Introduction
Mötesmänsklighetens energibehov på ett hållbart sätt är en av de största utmaningarna som vår civilisation står inför. Energianvändningen förväntas fördubblas under de kommande 50 åren, lägga större påfrestningar på fossila resurser bränslen. 1 uppbyggnaden av växthusgaser (GHG) i atmosfären genom utbredd användning av fossila bränslen är särskilt problematiskt eftersom CO2 genereras från förbränning av fossila bränslen är ansvarig för 50% av den antropogena växthuseffekten. 2 Därför storskalig användning av förnybara och koldioxidneutrala teknik är avgörande för att möta de ökade energi- och materialbehov för kommande generationer. 1, 3
Växtbiomassa är den mest mångsidiga förnybar resurs, som det kan användas för att producera värme, elektricitet samt kolbaserade kemikalier, material och bränslen. Främsta fördelarna med lignocellulosa jämfört med andra typer av biomassa är dess överflöd, potential för hög avkastning per markområde och ofta mycket högre CO 2 besparingar utsläpps som innehåller hög retention av kol i marken. 4, 5 Ytterligare fördelar med att använda biomassa inkluderar lokal tillgänglighet, låga kapitalkrav för att omvandla biomassa till energi, och förebyggande jorderosion. 8
Den huvudsakliga produktionen av lignocellulosa råvaror är skogsindustrin och jordbrukssektorn samt kommunala avfallshanteringen. 6 Lignocellulosa produktion har potential att utökas med ett sinne för att begränsa avskogningen och undvika utbyte av livsmedelsgrödor och utsläpp av potentiella föroreningar. 7 för förnybar biomassa för att bli en livskraftig utbredd källa av flytande bränslen och kemikalier transport, måste dess bearbetning blir ekonomiskt konkurrenskraftig med fossila bränslen omvandlingsteknik. 9, 10 en nyckel till att uppnå detta är att öka utbytet och kvaliteten på biomassa som härrör från mellan samtidigt minska kostnad. </ P>
Lignocellulosa innehåller en hög andel av socker som kan omvandlas till bränsle och kemikalier via katalytiska och mikrobiella omvandlingar. 11 Dessa socker finns i lignocellulosa i polymer form som cellulosa och hemicellulosa. De kan hydrolyseras till glukos och andra socker monomerer och sedan användas för att framställa bioetanol och andra bio-härledda kemikalier och lösningsmedel. 12
För att få tillgång till cellulosasockerarter, är nödvändigt genom fysiska, kemiska eller kombinerade processer förbehandling av biomassan. 4 Förbehandlingen är utan tvekan den mest kostsamma steget i valorisering av lignocellulosa. Därför forskning förbättrade förbehandlingsprocesser är absolut nödvändigt.
Olika förbehandlings tekniker finns tillgängliga. Av särskilt intresse är de som separera lignin från cellulosa (fractionative förbehandling). Lignin, den tredje stora komponenten ilignocellulosa, reducerar begränsar tillgången hydrolysera medel till cellulosa och hemicellulosa och sockerutbytet per ton av matarmaterial. 11 Den separerade ligninet kan utnyttjas som en ytterligare bioraffinaderi intermediär om den är isolerad i lämplig kvalitet. 13 En fractionative process är kraftprocessen, som är den vanligaste förbehandling för produktion papper / cellulosa. I kraftmassa, träflis placeras i en blandning av natriumhydroxid och natriumsulfid och upphettas vid förhöjda temperaturer av omkring 170 ° C under högt tryck. 14 De alkaliska reaktioner avlägsna hemicellulosa och lignin genom att bryta polymererna ned till korta fragment via nukleofil och baskatalys, och genom att lösa ligninfragment via de-protonering av fenoliska hydroxyl / alkoholgrupper. En annan vanlig delignifiering processen är den Organosolv process som även fragment och upplöser lignin och hemicellulosa. Snarare än att använda ett alkaliskt aqueooss lösning, är organiska lösningsmedel, såsom etanol och ättiksyra används vid höga temperaturer som sträcker sig mellan 160 till 200 ° C och tryck från 5 till 30 bar. Organosolv förbehandling har vissa fördelar jämfört med sulfat eftersom det ger mindre luft- och vattenföroreningar. 15 Båda processerna ha några ekonomiska utmaningar, om de används för framställning av kemikalier och bränslen i stället för cellulosa. 16 Ionosolv förbehandling använder joniska vätskor, som är salter som har smältpunkter under 100 ° C och, som ett resultat av deras kraftfulla Coulombic interaktioner, mycket låga ångtryck. 17 Detta eliminerar luftföroreningar i förbehandlingsprocessen, och möjliggör bearbetning vid eller nära atmosfärstryck.
Medan de flesta ils skapas i arbetskrävande, flerstegssynteser, kan protiska ils syntetiseras på ett en-stegsförfarande från handelskemikalier, vilket gör dem billigare; det uppskattas att vissa ILS skulle kunna produceras vid bulkskala för enpriset på $ 1,24 per kg, vilket är jämförbart med vanliga organiska lösningsmedel såsom aceton och toluen. 18 Förmågan att återvinna och återanvända dessa customizable ILS i en process som arbetar vid jämförelsevis lägre temperaturer och tryck gör detta till en mer godartad alternativa och en ekonomiskt attraktiv kandidat för bioraffinering.
Denna detaljerade video protokoll visar en laboratorieskala version av Ionosolv förfarande för delignifiering av lignocellulosa och den slutliga enzymatiska försockring av cellulosarika massa samt återvinning av en hög renhet luktfri lignin. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Obs! Protiska joniska vätskor som används i processen syntetiseras i vårt laboratorium, även om vissa kan vara eller bli kommersiellt tillgängliga. De resulterande joniska vätskor är sura och frätande och förmodligen hud / ögonirriterande (beroende på amin används), och måste därför hanteras med omsorg bär lämplig skyddsutrustning (labbrock, säkerhetsspecifikationer, resistenta handskar).
1. Beredning
- Förberedelse och lagring av lignocellulosa
- Erhålla det lignocellulosahaltiga biomassan före experimentet i tillräckliga mängder, t ex 100 g upp till 5 kg.
Obs: Varje experiment kräver minst 3 g biomassa (1 g vardera i tre exemplar). - Reducera fukthalten strax efter skörd och lagra biomassan i lufttorkad form i laboratoriet. Lufttorka biomassan genom att sprida biomassa på ett bord eller bänk och lämnar den i 2 veckor eller tills det verkar torrt. Flytta och vrid biomassan under tsin tid för att påskynda processen. Utför fraktione experiment inom ett år efter skörd.
Notera: Direkt efter skörd, kan biomassa innehålla upp till 50 vikt-% fukt, medan lufttorkad biomassa, som är stabilare, innehåller 5-12 vikt-% fukt. - Mala och sikta biomassan till en utvald partikelstorlek. Lagra den torkade biomassan i plastpåsar eller andra lämpliga behållare fram till användning.
Obs! För de små prover hanteras i detta protokoll, är en reducerad partikelstorlek rekommenderas, t ex 180-850 nm.
- Erhålla det lignocellulosahaltiga biomassan före experimentet i tillräckliga mängder, t ex 100 g upp till 5 kg.
- Fastställande av innehållet i den biomassa fukt (enligt NREL protocol) 20
- Att bestämma innehållet av biomassan fukt, preweigh en bit aluminiumfolie (storlek på cirka 5 cm x 5 cm) på en analytisk våg och notera vikten av folien (m folie). Väg upp ungefär 100 mg av luft torkade biomassan på aluminiumfolie och registrera den exakta luft-dried vikt (m ADW).
- Vik aluminiumfolie för att göra ett paket och placera det i en fläktassisterad ugn vid 105 ° C över natten (åtminstone för 4 h).
- Ta paketet ut och placera den omedelbart i en torkapparat under 5 minuter, sedan väga paketet omedelbart och registrera den exakta vikten av ugnstorkad vikt plus folie (m Dagsverke + folie). Beräkna fukthalten (i%) av den mc biomassa BM enligt ekvation 1:
Eq. 1
Där m ODW + folien är vikten av den ugnstorkade paket (ugnstorkade biomassa plus folie), m är folie vikten av folien och m ADW är den lufttorkade vikten av biomassan. Alla vikter bör vara antingen g eller mg.
- Syntes av jonisk vätska
- I ett dragskåp eller portad låda, väger en molav aminen (trietylamin) in i en 1 L rundbottnad kolv med en magnetisk omrörarstav. Placera kolven i ett isbad på en magnetomrörare platta. Lägga till en 250 ml tillsatstratt omedelbart för att minimera avdunstning av aminen.
Notera: Att en korrekt syra: bas förhållandet är av stor betydelse för att uppnå reproducerbarhet av förbehandlingsexperiment. - Mäta upp en mol svavelsyra med användning av en lösning med känd koncentration (i detta exempel 5 mol / L) och en mätkolv (200 ml). Överföra svavelsyra in i tillsatstratten och skölj varje syra vidhäftar till väggarna i mätkolven i tillsatstratten med avjoniserat vatten.
- Tillsätt svavelsyra droppvis till aminen under kraftig omrörning. Se till att lösningen inte värma upp, eftersom detta skulle leda till kokning av aminen och en felaktig förhållande av syra till bas. Skölj insidan av tillsatstratt med användning av avjoniserat vatten för att säkerställa syran överföres kvantitativt.
Notera: Större satser av jonisk flytande lösningen kan framställas genom att öka mängden av aminen och svavelsyra samt kolven volymen i enlighet därmed. - Indunsta det mesta av vattnet med hjälp av en rotationsindunstare. Vattenhalten bör vara lägre än vatteninnehållet som krävs för förbehandling.
Obs: Det är inte nödvändigt att fullständigt torka den joniska vätskan. Det kan vara fördelaktigt att lämna en del vatten i den joniska vätskan, som vissa torkade joniska vätskor, inklusive trietylammonium-vätesulfat, är fasta ämnen vid rumstemperatur. En frystorkare kan också användas för att sänka vattenhalten.
- I ett dragskåp eller portad låda, väger en molav aminen (trietylamin) in i en 1 L rundbottnad kolv med en magnetisk omrörarstav. Placera kolven i ett isbad på en magnetomrörare platta. Lägga till en 250 ml tillsatstratt omedelbart för att minimera avdunstning av aminen.
- Bekräfta och justera vatteninnehållet av IL lösning
Obs: Vattenhalten är en viktig experimentell variabel. Det finns tre källor att vattnet i förbehandlingsblandningen kan komma från. Alla dessa måste beaktas: (1) det vatten som finns i den syntetiserade eller köpt jonisk flytande lösning (2) vattnet i than lufttorkad biomassa och (3) eventuellt vatten tillsätts med en pipett för att uppnå den slutliga önskade vattenhalten.- Bestämma vattenhalten i den syntetiserade eller köpas joniska vätskelösning med volym Karl Fischer titrering enligt anvisningar från titreringsapparaten tillverkaren. Tillsätt några droppar av IL i titrator med hjälp av en i förväg vägd spruta. Ange vikten av vätska som tillsätts i titrator och vänta tills titrator visar en läsning. Spela vattenhalten.
- Bestäm en vattenhalt för förbehandling av biomassa. I detta experiment använda 20 vikt-%. Reducera vattenhalten 5 vikt% under den önskade vattenhalten med hjälp av en rotationsindunstare och bekräfta den nya vattenhalten genom Karl Fischer-titrering som beskrivs i 1.4.1.
Notera: Goda resultat erhålles med 20 vikt% vatten; men detta behöver inte alltid vara den optimala för förbehandling. En högre vattenhalt kan väljas för att minska lösningsmedels kostnad eller lägre viskositet.
<li> Beräkningar för experimentet. - Bestäm mängden jonisk flytande lösning m sol, final och biomassa till lösningsmedelsförhållandet BM / sol final. Här använder 10 g av jonisk vätska lösning innehållande 20 vikt-% vatten och en biomassa-till-lösningsmedelsförhållande av 1:10 g / g.
Notera: Rören som används i detta protokoll kan passa upp till 18 g av IL lösning om biomassan till lösningsmedel-förhållandet är 01:10 (vikt / vikt). En hög biomassa till lösningsmedelsförhållandet (upp till 1: 2 eller 1: 1) är gynnsamt ur en ekonomisk synvinkel, men kan äventyra förbehandlings effektivitet vid liten skala. - Bestämma mängden av (vattenfritt) jonisk vätska som krävs för varje prov i enlighet med följande ekvation 2:
Eq. 2
Där m IL är den erforderliga mängden av jonisk vätska i gram, m sol, final är den önskade mängden av jonisk flytande lösning i gram, och wc final </ Sub> är den önskade vattenhalten (i%) i den joniska vätskan lösning. - Därefter beräkna syntetiserade eller köpas jonisk flytande lösning som skall tillsättas i varje tryckröret enligt följande ekvation 3:
Eq. 3
Där m sol är mängden lösning som skall tillsättas i varje tryckröret (i gram), m är IL den erforderliga mängden av jonisk vätska (i gram), och wc sol är halten vatten i den joniska vätskan lösning (i%) såsom bestämdes genom Karl Fischer-titrering. - Bestämma mängden biomassa (ugnstorkad vikt) som skall tillsättas till den joniska vätskan lösning med användning av ekvation 4 nedan. I detta experiment använda en g ugnstorkad Miscanthus biomassa per tryckrör.
Eq. 4
Där ODW är mängden biomassa som skall lägga tilled i varje tryckrör (i gram), m sol, final är den önskade mängden jonisk flytande lösning (i gram) och BM / sol final är det önskade förhållandet av biomassa till jonisk vätska. - Fastställa vikten av lufttorkad biomassa som måste läggas in i röret genom att använda följande ekvation 5:
Eq. 5
där ADW är den lufttorkade vikten av biomassan som skall tillsättas in i röret (i gram), ODW är ugnstorkad vikt av biomassan som erfordras för experimentet (bestämd i 1.5.4 i gram) och mc BM är värdet fastställts i 1.2.3. - Räkna ut hur mycket vatten behöver tillsättas med en pipett för att uppnå den önskade slutliga vattenhalten i enlighet med följande ekvation 6:
Eq. 6
Där m vatten är den mängdvatten som skall tillsättas, wc final är den önskade vattenhalten i förbehandlingsblandningen (här 20 vikt-%), m är sol.final mängden lösningsmedel (här 10 g), är mc BM halten av den lufttorkade biomassan fukt är m BM mängden luft-torkad biomassa som skall tillsättas, wc sol är vattenhalten hos den syntetiserade eller köpas jonisk flytande lösning, och m sol är mängden jonisk flytande lösning.
Eq. 1 
Eq. 2 
Eq. 3 
Eq. 4 
Eq. 5 
Eq. 6 2. Förbehandling
Obs: Processen kan avbrytas när som helst genom att lämna proverna vid rumstemperatur (under några dagar) eller i kylskåp (under längre perioder).
- Pre-väger tre 15 ml tryckrör med Teflon lock och silikon O-ringar. Inspektera tryckrören så att de inte har några sprickor eller brister.
Obs: Större tryckrör passar mer jonisk vätska och biomassa kan användas om så önskas, även om förbehandlings resultat kommer intevara direkt jämförbar mellan prover som behandlats i olika flaskstorlekar. Vi rekommenderar användning av fronttätningslock för bättre tätning. - Med en 10 ml pipett, tillsätt den erfordrade mängden jonisk flytande lösning in i tryckröret stående på skalan. Använd korkringar för att hålla röret stående upp. Notera vikten av den joniska vätskan lösning tillsattes. Tillsätt erforderlig mängd vatten till lösningen bestämdes i 1.5.6 med en pipett, förutsatt att vattnets densitet att vara 1 g / ml.
- Tillsätt erforderlig mängd lufttorkat lignocellulosa genom att placera en bit aluminiumfolie (dimensionerna 3 cm x 8 cm) på en våg, tarering av balansen och väga upp biomassan. Tarera balans och lägga biomassan till röret. Placera den tomma folie tillbaka på balansen och registrera skillnaden.
Obs: Alternativt kan antistatiska vågskepp användas. - Stäng locket med en teflonlock med silikon O-ring. Kontrollera om en god tätning utan över åtdragning. Notera vikten av den pryck rör innehållande biomassa och jonisk vätska. Blanda innehållet i röret genom att använda en virvelskakanordning tills alla av biomassan är i kontakt med den joniska vätskan.
Obs: Inte alla O-ring material tål att vara i kontakt med joniska vätskor vid förhöjd temperatur. Vi fann att silikon fungerar bra. - Placera tryckrören i en varmluftsugn som har förvärmts till önskad temperatur. Till exempel, lämnar rören för 8 timmar vid 120 ° C eller under 1 timme vid 150 ° C.
Obs: Tid och temperatur är viktiga experimentella variabler. Andra gången - kombinationer temperatur kan användas. - Ta bort flaskorna från ugnen med hjälp av en ugn handske och placera dem i ett dragskåp för att låta dem svalna till rumstemperatur. Kontrollera vikten av flaskorna efter kylning för att säkerställa inget vatten rymt under tillagningen.
3. Massa Wash
- Överför innehållet i varje rör till en 50 ml centrifugrör med användning av 40 ml absolute etanol. Skaka röret med användning av en virvelskakanordning under 1 min för att blanda väl och lämnar röret vid rumstemperatur under åtminstone en timme.
Notera: Separationen kan också genomföras med användning av filtrering, emellertid kan mindre noggrannhet iakttas för den föreslagna provstorlek. - Skaka röret med användning av en virvelskakanordning under ytterligare 30 sek, sedan centrifugera röret i 50 min vid 2000 x g. Separat flytande och fast genom noggrann dekantering. Samla vätskan i en ren 250 ml rundbottnad kolv med omrörarstav.
- Tillsätt 40 ml färsk etanol i 50 ml rör och upprepa steg 3,2 tre gånger.
- Avlägsna etanolen från den joniska vätskan genom att placera rundbottnad kolvar på ett värmeblock. Anslut var och en av dem till en vakuumpump med en köldfälla. Fyll fällan med torris och ställ in upphettning till 40 ° C. Slå på omrörning och pump.
Obs: Detta experiment använder en hemmagjord parallellt förångare set-up baserat på en parallell syntes set-up. Parallella förångare kan också vara Purchased färdig. Alternativt kan en roterande indunstare kan användas.
- Avlägsna etanolen från den joniska vätskan genom att placera rundbottnad kolvar på ett värmeblock. Anslut var och en av dem till en vakuumpump med en köldfälla. Fyll fällan med torris och ställ in upphettning till 40 ° C. Slå på omrörning och pump.
4. Soxhletextraktion över Pulp
- Överför den våta tvättade massan i cellulosafingerborgar och märka varje fingerborg med hjälp av en penna.
- Fyll 150 ml absolut etanol i en ren 250 ml rundbottnad kolv med omrörarstav. Sätt in provinnehållande fingerborg i en 40 ml Soxhlet extraktionsutrustning lägga till en kondensor och installera allt på parallella köksarbetsstationen är ansluten till en återcirkulerande kylmaskin.
Obs: Om etanol användes för att överföra massan, tillsätt endast skillnaden till 150 ml till den rundbottnade kolven. - När alla prover är laddade, börja omrörning, ställa in temperaturen till 135 ° C och slå på recirculator (temperaturinställning 18 ° C). Extrahera massaprover under 20 timmar totalt.
- Stäng av värmen för att möjliggöra återflöde för avstannat. Slå sedan både omrörning och kylning. Ta fingerborgar ur Soxhlet extraktionsutrustningmed användning av en pincett och låt den våta massan torr i hylsan över natten i ett dragskåp.
- Lägga vätskan från Soxhlet-extraktion till vätskan från tvätt biomassa och fortsätter att avdunsta etanolen från biomassan tvätt med den parallella förångare eller en roterande indunstare vid 40 ° C.
- Överföra den lufttorkade massan från fingerborg på en bit tarerad aluminiumfolie på en analysvåg, spela in den lufttorkade vikten av den extraherade massan och överföra den till en märkt plastpåse. Försök att återvinna allt utan att skrapa fingerborg material från väggen.
- Bestämma innehållet av massan fukt omedelbart att beräkna ugnstorkad utbyte (såsom visas tidigare i steg 1,4).
5. Lignin Isolering
- När all etanol har avdunstat, fälla ut ligninet genom att överföra den joniska vätskan från den rundbottnade kolven i ett 50 ml centrifugrör med användning av 30 ml vatten. Blanda suspensionen och låt stå i minst en timme.Centrifugera i 20 minuter vid 2000 xg, och separera lösningen från den fasta substansen genom dekantering.
Obs: I detta protokoll är 3 ekvivalenter vatten som används som anti. Mindre anti kan användas, om så önskas. Tvättningarna kan samlas in, vattnet avlägsnas och den joniska vätskan återvinnas för upprepad användning. - Tillsätt 30 ml destillerat vatten till ligninet pelleten inuti centrifugröret. Upprepa blandning, inkubering under 1 timme och centrifugering. Upprepa detta steg för totalt 3 lignin tvättar.
- Torka lignin inuti centrifugröret med hjälp av en vakuumugn och en genomborrade lock vid 45 ° C över natten. För att bestämma lignin utbyte, placera en bit aluminiumfolie på balansen, tarera vikt, tillsätt lignin från ugnen och notera vikten omedelbart. Överför lignin i ett kärl för lagring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den exakta mängden av lignin avlägsnas och lignin nederbörd, återhämtade massa och glukos avkastning beror på vilken typ av biomassa som används, den temperatur vid vilken behandlingen körs och varaktigheten av behandlingen. Korta förbehandlingstider och låga temperaturer leder till ofullständig förbehandling medan vid högre temperaturer cellulosan blir instabil i den joniska vätskan, vilket leder till hydrolys och nedbrytning. Den valda joniska vätskan spelar också en viktig roll för utfallet av fraktioneringsförfarandet.
Figur 1 visar sammansättningen av obehandlad Miscanthus (gräs) och tall (barrved) och Miscanthus och tallmassa erhölls efter förbehandling med trietylammonium HSO 4 för 8 timmar vid 120 ° C (sammansättningsanalys utfördes enligt den NREL protokoll). 21 det framgår av figuren att Ionosolv förbehandling vid these betingelser gav olika resultat för de två typerna av biomassa. I fall av gräset biomassa, det mesta av ligninet och hemicellulosorna avlägsnades, under det att förbehandling av barrved avlägsnas huvudsakligen hemicellulosorna och endast en liten mängd av lignin. Skillnaden i resultatet av förbehandlingen var lika uttalad när de tillvaratagna massorna utsattes för enzymatisk försockring. 22 Medan 77% av det teoretiska glukos frisättning erhölls för Miscanthus, endast tall gav 13%. Skillnaden i ligninutvinning återspeglas i de lignin utbyten: 20% respektive 5% av ursprunglig vikt biomassa utvanns som lignin för Miscanthus och tall, respektive.
Skillnaden i förbehandlings resultatet mellan de båda utgångsmaterial tillskrivs de olika typerna av lignin närvarande i gräs och mjuka träslag; typen lignin av barrved G är mer motsträviga och svårare att avlägsna än gräs lignin.
Figur 1. Sammansättning av Miscanthus och tall före och efter förbehandling med [trietylammonium] [HSO 4] med 20 vikt-% vatten under 8 timmar vid 120 ° C. Detta bestämdes genom den NREL sammansättningsförfarandet analys. 21 Var god se referens 21 för en mer detaljerat protokoll. klicka här för att se en större version av denna siffra.
Lignin kan karakteriseras genom heteronukleär kvantkoherens (HSQC) NMR-analys som visar att eterbindningar klyvs under förbehandlingen samtidigt som nya CC-bindningar bildas. 19 Det har vidare visats att molekylvikten, som kan uppskattas genom GPC, är mycket lägre än den för nativt lignin. Vid längre förbehandlingstider molekylvikten ökar på grund av kondensationsreaktioner. Reaktion av ligninet med den joniska vätskan är minimal, vilket framgår av en marginell ökning av svavelhalten och ingen ökning av kvävehalten av ligninet med tiden.
Ytterligare analyser kan utföras om av intresse. Röntgendiffraktionsanalys av den utvunna cellulosamassan visar generellt hög kristallinitet. 17 Den utvunna joniska vätskan vätskan kan analyseras med hjälp av HPLC för att detektera upplösta sockerarter och nedbrytningsprodukter därav. 23
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Tekniken för fraktionering av lignocellulosabiomassa presenteras här producerar en cellulosarika massa och en lignin. De flesta av de hemicellulosor upplöses in i den joniska vätskan och hydrolyserades, men inte återhämtat sig. Om hemicellulosa sockerarter föredras, kan en hemicellulosa pre-extraktionssteget före Ionosolv delignifiering vara nödvändig. Det har hittills varit omöjligt att stänga helt massbalansen för biomassan, eftersom det inte är möjligt att identifiera och kvantifiera alla nedbrytningsprodukter som finns i den joniska vätskan sprit, särskilt de som härrör från lignin. En detaljerad studie om återvinning och massbalans pågår och förväntas att offentliggöras inom kort.
Etanol tvätt är nödvändig vid liten skala för att uppnå goda separationer, som resterande jonisk vätska som ansluter sig till ytan av massan kan minska enzymaktiviteten under försockring och därmed förspänning laboratorieskala analysen. Det bör noteras att denvolymer av tvätt etanol konsumeras i detta protokoll är inte kompatibla med skala upp och förmodligen inte krävs om processen ska drivas i kommersiell skala.
Detta experimentella inrättat förlitar sig helt på konvektion för att underlätta massöverföring. Omrörning dock förväntas underlätta reaktionen och kan potentiellt ändra nödvändiga reaktionstider och lignin utvinningseffektivitet.
Sammantaget har den presenterade förbehandlings biomassa protokoll visat sig vara mycket effektiv för fraktionering av lignocellulosa. De främsta fördelarna över vatten och mekanokemiska (dvs ångexplosion) processer är förbättrad selektivitet, det vill säga en ren cellulosamassa och en renad lignin. En annan fördel är de relativt milda betingelser under vilka processen kan utföras. Fördelar jämfört med andra lignin lösande processer (dvs kraftmassa eller Organosolv förbehandling) är den enkla septemberparat och återvinning av lösningsmedel på grund av den icke-flyktighet av IL, sänker kapitalinvestering. Den isolerade ligninet är luktfritt. Den presenterade Ionosolv processen är i sin funktion mycket lik den Organosolv process som använder surgjord vattenbaserad etanol. Men eftersom joniska vätskor har försumbart ångtryck (minska processtryck mot atmosfär), är återvinning av lösningsmedlet annorlunda och exponering för lösningsmedelsångor minimeras.
Jämfört med den joniska vätskan process med användning av vattenfria, basiska joniska vätskor, såsom 1-etyl-3-metylimidazolium acetat eller en-butyl-3-metylimidazolium-klorid, vilket resulterar i en decrystallized cellulosamassa som ger mycket höga försockring utbyten, den använda processen här ger stiga till något lägre glukosutbyten. 24 är emellertid föreliggande förfarande fukt tolerant, därför inte kräver energiintensiv torkning och använder joniska vätskor som mycket lättare syntetiseras och därför expected vara betydligt billigare.
Som med varje tillämpning av joniska vätskor, en av de viktigaste fördelarna är möjligheten att avstämma egenskaperna hos den joniska vätskan genom att variera katjonen kärna, som sträcker sig från imidazolium till ammonium, och genom att ändra antal, längd, symmetri och substitution av alkylkedjor på katjonen. 25 i det särskilda fallet med de protiska joniska vätskor som används i detta protokoll, kan syran till basen förhållande och vattenhalten användas för att utforma lösningsmedlet. 26, 27 detta ger upphov till lösningsmedel med ett brett spektrum av polariteter, surhetsgrader, viskositet och andra fysikaliska egenskaper.
Andra parametrar som kan justeras innefattar biomassa lastning, förbehandlingstemperatur och tid, och tillsatser. Dessutom kommer de kostnader som är förknippade med lösningsmedel, utrustning och energitillförsel måste beaktas och optimeras, om denna förbehandling alternativ är att användas i en kommersiell miljö.
egenskaper, t.ex. för framställning av hartser eller aromatiska kemikalier, eller produktion av cellulosa eller socker härledda material och kemikalier. Protokollet kan användas som en grund för att utforma modifierade protokoll, t.ex., användning av större omrörda reaktorer eller kontinuerliga flödesreaktorer. Resultatet av dessa experimentella studier kommer att möjliggöra teknisk-ekonomisk analys av denna joniska vätskan baserad fraktioneringsprocess.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Författarna erkänner Grantham Institutet för klimatförändringar och miljö, klimat-KIC och EPSRC (EP / K038648 / 1 och EP / K014676 / 1) för finansiering och Pierre Bouvier för att tillhandahålla experimentella data för tall förbehandlingar.
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
- Lewis, N. S., Nocera, D. G. Powering the planet: chemical challenges in solar energy utilization. Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 103 (43), 15729-15735 (2006).
- Dincer, I. Renewable energy and sustainable development: a crucial review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 4 (2), 157-175 (2000).
- Zweibel, K., Mason, J., Fthenakis, V.
- Lee, J. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. J. Biotechnol. 56 (1), 1-24 (1997).
- Carrott, P., Ribeiro Carrott, M. Lignin-from natural adsorbent to activated carbon: A review. Bioresour.Technol. 98 (12), 2301-2312 (2007).
- Cardona Alzate, C., Sánchez Toro, O. Energy consumption analysis of integrated flowsheets for production of fuel ethanol from lignocellulosic biomass. Energy. 31 (13), 2447-2459 (2006).
- Field, C. B., Campbell, J. E., Lobell, D. B. Biomass energy: the scale of the potential resource. Trends Biochem Sci. 23 (2), 65-72 (2008).
- Hoogwijk, M., et al. Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy. Biomass Bioenergy. 25 (2), 119-133 (2003).
- Goldemberg, J. Ethanol for a sustainable energy future. Science. 315 (5813), 808-810 (2007).
- Himmel, M. E., et al. Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production. Science. 315 (5813), 804-807 (2007).
- Mosier, N., et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresour.Technol. 96 (6), 673-686 (2005).
- Kumar, P., Barrett, D. M., Delwiche, M. J., Stroeve, P. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production. Ind Eng Chem Res. 48 (8), 3713-3729 (2009).
- Hu, F., Ragauskas, A. Suppression of pseudo-lignin formation under dilute acid pretreatment conditions. RSC Advances. 4 (9), 4317-4323 (2014).
- Chakar, F. S., Ragauskas, A. J. Review of current and future softwood kraft lignin process chemistry. Ind Crop Prod. 20 (2), 131-141 (2004).
- Mutjé, P., Pelach, M., Vilaseca, F., García, J., Jiménez, L. A comparative study of the effect of refining on organosolv pulp from olive trimmings and kraft pulp from eucalyptus wood. Bioresour.Technol. 96 (10), 1125-1129 (2005).
- Zhao, X., Cheng, K., Liu, D. Organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic hydrolysis. Appl. Microbiol. Biotechnol. 82 (5), 815-827 (2009).
- Brandt, A., Gräsvik, J., Hallett, J. P., Welton, T. Deconstruction of lignocellulosic biomass with ionic liquids. Green Chem. 15, 550 (2012).
- Chen, L., et al. Inexpensive ionic liquids:[HSO 4]−-based solvent production at bulk scale). Green Chem. 16 (6), 3098-3106 (2014).
- Brandt, A., Chen, L., van Dongen, B. E., Welton, T., Hallett, J. P. Structural changes in lignins isolated using an acidic ionic liquid water mixture. Green Chem. 17, 5019-5034 (2015).
- Sluiter, A., et al. NREL/TP-510-42621. Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples. , (2008).
- Sluiter, A., et al. NREL/ TP - 510 - 42618Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. , (2011).
- Resch, M. G., Baker,, Decker, S. R. NREL/TP-5100-63351. Low Solids Enzymatic Saccharificatin of Lignocellulosic Biomass. , (2015).
- Brandt, A., Ray, M. J., To, T. Q., Leak, D. J., Murphy, R. J., Welton, T. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
- Aver, K., Scortegagna, A., Fontana, R., Camassola, M. Saccharification of ionic-liquid-pretreated sugar cane bagasse using Penicillium echinulatum enzymes. J Taiwan Inst Chem Eng. 45 (5), 2060-2067 (2014).
- George, A., et al. Design of low-cost ionic liquids for lignocellulosic biomass pretreatment. Green Chem. 17 (3), 1728 (2015).
- Verdía, P., Brandt, A., Hallett, J. P., Ray, M. J., Welton, T. Fractionation of lignocellulosic biomass with the ionic liquid 1-butylimidazolium hydrogen sulfate. Green Chem. 16 (3), 1617-1627 (2014).
- Brandt, A., et al. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
