Alle eksperimenter er udført i tredobling. Gennemsnittet vises med standardafvigelsen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Enhed Skift δ (1H)(13C) Kobling Skift δ (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)

Tabel 1: Kemiske forskydninger bestemt af 1H-13 C heteronuklear enkelt kvantekorrelation nuklear magnetisk resonans (1H-13C-HSQC NMR) for forskellige forbindelser i lignin. Forkortelser: S = syringylenhed, G = guaiacylenhed, H = p-hydroxyphenylenhed.

Discussion

Den beskrevne fraktionering af lignocellulose viser en afvejning mellem hemicellulose hydrolyse effektivitet og selektivitet for at undgå sukker nedbrydning til furaner, afhængigt af reaktionstid og temperatur (Figur 1). Ligninudvinding blev ligeledes påvirket af de barskere forhold. Især reduktionen af β-O-4-forbindelser og forbedring af massegennemsnits molekylvægt på grund af rekognoscering ved højere temperatur og reaktionstid understreger dette kompromis, der skal foretages. Udvælgelsen af reaktionstid og temperatur er derfor et kritisk skridt i denne lignocellulosefraktioneringsproces. Da effektiviteten af enzymatisk hydrolyse synes at være for det meste bestemt af vildværdigelse i FDCA-katalyseret OrganoCat proces, de hårdeste forarbejdningsbetingelser giver den mest tilgængelige papirmasse. Andre variationer af processen9,11,18,22, f.eks. ved hjælp af forskellige katalysatorer, viser, at katalysatorens styrke og den endelige pH-fejl i den reaktive løsning har den stærkeste effekt på proceseffektiviteten. Ændringer af proceduren, f.eks.preswelling med fosforsyre, har vist sig at have en gavnlig virkning samt22. På grund af sorten i sammensætning skal processen dog optimeres, afhængigt af de forskellige råvarer21. I betragtning af den samlede procesydelse skal downstream-rensning af de adskilte fraktioner overvejes, hvorfor selektivitet spiller en stor rolle. Sammenlignet med andre organosolv-lignende processer bruger OrganoCat et bifasisk vand/2-MTHF-system, som giver de vigtigste komponenter i tre relativt enkle, separate vandløb. På denne måde kan yderligere nedstrøms- og deraf følgende energi - og udstyrsomkostninger reduceres13,18.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev udført som en del af Cluster of Excellence "Tailor-Made Fuels from Biomass" og "Fuel Science Center", som er finansieret af Excellence Initiative of the German Research Foundation for at fremme videnskab og forskning på tyske universiteter samt en del af Bioeconomy Science Center (BioSC), støttet i projektet AP³ Focus Lab. Bioeconomy Science Centers videnskabelige aktiviteter blev støttet økonomisk af Ministeriet for Innovation, Videnskab og Forskning inden for rammerne af NRW Strategieprojekt BioSC (nr. 313/323-400-002 13).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Aro, T., Fatehi, P. Production and application of lignosulfonates and sulfonated lignin. ChemSusChem. 10 (9), 1861-1877 (2017).
  4. Kai, D., et al. Towards lignin-based functional materials in a sustainable world. Green Chemistry. 18 (5), 1175-1200 (2016).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Liao, Y., et al. A sustainable wood biorefinery for low-carbon footprint chemicals production. Science. 367 (6484), 1385-1390 (2020).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Anastas, P. T. Meeting the challenges to sustainability through green chemistry. Green Chemistry. 5 (2), 29-34 (2003).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Domínguez de María, P., Guajardo, N. Biocatalytic valorization of furans: opportunities for inherently unstable substrates. ChemSusChem. 10 (21), 4123-4134 (2017).
  18. Grande, P. M., et al. Fractionation of lignocellulosic biomass using the OrganoCat process. Green Chemistry. 17 (6), 3533-3539 (2015).
  19. Holtz, A., et al. Process development for separation of lignin from OrganoCat lignocellulose fractionation using antisolvent precipitation. Separation and Purification Technology. 236, 116295 (2020).
  20. 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).
  21. Weidener, D., et al. Multiscale analysis of lignocellulose recalcitrance towards OrganoCat pretreatment and fractionation. Biotechnology for Biofuels. 13 (1), 155 (2020).
  22. Weidener, D., et al. Lignocellulose fractionation using recyclable phosphoric acid: lignin, cellulose, and furfural production. ChemSusChem. 14 (3), 909-916 (2020).

Tags

Kemi Udgave 172 Lignocellulose pulping bioraffinaderi OrganoCat lignin grøn kemi fraktionering forbehandling
Fraktionering af lignocellulosisk biomasse ved hjælp af OrganoCat-processen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Schoofs, L., Weidener, D., Schurr,… More

Schoofs, L., Weidener, D., Schurr, U., Klose, H., Grande, P. M. Fractionation of Lignocellulosic Biomass using the OrganoCat Process. J. Vis. Exp. (172), e61933, doi:10.3791/61933 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter