Introduction
la domanda di energia dell'umanità riunioni in modo sostenibile è una delle più grandi sfide che la nostra civiltà deve affrontare. Il consumo di energia è previsto a raddoppiare nei prossimi 50 anni, mettendo maggiore pressione sulle risorse di combustibili fossili. 1 L'accumulo di gas ad effetto serra (GHG) nell'atmosfera attraverso l'uso di combustibili fossili diffuso è particolarmente problematico, come CO 2 generata dalla combustione di combustibili fossili è responsabile del 50% dell'effetto serra di origine antropica. 2 Pertanto, applicazione su vasta scala di tecnologie neutrali rinnovabili e di carbonio è essenziale per soddisfare le aumentate esigenze energetiche e materiali delle generazioni future. 1, 3
Pianta biomassa è la fonte rinnovabile più versatile, in quanto può essere utilizzato per produrre calore, elettricità nonché sostanze chimiche a base di carbonio, materiali e combustibili. vantaggi principali di biomassa lignocellulosica rispetto ad altri tipi di biomassa sono la sua abbondanza, possibilità per gli alti rendimenti peR zona di terra e spesso molto più alti di CO 2 le riduzioni delle emissioni, che comprende alta ritenzione del carbonio nel suolo. 4, 5 Ulteriori vantaggi di utilizzare biomasse comprendono disponibilità locale, bassi requisiti di capitale per convertire la biomassa in energia, e la prevenzione dell'erosione del suolo. 8
I principali produttori di materie prime lignocellulosici sono l'industria forestale e del settore agricolo nonché la gestione dei rifiuti urbani. 6 produzione lignocellulosa ha il potenziale per essere ampliato, con una mente a limitare la deforestazione e di evitare la sostituzione delle colture alimentari e rilascio di eventuali sostanze inquinanti. 7 per biomassa rinnovabile a diventare una causa diffusa vitale di carburanti per il trasporto liquidi e sostanze chimiche, la sua trasformazione deve diventare economicamente competitive rispetto alle tecnologie di conversione dei combustibili fossili. 9, 10 una chiave per raggiungere questo obiettivo è di aumentare la resa e la qualità dei prodotti intermedi derivati da biomassa, riducendo costo. </ P>
Lignocellulosa contiene una elevata percentuale di zuccheri che possono essere convertiti in combustibili e prodotti chimici con conversioni catalitiche e microbiche. 11 Questi zuccheri sono presenti in lignocellulosa in forma polimerica come cellulosa ed emicellulosa. Essi possono essere idrolizzate in glucosio e altri zuccheri monomeri e poi utilizzati per produrre bioetanolo e altri prodotti chimici bio-derivato e solventi. 12
Per accedere gli zuccheri cellulosici, pretrattamento della biomassa è necessario attraverso fisici, chimici o processi combinati. 4 Il pretrattamento è probabilmente il passo più costosa nella valorizzazione di biomassa lignocellulosica. Di qui la ricerca di miglioramento dei processi di pretrattamento è imperativo.
Varie tecnologie di pretrattamento sono disponibili. Di particolare interesse sono quelli che separano la lignina dalla cellulosa (pretrattamento fractionative). Lignina, il terzo componente principale inlignocellulosa, limita l'accesso degli agenti di cellulosa ed emicellulosa idrolisi e riduce la resa di zucchero per tonnellata di materia prima. 11 La lignina separato può essere utilizzato come un bioraffineria ulteriore intermedia se è isolato in qualità adatta. 13 Un processo fractionative è il processo Kraft che è il pretrattamento più comune per la produzione di carta / cellulosa. In Kraft macero, trucioli di legno sono posti in una miscela di idrossido di sodio e solfuro di sodio e riscaldato a temperature elevate di circa 170 ° C sotto alta pressione. 14 Le reazioni alcaline rimuovono emicellulosa e lignina rompendo i polimeri giù per brevi frammenti via nucleofilo e catalisi basica, e cancellando i frammenti lignina via de-protonazione fenolici gruppi idrossile / alcool. Un altro processo delignificazione comune è il processo Organosolv che frammenta e si dissolve anche la lignina ed emicellulosa. Invece di utilizzare un aqueo alcalinasoluzione ci, solventi organici quali etanolo ed acido acetico sono usati ad alte temperature comprese tra 160-200 ° C e pressioni 5-30 bar. Organosolv pretrattamento ha alcuni vantaggi rispetto Kraft macero in quanto produce meno inquinamento dell'aria e dell'acqua. 15 Entrambi i processi in possesso di alcune sfide economiche, se utilizzato per la produzione di sostanze chimiche e combustibili, piuttosto che di cellulosa. 16 Il pretrattamento Ionosolv utilizza liquidi ionici, che sono sali che hanno punti di fusione inferiori a 100 ° C e, come risultato della loro potenti interazioni coulombiano, molto basse pressioni di vapore. 17 Questo elimina l'inquinamento dell'aria nel processo di pretrattamento, e permette l'elaborazione in prossimità o pressione atmosferica.
Mentre la maggior parte ILs vengono creati in laboriose, sintesi multi-step, ILs protici possono essere sintetizzati in un unico passaggio da prodotti chimici di base, che li rende meno costoso; si stima che alcuni ILs potrebbero essere prodotti su scala di massa per unprezzo di $ 1,24 per kg che è paragonabile ai solventi organici comuni quali acetone e toluene. 18 La possibilità di riciclare e riutilizzare questi ILs personalizzabili in un processo che opera a temperature relativamente basse e pressioni rende questo un più benigno alternativo e un candidato economicamente interessante per bioraffinazione.
Questo protocollo video dettagliato illustra una versione scala di laboratorio del processo Ionosolv per la delignificazione di biomassa lignocellulosica e l'eventuale saccarificazione enzimatica della polpa ricca di cellulosa e il recupero di una elevata purezza lignina inodore. 19
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Protocol
Nota: I liquidi ionici protici utilizzati nel processo sono sintetizzati nel nostro laboratorio, anche se alcuni potrebbero essere o diventare disponibile in commercio. I liquidi ionici risultanti sono acide e corrosive e probabilmente irritanti per la pelle / occhi (a seconda della ammina utilizzata), e devono quindi essere maneggiati con cura indossare DPI adeguati (camice, occhiali di sicurezza, guanti resistenti).
1. Preparazione
- Preparazione e conservazione della biomassa lignocellulosica
- Ottenere la biomassa lignocellulosica prima dell'esperimento in quantità sufficiente, ad esempio 100 g fino a 5 kg.
Nota: Ogni esperimento richiede almeno 3 g di biomassa (1 g ciascuna in triplice copia). - Ridurre il contenuto di umidità poco dopo la raccolta e lo stoccaggio della biomassa in forma essiccata in laboratorio. Aria secca della biomassa diffondendo la biomassa su un tavolo o banco e lasciandolo per 2 settimane o fino a quando appare secca. Spostare e ruotare la biomassa durante til suo tempo per accelerare il processo. Eseguire gli esperimenti di frazionamento entro un anno dalla vendemmia.
Nota: Direttamente dopo la raccolta, la biomassa legnosa può contenere fino al 50% in peso di umidità, mentre l'aria essiccata biomassa, che è più stabile, contiene 5-12% in peso di umidità. - Macinare e setacciare la biomassa di una selezionata gamma di dimensioni delle particelle. Conservare la biomassa essiccata in sacchi di plastica o altri contenitori adatti fino al momento dell'uso.
Nota: per i piccoli campioni trattati in questo protocollo, si consiglia una dimensione delle particelle ridotta, per esempio 180-850 micron.
- Ottenere la biomassa lignocellulosica prima dell'esperimento in quantità sufficiente, ad esempio 100 g fino a 5 kg.
- Determinazione del contenuto di umidità della biomassa (secondo il protocollo NREL) 20
- Per determinare il contenuto di umidità della biomassa, preweigh un pezzo di foglio di alluminio (dimensioni circa 5 cm x 5 cm) su una bilancia analitica e registrare il peso della lamina (m lamina). Pesare circa 100 mg di aria secca biomassa sul foglio di alluminio e registrare l'esatto air-driPeso Ed (m ADW).
- Piegare il foglio di alluminio per fare un pacchetto e posto in un forno ventilato a 105 ° C per una notte (almeno per 4 ore).
- Prendere il pacchetto fuori e metterlo immediatamente in un essiccatore per 5 minuti, poi pesare immediatamente il pacchetto e registrare il peso esatto del peso essiccato in forno più foil (m ODW + lamina). Calcolare il contenuto di umidità (in%) del BM biomassa mc secondo l'equazione 1:
Eq. 1
Dove m ODW + pellicola è il peso del pacchetto essiccato in forno (biomassa forno essiccati inclusa stagnola), m lamina è il peso della pellicola e m ADW è il peso di aria secca della biomassa. Tutti i pesi devono essere o in g oppure in mg.
- Sintesi di liquidi ionici
- In una cappa aspirante o bass-reflex, pesare 1 moledell'ammina (trietilammina) in un 1 L pallone a fondo tondo con ancoretta magnetica. Collocare la beuta in un bagno di ghiaccio su un piatto agitatore magnetico. Aggiungere immediatamente 250 ml imbuto per minimizzare l'evaporazione dell'ammina.
Nota: Assicurare l'acido corretta: il rapporto di base è di grande importanza per il raggiungimento riproducibilità degli esperimenti di pretrattamento. - Misurare 1 mole di acido solforico con una soluzione di concentrazione nota (in questo esempio 5 mol / L) e un pallone volumetrico (200 ml). Trasferire solforico nell'imbuto aggiunta e risciacquare qualsiasi acido aderente alle pareti del pallone volumetrico nell'imbuto Inoltre con acqua deionizzata.
- Aggiungere goccia a goccia acido solforico al ammina agitando vigorosamente. Assicurarsi che la soluzione non si riscalda, in quanto ciò comporterebbe ebollizione dell'ammina e un rapporto imprecisa di acido base. Risciacquare l'interno del imbuto con acqua deionizzata per assicurare l'acido viene trasferito quantitativamente.
Nota: Lotti maggiore di soluzione liquido ionico possono essere effettuate aumentando la quantità di acido solforico e ammina e volume del flacone di conseguenza. - Evaporare la maggior parte dell'acqua utilizzando un evaporatore rotante. Il contenuto di acqua deve essere inferiore al contenuto di acqua necessaria per il pretrattamento.
Nota: Non è necessario asciugare completamente il liquido ionico. Può essere utile lasciare acqua nel liquido ionico, come alcuni liquidi ionici secchi, inclusa solfato trietilammonio idrogeno, sono solidi a temperatura ambiente. Un liofilizzatore può anche essere utilizzato per ridurre il contenuto di acqua.
- In una cappa aspirante o bass-reflex, pesare 1 moledell'ammina (trietilammina) in un 1 L pallone a fondo tondo con ancoretta magnetica. Collocare la beuta in un bagno di ghiaccio su un piatto agitatore magnetico. Aggiungere immediatamente 250 ml imbuto per minimizzare l'evaporazione dell'ammina.
- Conferma e la regolazione del contenuto di acqua della soluzione IL
Nota: Il contenuto di acqua è una variabile importante sperimentale. Ci sono tre fonti che l'acqua nella miscela di pretrattamento può venire da. Tutti loro devono essere presi in considerazione: (1) l'acqua contenuta nella soluzione liquido ionico sintetizzati o acquistati (2) l'acqua contenuta in tegli biomassa di aria secca e (3) senza aggiunta di acqua con una pipetta per ottenere il contenuto finale di acqua desiderata.- Determinare il contenuto d'acqua della soluzione di liquido ionico sintetizzati o acquistati da volumetrica la titolazione di Karl Fischer secondo le istruzioni del costruttore titolatore. Aggiungere poche gocce di IL nel titolatore utilizzando una siringa pre-pesato. Inserire il peso del liquido aggiunto nel titolatore e attendere che il titolatore mostra una lettura. Registrare il contenuto di acqua.
- Decidere un contenuto di acqua per il pretrattamento della biomassa. In questo esperimento, utilizzare il 20% in peso. Ridurre il contenuto di acqua 5% in peso al di sotto del contenuto di acqua desiderata con un evaporatore rotante e confermare il nuovo contenuto di acqua da parte di Karl Fischer titolazione come descritto in 1.4.1.
Nota: Buoni risultati si ottengono con acqua 20% in peso; tuttavia questo non può essere sempre ottimale per pretrattamento. Un contenuto di acqua superiore può essere scelto in modo da ridurre i costi di solvente o minore viscosità.
<li> I calcoli per l'esperimento. - Decidere la quantità di ionica soluzione liquida m sol, finale e una biomassa-a-solvente il rapporto BM / sol finale. Qui, utilizzare 10 g di soluzione di liquido ionico contenente il 20% in peso di acqua e un rapporto biomassa-to-solvente 1:10 g / g.
Nota: I tubi utilizzati in questo protocollo può ospitare fino a 18 g di soluzione IL se la biomassa di solvente il rapporto è di 1:10 (peso / peso). Un alto rapporto biomassa-to-solvente (fino a 1: 2 o 1: 1) è favorevole dal punto di vista economico, ma potrebbe compromettere l'efficacia pretrattamento su piccola scala. - Determinare la quantità di liquido ionico (privo di acqua) necessario per ciascun campione secondo la seguente equazione 2:
Eq. 2
Dove m IL è la quantità di liquido ionico in grammi, m sol, finale è la quantità desiderata di soluzione liquida ionico in grammi, e wc finale </ Sub> è il contenuto di acqua desiderato (in%) nella soluzione di liquido ionico. - Successivamente, calcolare la quantità di soluzione liquido ionico sintetizzati o acquistati da aggiungere in ciascuna provetta pressione secondo la seguente equazione 3:
Eq. 3
Dove m sol è la quantità di soluzione da aggiungere in ogni provetta di pressione (in grammi), m IL è la quantità di liquido ionico richiesto (in grammi), e wc sol è il contenuto di acqua nella soluzione liquido ionico (in%) come determinato da titolazione Karl Fischer. - Determinare la quantità di biomassa (sostanza essiccato in forno) da aggiungere alla soluzione di liquido ionico usando l'equazione 4 qui sotto. In questo esperimento, usare 1 g di forno-essiccato Miscanthus biomassa per tubo di pressione.
Eq. 4
Dove ODW è la quantità di biomassa da aggiungereed in ogni provetta di pressione (in grammi), m sol, finale è la quantità desiderata di soluzione di liquido ionico (in grammi) e BM / sol finale è il rapporto desiderato di soluzione liquida biomassa-to-ionico. - Determinare il peso di biomassa essiccata che deve essere aggiunto nel tubo utilizzando la seguente equazione 5:
Eq. 5
dove ADW è il peso essiccato all'aria della biomassa da aggiungere nel tubo (in grammi), ODW è il peso della biomassa necessaria per l'esperimento (determinato in 1.5.4 in grammi) a forno e mc BM è il valore determinato 1.2.3. - Calcolare quanta acqua deve essere aggiunto con una pipetta per ottenere il contenuto di acqua finale desiderato secondo la seguente equazione 6:
Eq. 6
Dove m acqua è la quantità diacqua da aggiungere, wc finale è il contenuto di acqua desiderata nella miscela pretrattamento (qui 20% in peso), m sol.final è la quantità di solvente (qui 10 g), mc BM è il contenuto di umidità della biomassa essiccata , m BM è la quantità di biomassa essiccata da aggiungere, wc sol è il contenuto di acqua della soluzione di liquido ionico sintetizzati o acquistati, e m sol è la quantità di soluzione di liquido ionico.
Eq. 1 
Eq. 2 
Eq. 3 
Eq. 4 
Eq. 5 
Eq. 6 2. Pretrattamento
Nota: Il processo può essere interrotto in qualsiasi punto, lasciando i campioni a temperatura ambiente (per pochi giorni) o in frigorifero (per periodi più lunghi).
- Pre-pesare tre 15 ml tubi di pressione con tappi in teflon e anelli O silicone. Visivamente i tubi di pressione per assicurarsi che non hanno crepe o difetti.
Nota: tubi di pressione più grandi corrispondono ai liquidi più ionico e la biomassa può essere utilizzato se lo si desidera, anche se i risultati pre-trattamento non lo faràessere direttamente comparabili tra i campioni trattati in diverse dimensioni dei flaconi. Si consiglia l'uso di tappi anteriori di tenuta per una migliore tenuta. - Con una pipetta 10 ml, aggiungere la quantità richiesta di soluzione di liquido ionico nel tubo pressione permanente sulla scala. Utilizzare anelli di sughero per mantenere il tubo in piedi. Registrare il peso della soluzione liquido ionico aggiunto. Aggiungere la quantità necessaria di acqua alla soluzione determinata 1.5.6 con una pipetta, assumendo la densità dell'acqua ad 1 g / ml.
- Aggiungere la quantità necessaria di lignocellulosa essiccata mettendo un pezzo di foglio di alluminio (Misure 3 cm x 8 cm) su una bilancia, taratura la bilancia e prelevare la biomassa. Tarare la bilancia e aggiungere la biomassa al tubo. Posizionare il foglio vuoto di nuovo sulla bilancia e registrare la differenza.
Nota: In alternativa, possono essere utilizzate imbarcazioni di pesatura antistatici. - Chiudere il coperchio con un tappo in teflon con O-ring in silicone. Verificare la presenza di una buona tenuta, senza eccesso di serraggio. Registrare il peso del ptubi ressione contenenti biomassa e liquido ionico. Mescolare il contenuto della provetta con un agitatore vortex finché tutta la biomassa viene a contatto con il liquido ionico.
Nota: non tutti i materiali O-ring sopportare di essere in contatto con i liquidi ionici a temperatura elevata. Abbiamo scoperto che il silicone funziona bene. - Posizionare i tubi di pressione in un forno ventilato che è stato pre-riscaldato alla temperatura desiderata. Ad esempio, lasciare le provette per 8 ore a 120 ° C o per 1 ora a 150 ° C.
Nota: Il tempo e la temperatura sono importanti variabili sperimentali. Altri tempi - combinazioni di temperatura possono essere utilizzati. - Rimuovere le fiale dal forno con un guanto da forno e metterli in una cappa aspirante per lasciarli raffreddare a temperatura ambiente. Controllare il peso dei flaconi dopo raffreddamento per assicurare acqua sfuggito durante la cottura.
3. Lavare Pulp
- Trasferire il contenuto di ciascuna provetta in un tubo da 50 ml centrifuga con 40 ml di absolute etanolo. Agitare il tubo con un agitatore vortex per 1 min per mescolare bene e lasciare il tubo a temperatura ambiente per almeno 1 ora.
Nota: La separazione può essere effettuata anche utilizzando filtrazione, tuttavia, meno precisione può essere osservata per la dimensione del campione suggerita. - Agitare il tubo con un agitatore vortex per altri 30 sec, quindi centrifugare la provetta per 50 min a 2000 x g. liquido separato e solido da un'attenta decantazione. Raccogliere il liquido in un ambiente pulito da 250 ml rotonda pallone a fondo con ancoretta.
- Aggiungere 40 ml di etanolo fresco nel tubo e ripetere il punto 50 ml 3,2 di tre volte.
- Rimuovere l'etanolo dal liquido ionico posizionando il fondo arrotondato palloni su un blocco di riscaldamento. Collegare ciascuno di essi di una pompa a vuoto con una trappola a freddo. Riempire il sifone con ghiaccio secco e impostare il riscaldamento a 40 ° C. Accendere agitazione e pompa.
Nota: Questo esperimento utilizza un parallelo evaporatore set-up fatto in casa sulla base di una sintesi in parallelo di set-up. evaporatori paralleli possono anche essere purchascato ready-made. In alternativa, un evaporatore rotante può essere utilizzato.
- Rimuovere l'etanolo dal liquido ionico posizionando il fondo arrotondato palloni su un blocco di riscaldamento. Collegare ciascuno di essi di una pompa a vuoto con una trappola a freddo. Riempire il sifone con ghiaccio secco e impostare il riscaldamento a 40 ° C. Accendere agitazione e pompa.
4. Soxhlet Estrazione di Pulp
- Trasferire la polpa lavato bagnato in ditali di cellulosa ed etichettare ogni ditale con una matita.
- Riempire etanolo 150 ml assoluto in un ambiente pulito da 250 ml pallone con ancoretta a fondo rotondo. Inserire il ditale campione contenente in un 40 ml di estrazione Soxhlet, aggiungere un condensatore e installare tutto sul posto di lavoro di estrazione collegati in parallelo ad un refrigeratore a ricircolo.
Nota: Se l'etanolo è stato usato per trasferire la polpa, aggiungere solo la differenza a 150 ml al pallone a fondo tondo. - Quando tutti i campioni sono stati caricati, iniziare a mescolare, impostare la temperatura a 135 ° C e accendere il ricircolatore (impostazione della temperatura 18 ° C). Estrarre i campioni di pasta per 20 ore in totale.
- Spegnere il riscaldamento per consentire riflusso di venire a una battuta d'arresto. Quindi passare sia agitazione e rinfrescarsi. Prendete i ditali fuori dell'estrattore Soxhletcon una pinzetta e lasciare asciugare la polpa umida nella notte ditale in una cappa aspirante.
- Aggiungere il liquido dalla Soxhlet al liquido da lavaggio biomassa e continuare evapora l'etanolo dalla biomassa lavaggio con l'evaporatore parallela o evaporatore rotante a 40 ° C.
- Trasferire la polpa essiccata all'aria dal ditale su un pezzo di foglio di alluminio tarato su una bilancia analitica, registrare il peso essiccato all'aria della polpa estratta e trasferirlo in un sacchetto di plastica con etichetta. Cercate di recuperare tutto, mentre non raschiando il materiale ditale dal muro.
- Determinare il contenuto di umidità della pasta immediatamente per calcolare il rendimento del forno-essiccato (come indicato in precedenza al passo 1.4).
5. Isolamento lignina
- Quando tutto l'etanolo evaporato, precipitare la lignina trasferendo il liquido ionico dal pallone a fondo tondo in un tubo da centrifuga da 50 ml con 30 ml di acqua. Mescolare la sospensione e lasciare per almeno 1 ora.Centrifugare per 20 min a 2000 xg, e separare la soluzione dal solido per decantazione.
Nota: In questo protocollo, 3 equivalenti di acqua sono utilizzati come antisolvente. Meno antisolvente può essere utilizzato, se desiderato. I lavaggi possono essere raccolti, l'acqua rimossa e il liquido ionico recuperato all'uso ripetuto. - Aggiungere 30 ml di acqua distillata al pellet lignina all'interno del tubo da centrifuga. Ripetere la miscelazione, incubazione per 1 ora e centrifugazione. Ripetere questo passaggio per un totale di 3 lavaggi lignina.
- Essiccare la lignina all'interno del tubo da centrifuga usando un forno sotto vuoto ed un coperchio forato a 45 ° C per una notte. Per determinare la resa lignina, posizionare un pezzo di foglio di alluminio sulla bilancia, tarare il peso, aggiungere lignina dal forno e registrare il peso immediatamente. Trasferire la lignina in una fiala per la conservazione.
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Representative Results
La quantità esatta di rimozione lignina e lignina precipitazioni, recuperato polpa e rendimento glucosio dipendono dal tipo di biomassa utilizzata, la temperatura alla quale viene eseguito il trattamento e la durata del trattamento. tempi di pretrattamento brevi e basse temperature portano a pretrattamento incomplete, mentre a temperature superiori la cellulosa diventa instabile nel liquido ionico, portando ad idrolisi e la degradazione. Il liquido ionico selezionato gioca un ruolo importante nel risultato della procedura di frazionamento.
La figura 1 mostra la composizione del Miscanthus non trattata (erba) e pino (conifere), e il Miscanthus e polpa di pino ottenuto dopo pretrattamento con trietilammonio HSO 4 per 8 ore a 120 ° C (analisi composizionale è stata eseguita secondo il protocollo NREL). 21 è evidente dalla figura che Ionosolv pretrattamento a thcondizioni ESE hanno prodotto risultati diversi per i due tipi di biomassa. In caso di erba biomassa, la maggior parte della lignina e le emicellulose sono stati rimossi, mentre il pretrattamento di conifere rimosso principalmente le emicellulose e solo una piccola quantità di lignina. La differenza nel risultato del pretrattamento è equamente pronunciata quando le polpe recuperati sono stati sottoposti a saccarificazione enzimatica. 22 Mentre 77% del rilascio di glucosio teorica è stata ottenuta per Miscanthus, pino prodotto solo il 13%. La differenza di estrazione lignina è riflessa nei rendimenti lignina: 20% e il 5% del peso biomassa iniziale sono stati recuperati come lignina per Miscanthus e pino, rispettivamente.
La differenza nel risultato pretrattamento tra le due cariche è attribuito ai diversi tipi di lignina presente nelle erbe e conifere; il tipo lignina G di conifere è più recalcitrante e più difficile da rimuovere che l'erba lignina.
Figura 1. Composizione del Miscanthus e pino, prima e dopo pretrattamento con l'acqua [trietilammonio] [HSO 4] con il 20% in peso per 8 ore a 120 ° C. Ciò è stato determinato dalla procedura di analisi composizionale NREL. 21 Si prega di vedere di riferimento 21 per una altro protocollo dettagliato. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Lignina può essere caratterizzato da coerenza quantistica analisi eteronucleare (HSQC) NMR che mostra che legami eterei vengono scissi durante il pretrattamento mentre nuovi legami CC si formano. 19 È stato inoltre dimostrato che il peso molecolare, che può essere stimata mediante GPC, è molto inferiore a quello della lignina nativa. A volte pretrattamento più il peso molecolare aumenta a causa di reazioni di condensazione. Reazione della lignina con il liquido ionico è minimo come evidenziato da un aumento marginale del contenuto di zolfo e nessun aumento del contenuto di azoto della lignina nel tempo.
Ulteriori analisi può essere eseguita se di interesse. Analisi XRD della polpa di cellulosa recuperato mostra generalmente elevata cristallinità. 17 Il liquido liquido ionico recuperato può essere analizzato mediante HPLC per rilevare zuccheri disciolti e prodotti di degradazione della stessa. 23
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Discussion
La tecnica per frazionamento di biomassa lignocellulosica qui presentato produce una polpa ricca di cellulosa e un lignina. La maggior parte delle emicellulose vengono disciolti nel liquido ionico e idrolizzato, ma non recuperato. Se gli zuccheri emicellulosa sono desiderati, può essere necessaria una fase di pre-emicellulosa di estrazione prima della delignificazione Ionosolv. Esso è stato finora possibile chiudere completamente il bilancio di massa per la biomassa, in quanto non è possibile identificare e quantificare tutti i prodotti di degradazione presenti nel liquido liquido ionico, soprattutto quelli derivanti dalla lignina. Uno studio dettagliato sul riciclaggio e bilancio di massa è in corso e dovrebbe essere pubblicato a breve.
L'etanolo di lavaggio è necessario in piccola scala per ottenere buoni separazioni, come liquido ionico residuo aderente alla superficie della polpa può ridurre l'attività enzimatica durante saccarificazione, influenzando così l'analisi su scala di laboratorio. Va notato che lavolumi di lavaggio etanolo consumati in questo protocollo non sono compatibili con scale-up e sono probabilmente non necessari se il processo deve essere fatto funzionare su scala commerciale.
Questo set up sperimentale si basa interamente sulla convezione per facilitare il trasferimento di massa. L'agitazione è tuttavia dovrebbe facilitare la reazione e potrebbe alterare tempi di reazione necessari ed efficienze di estrazione lignina.
Nel complesso, il protocollo biomassa pretrattamento presentato ha dimostrato di essere molto efficace per il frazionamento della biomassa lignocellulosica. I principali vantaggi rispetto (cioè esplosione di vapore) processi acquosi e meccanochimici sono la maggiore selettività, cioè, una polpa di cellulosa pulita e lignina purificata. Un altro vantaggio è le condizioni relativamente miti in base alle quali può essere effettuato il processo. Vantaggi rispetto ad altri processi lignina solvatante (vale a dire, Kraft spappolamento o Organosolv pretrattamento) sono il semplice settembrepreparazioni e recupero dei solventi a causa della non-volatilità del IL, riducendo l'investimento di capitale. La lignina isolata è inodore. Il processo Ionosolv presentato è nella sua funzione molto simile al processo Organosolv che utilizza etanolo acquoso acidificato. Tuttavia, come i liquidi ionici hanno una tensione di vapore trascurabile (riducendo pressioni di processo verso atmosferica), il riciclo del solvente è diverso e l'esposizione ai vapori dei solventi minimizzate.
Rispetto al processo di liquido ionico usando anidri, liquidi ionici base come acetato di 1-etil-3-methylimidazolium o cloruro di 1-butil-3-methylimidazolium, che si traducono in una polpa di cellulosa decrystallized cedevoli rendimenti molto elevati di saccarificazione, il procedimento usato qui dà aumento delle rese glucosio leggermente inferiori. 24 Tuttavia, il presente processo è umidità tollerante, quindi non richiede essiccazione intensità energetica, e utilizza liquidi ionici che sono molto più facilmente sintetizzati e quindi expected essere significativamente meno costoso.
Come con qualsiasi applicazione di liquidi ionici, uno dei principali vantaggi è la possibilità di regolare le proprietà del liquido ionico variando il nucleo catione, che vanno da imidazolio ad ammonio, e cambiando il numero, la lunghezza, la simmetria e sostituzione di catene alchiliche sulla catione. 25 nel caso particolare dei liquidi ionici protici utilizzati in questo protocollo, l'acido a base di rapporto e il contenuto di acqua può essere usata per progettare il solvente. 26, 27 questo dà luogo ai solventi ad un'ampia gamma di polarità, acidità, viscosità e altre proprietà fisiche.
Altri parametri che possono essere regolati includono biomassa carico, la temperatura pretrattamento e tempo e additivi. Inoltre, i costi associati ai solventi, attrezzature e immissione di energia dovranno essere presi in considerazione e ottimizzata, se questa opzione pretrattamento deve essere utilizzata in un ambiente commerciale.
ad esempio, per la produzione di resine o prodotti chimici aromatici, o la produzione di cellulosa o materiali e prodotti chimici zucchero derivato. Il protocollo può essere utilizzato come base per elaborare protocolli modificati, ad esempio, utilizzando reattori agitati grandi o reattori a flusso continuo. I risultati di tali studi sperimentali consentiranno l'analisi tecnico-economica di questo processo di frazionamento ionica a base liquida.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Gli autori riconoscono l'Istituto Grantham per i cambiamenti climatici e l'ambiente, il clima-KIC e EPSRC (EP / K038648 / 1 e PE / K014676 / 1) per il finanziamento e Pierre Bouvier per la fornitura di dati sperimentali per pretrattamenti di pino.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| IL synthesis | |||
| Round bottom flask, with standard ground joint 24/29 NS, 1,000 ml | Lenz | 3 0024 70 | VWR product code 271-1309 |
| 250 ml Addition Funnel, Graduated, 29/26 Joint Size, 0-4 mm PTFE Valve | GPE | CG-1714-16 | |
| Dish-shaped dewar flask, SCH 31 CAL | KGW-Isotherm | 1197 | |
| Volumetric flask, 200 ml | VWR | 612-3745 | |
| Cork rings, pasteur pipettes and teet, wash bottle with deionised water, large magentic stir bar | |||
| Biomass size reduction | |||
| Heavy Duty Cutting Mill SM2000 | Retsch | Discontinued | Replaced with Cutting Mill SM 200 (20.728.0001) |
| Bottom sieves (10 mesh square holes, for particle size <2 mm) | Retsch | 03.647.0318 | Part of cutting mill |
| Analytical Sieve Shaker AS 200 | Retsch | 30.018.0001 | Part of sieving machine |
| Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (180 µm) | Retsch | 60.131.000180 | Part of sieving machine |
| Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (850 µm) | Retsch | 60.131.000850 | Part of sieving machine |
| Collecting pan, stainless steel, 200 mm Ø, height 50 mm | Retsch | 69.720.0050 | Part of sieving machine |
| Rotary evaporator | |||
| Rotary evaporator (Rotavapor R-210) | Buchi | Discontinued | Replaced with Rotavapor R-300 |
| Water bath (Heating bath B-491) | Buchi | 48201 | Part of rotary evaporator |
| Recirculator | Julabo | F25 | Part of rotary evaporator |
| Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of rotary evaporator |
| Vacuum controller (Vacuum Control Box VCB 521) | Ilmvac GmbH | 600053 | Part of rotary evaporator |
| Parallel evaporator | |||
| StarFish Base Plate 135 mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of parallel evaporator |
| Monoblock for 5 x 250 ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of parallel evaporator |
| Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of parallel evaporator |
| Gas/Vacuum Manifold with connectors | Radleys | RR95510 | Part of parallel evaporator |
| 650 mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of parallel evaporator |
| Quick Release Male, R/A Barbed 6.4 mm + Shut-off (3.2 mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of parallel evaporator |
| Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor |
| Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor |
| Elliptical Stirring Bar 15 mm Rare Earth | Radleys | RR98097 | Part of parallel evaporator |
| Vacuum cold trap, plastic coated, PTFE stopcock | Chemglass | CG-4519-01 | Part of parallel evaporator |
| Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of parallel evaporator |
| Tygon tubing E-3603, 6.40 mm (internal) 12.80 mm (external) | Saint-Gobain/VWR | 228-1292 | Part of parallel evaporator |
| Parallel Soxhlet extractor | |||
| StarFish Base Plate 135 mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of soxhlet extractor |
| Monoblock for 5 x 250 ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of soxhlet extractor |
| Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of soxhlet extractor |
| Telescopic 5-way Clamp with Silicone Strap and Long Handle | Radleys | RR95410 | Part of soxhlet extractor |
| Water Manifold with connectors | Radleys | RR95500 | Part of soxhlet extractor |
| 650 mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of soxhlet extractor |
| Quick Release Male, R/A Barbed 6.4 mm + Shut-off (3.2 mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of soxhlet extractor |
| Coil condensers with standard ground joints 29/32 NS | Lenz | 5.2503.04 | Part of soxhlet extractor |
| Extractor Soxhlet 40 ml borosilicate glass 29/32 socket 24/29 cone | Quickfit | EX5/43 | Part of soxhlet extractor |
| Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor |
| Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor |
| Recirculator | Grant | LTC1 | Part of soxhlet extractor |
| Cellulose extraction thimble | Whatman | 2280-228 | |
| Tweezers | Excelta | 20A-S-SE | |
| Vacuum drying oven | |||
| Vacuum drying oven | Binder | VD 23 | Part of vacuum oven |
| Dewar vessel 2 L 100 x 290 mm with handle | KGW-Isotherm | 10613 | Part of vacuum oven |
| Vacuum Trap | GPE | CG-4532-01 | Part of vacuum oven |
| Other equipment | |||
| Analytical balance | A&D | GH-252 | accuracy to ± 0.1 mg |
| Volumetric Karl Fischer titrator | Mettler Toledo | V20 | |
| 10 ml disposable pipette | Corning Inc | Costar 4101 10 mL Stripette | |
| Eppendorf Research plus pipette, variable volume, volume 100-1,000 μl | Eppendorf | 3120000062 | |
| Desiccator | Jencons | JENC250-028BOM | |
| Ace pressure tube bushing type, Front seal, volume 15 ml | Ace Glass | 8648-04 | |
| Ace O-rings, silicone, 2.6 mm, I.D. 9.2 mm | Ace Glass | 7855216 | O-ring for pressure tube |
| Vortex shaker | VWR International | 444-1378 (UK) | |
| Fan-assisted convection oven | ThermoScientific | HeraTherm OMH60 | |
| Oven glove (Crusader Flex) | Ansel Edmont | 42-325 | |
| 250 ml Round bottom flask single neck ground joint 24/29 (Pyrex) | Quickfit | FR250/3S | |
| Rotaflo stopcock adapter with cone 24/29 | Rotaflo England | MF11/2/SC | |
| 50 ml Falcon tube | Heraeus/Kendro | HERA 76002844 | |
| Centrifuge (Mega Star 3.0) | VWR | 521-1751 | |
| Reagents | |||
| Ethanol absolute | VWR | 20820.464 | |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | T0886 | |
| Sulfuric acid 5 mol/L (10 N) AVS TITRINORM volumetric solution Safe-break bottle 2.5 L | VWR | 191665V | |
| Purified water (15 MΩ ressitance) | Elga | CENTRA R200 | |
| Lignocellulosic biomass | |||
| Miscanthus X gigantheus | |||
| Pinus sylvestris | |||
References
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