Introduction
Toplantı insanlığın enerji ihtiyacının sürdürülebilir bizim medeniyet karşısına çıkan en büyük zorluklardan biridir. Enerji kullanımı fosil yakıt kaynaklarının daha büyük yük bindirerek, önümüzdeki 50 yıl içinde ikiye katlanması bekleniyor. 1 CO 2 yanmasından oluşan olarak yaygın fosil yakıt kullanımı yoluyla atmosferdeki sera gazlarının (SG) birikimi, özellikle sorunlu fosil yakıtlar insan kaynaklı sera etkisinin% 50 sorumludur. 2 Bu nedenle, yenilenebilir ve karbon nötr teknolojilerin büyük ölçekli uygulama gelecek nesillerin artan enerji ve malzeme ihtiyaçlarının karşılanması için gereklidir. 1, 3
ısı, elektrik olarak karbon bazlı kimyasallar, malzeme ve yakıt üretmek için kullanılabilir gibi bitki biyokütle, çok yönlü, yenilenebilir bir kaynak. diğer biyokütle türleri üzerinde lignoselülozik biyokütle başlıca avantajları yüksek verim pe için bolluk, potansiyel vardırToprakta karbon yüksek tutulmasını içeren arazi ve sık sık çok daha yüksek CO2 emisyonu tasarrufu r alanı. 4, biyokütle kullanarak 5 ek faydaları yerel kullanılabilirlik, enerji biyokütle dönüştürmek için düşük sermaye gereksinimleri ve toprak erozyonu önleme sayılabilir. 8
Lignoselülozik hammaddelerin büyük üreticileri orman endüstrisi ve tarım sektörü yanı sıra belediye atık yönetimi vardır. 6 Lignoselluloz üretim ormansızlaşmanın sınırlayan ve gıda bitkileri ve potansiyel kirletici salım değiştirilmesini önlemek için bir zihin ile, genişletilmiş potansiyeline sahiptir. 7 sıvı ulaşım yakıtları ve kimyasalların uygun bir yaygın kaynağı haline yenilenebilir biyokütle, onun işleme fosil yakıt dönüşüm teknolojileri ile ekonomik olarak rekabet edebilir hale gerekir. 9, 10 bu gerçekleştirilmesinde önemli bir nokta azaltırken verim ve biyokütle kaynaklı ara kalitesini artırmak için maliyeti. </ P>
Lignoselüloz katalitik ve mikrobiyal dönüşüm yoluyla yakıt ve kimyasal dönüştürülebilir şekerlerin yüksek oranda içerir. 11. Bu şekerler, selüloz ve hemiselüloz gibi polimerik formda lignoselüloz mevcuttur. Glikoz ve diğer şeker monomerlere hidrolize edildi ve daha sonra biyo-etanol ve diğer biyolojik kökenli kimyasal ve çözücü üretilmesi için de kullanılabilir. 12
Selülozik şekerler ulaşmak için, biyo-kütlenin ön-muamele, fiziksel, kimyasal ya da kombine işlemler aracılığıyla gereklidir. 4 ön-muamele muhtemelen lignoselülozik biyokütle değerli kılma en maliyetli bir adımdır. geliştirilmiş ön süreçlerine dolayısıyla araştırma zorunludur.
Çeşitli ön teknolojiler mevcuttur. Özellikle ilgi çekici selüloz (fractionative ön) Lignini ayrı olanlardır. Lignin, bir üçüncü ana bileşen olarakLignoselüloz, selüloz ve hemiselüloz ajanlar hidrolize sınırları ile erişim ve ham tonu başına şeker verimi azaltır. 11 bu kalite uygun izole edilir, ayrıldığında lignin ara madde ilave biorefinery olarak kullanılabilir. 13 bir fractionative işlemi Kraft işlemdir kağıt / selüloz üretimi için en yaygın ön-. Kraft pulplama prosesinde, odun yongaları, yüksek basınç altında yaklaşık 170 ° C arasında yükseltilmiş sıcaklıklarda, sodyum hidroksit ve sodyum sülfit ve ısıtılmış bir karışımı yerleştirilir. 14 alkalin reaksiyonlar nükleofilik üzerinden kısa fragmanlara aşağı polimerleri kırarak hemiselüloz ve ligninden kaldırıp ve fenolik hidroksil / alkol gruplarının de-protonasyon yoluyla lignin parçaları eriterek baz kataliz. Başka bir ortak delignifikasyonu süreci de parçaladı ve lignin ve hemiselüloz çözer organosolv süreçtir. Bunun yerine bir alkalin aqueo kullanarak dahaUS Çözelti etanol ve asetik asit gibi organik çözücüler, 5-30 bar 160-200 ° C ve basınçlar arasında değişen yüksek bir sıcaklıkta kullanılır. Organosolv ön daha az hava ve su kirliliği üreten ki hamur haline Kraft göre bazı avantajları vardır. Ziyade kimyasal madde ve yakıtların üretimi için kullanılması durumunda 15 Her iki süreç, bazı ekonomik zorluklarla sahip selüloz. 16 Ionosolv ön tuzları iyonik sıvılar, kullanan , güçlü sterik etkileşimler, çok düşük buhar basınçları nedeniyle, 100 ° C'nin altında bir erime noktasına sahip ve. 17 Bu ön-muamele işleminde, hava kirliliği ortadan kaldırır ve az ya da atmosfer basıncına yakın işlem sağlar.
En IL'ler zahmetli, çok-aşamalı sentezler oluşturulan birlikte, protik IL'ler onları daha az pahalı hale getirir meta kimyasallardan tek aşamalı bir işlem, içinde sentezlenebilir; bazı ILs bir için toplu ölçekte üretilebilir tahmin edilmektedirörneğin aseton ve tolüen yer alır. 18 nispeten düşük sıcaklıklarda ve basınçlarda çalışan bir işlemde, bu özelleştirilebilir ILS geri kazanım ve yeniden becerisi gibi yaygın organik çözücü ile karşılaştırılabilir kg başına 1,24 $ fiyatı daha ılımlı bir alternatif ve ekonomik açıdan cazip bir aday Bu da Biorefining için.
Bu ayrıntılı video protokol lignoselülozik biyokütle ve selüloz bakımından zengin hamuru nihai enzimatik sakarifikasyon ve yüksek saflıkta kokusuz ligninin geri Delignifikasyonun için Ionosolv işlemin laboratuar ölçekli olarak gösterir. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Not: bir kısmı ya da ticari olarak temin edilebilir hale olabilir, ancak işleminde kullanılan protik iyonik sıvılar, laboratuarımızda sentezlenir. Elde edilen iyonik sıvılar asidik ve korozif ve (kullanılan amin bağlı olarak) muhtemelen deri / göz tahriş edicidir ve bu nedenle bakım giyen uygun KKD (laboratuvar önlüğü, güvenlik özellikleri, dayanıklı eldivenler) ile ele alınması gerekir.
1. Hazırlık
- Hazırlanması ve odunlu-biyokütle depolama
- 5 kg Örnek 100 g ile için yeterli miktarlarda deney öncesinde lignoselülozik biyokütle, elde edilir.
Not: her bir deney biyokütle en az 3 g (1 g, her biri üçlü halde) gerektirir. - kısa bir süre hasattan sonra, nem içeriğini azaltmak ve laboratuarda hava ile kurutulmuş formda biyokütle saklayın. bir masa veya tezgah üzerinde biyokütle yayılan ve 2 hafta ya da kuru görünene kadar bırakarak biyokütle Hava kurutun. Taşı ve t sırasında biyokütle çevirmekOnun zaman sürecini hızlandırmak için. Hasat bir yıl içinde fraksiyonlara deneyleri.
Not: Hava-kurutulmuş biyokütle, daha istikrarlı 5-12 ağırlıkça% nem içerir iken Doğrudan hasattan sonra, odunsu biyokütle, en fazla ağırlıkça% 50 nem ihtiva edebilir. - Eziyet ve seçkin bir parçacık boyut aralığına biyokütle elek. plastik torba veya kullanılıncaya kadar uygun olan başka kaplar içinde kurutuldu biyokütle saklayın.
Not: Bu protokolde ele küçük örnekler için, azaltılmış bir partikül boyutu, örneğin 180-850 mikron için tavsiye edilir.
- 5 kg Örnek 100 g ile için yeterli miktarlarda deney öncesinde lignoselülozik biyokütle, elde edilir.
- 20 (NREL protokolüne göre) biyokütle nem muhtevasının tespitine
- Biyokütle nem muhtevasının saptanması için, bir analitik terazi üzerinde alüminyum folyo (boyutu yaklaşık olarak 5 cm x 5 cm) bir parça preweigh folyo (m folyo) ağırlığını kaydedin. alüminyum folyo üzerine hava kuru biyokütle dışarı yaklaşık 100 mg ağırlığında ve tam hava-dri kayıted ağırlığı (m ADW).
- (En az 4 saat süreyle) gece boyunca 105 ° C'de bir ısılı fırında bir paket ve yer yapmak için alüminyum folyo katlayın.
- Üzerinden paket alın ve 5 dakika için bir kurutucuda hemen yerleştirin, daha sonra hemen paket ağırlığı ve fırında kurutulmuş ağırlığına ek folyo (m ODW + folyo) tesisinin ağırlığı kaydedin. Denklem 1 'e göre biyokütle mc BM'nin (% olarak) nem miktarı hesaplanır:
Denk. 1
M ODW + folyo fırında kurutulmuş paket (fırında kurutulmuş biyokütle ek folyo) ağırlığıdır, m folyo folyo ağırlığı ve m Kablosuz ADSL biyokütle hava ile kurutulmuş ağırlığıdır. Tüm ağırlıklar g veya mg ya olmalıdır.
- İyonik Sıvı Sentezi
- Davlumbaz veya havalandırmalı muhafazada, 1 mol ağırlığındaManyetik bir karıştırma çubuğuna sahip olan, bir 1 L'lik yuvarlak tabanlı bir şişeye amin (trietilamin). Manyetik bir karıştırıcı plaka üzerinde bir buz banyosu içine yerleştirilir. amin buharlaşmasını en aza indirmek için derhal 250 mi ilave hunisi ekleyin.
Not: Doğru asit sağlanması: baz oranı ön deneylerin tekrarlanabilirliği ulaşmak için büyük önem taşımaktadır. - (Bu örnekte, 5 mol / L cinsinden) bilinen bir konsantrasyonda bir çözeltisi ve volümetrik bir şişede (200 mi) ile sülfürik asit 1 mol ölçün. ekleme hunisine yerleştirilmiş, sülfürik asit aktarın ve iyonu giderilmiş su ile olan ekleme hunisi içine volümetrik şişeye duvarlarına yapışan asit yıkayın.
- kuvvetli bir şekilde karıştırılırken amine sülfürik asit damla damla ekleyin. Bu amin ve asit ve baz bir yanlış oranının kaynar yol açacak şekilde çözüm ısınmıyor emin olun. kantitatif transfer asit sağlamak için deiyonize su ile ilave bir huni içine durulayın.
Not: Iyonik sıvı solüsyonun büyük toplu amin ve sülfürik asit miktarı olarak buna uygun bir şişe hacminin artırılması ile yapılabilir. - Bir dönen buharlaştıncı kullanarak suyun çoğu buharlaşır. Su muhtevası ön işlemesi için gerekli olan su miktarının daha düşük olması gerekir.
Not: tamamen iyonik sıvının kuru gerekli değildir. Trietilamonyum hidrojen sülfat içeren bir kurutulmuş iyonik sıvılar olarak, oda sıcaklığında katı olan, iyonik sıvı içinde bir miktar su bırakmak için yararlı olabilir. Dondurularak kurutma aynı zamanda su muhtevasının düşürülmesi için kullanılabilir.
- Davlumbaz veya havalandırmalı muhafazada, 1 mol ağırlığındaManyetik bir karıştırma çubuğuna sahip olan, bir 1 L'lik yuvarlak tabanlı bir şişeye amin (trietilamin). Manyetik bir karıştırıcı plaka üzerinde bir buz banyosu içine yerleştirilir. amin buharlaşmasını en aza indirmek için derhal 250 mi ilave hunisi ekleyin.
- Teyit IL çözeltisi su içeriğini ayarlamak
Not: Su içeriği önemli bir deneysel değişkendir. Tedavi öncesi karışımında su gelebilir üç kaynağı vardır. Bunların hepsi göz önüne alınması gerekmektedir: (1) sentezlenebilir veya satın iyonik sıvı solüsyonu (2) su içinde bulunan su t içerdiğiO hava ile kurutulmuş biyokütle ve istenen son su içeriğine ulaşmak için bir pipetle ilave (3) herhangi bir su.- Titratör üreticinin talimatlarına göre hacimsel Kari Fischer titrasyonu ile sentezlenebilir veya satın iyonik sıvı solüsyonun su içeriğini belirlemek. önceden tartılmış bir şırınga kullanılarak titrasyon olarak IL birkaç damla ekleyin. titratör ilave sıvının ağırlığını girin ve titratör bir okuma görüntüler kadar bekleyin. su içeriğini kaydedin.
- Biyokütle ön işlemesi için bir su içeriğine karar. Bu deneyde, 20 ağırlık% kullanın. Bir döner buharlaştırıcı kullanılarak ağırlıkça% 5 istenen su içeriğine altındaki su içeriğini azaltmak ve 1.4.1'de tarif edildiği gibi, Kari Fischer titrasyonu ile yeni bir su içeriğine teyit etmektedir.
Not: iyi sonuçlar ağırlıkça% 20 su ile elde edilir; ancak bu her zaman ön işlemesi için uygun olmayabilir. Daha yüksek bir su içeriği çözücü maliyetini azaltmak için veya daha düşük bir viskoziteye seçilebilir.
<li> Deney için Hesaplamalar. - Iyonik sıvı solüsyon m sol, final ve biyokütle-to-çözücü oranı BM / sol nihai miktarına karar verin. Burada, ağırlıkça% 20 su ve 1:10 g / g kadar bir biyokütle için çözücü oranı ihtiva eden iyonik sıvı solüsyon, 10 g kullanımı.
Not: oranını çözücü biyokütle 01:10 (ağırlık / ağırlık) ise bu protokolde kullanılan tüpler, IL çözeltisi 18 g kadar sığabilir. Bir yüksek biyokütle-to-çözücü oranı (en çok 1: 2 ya da 1: 1) görünümünde bir ekonomik açıdan olumlu olduğu ama küçük ölçekte ön-muamele etkinliğini tehlikeye atabilir. - aşağıdaki denkleme 2'ye göre her bir örnek için gerekli (su içermeyen), iyonik sıvı miktarını belirlemek:
Denk. 2
Burada m, IL son gram iyonik sıvı solüsyonunun arzu edilen miktarı ve tuvalet son gram iyonik sıvı, M'lik gerekli miktarı bir </ Alt> iyonik sıvı çözeltisi içinde (% olarak) istenen su içeriğidir. - Daha sonra, aşağıdaki denklem 3'e göre, her bir basınç tüpü içine eklenecek sentezlenebilir veya satın iyonik sıvı solüsyonun miktarını hesaplayın:
Denk. 3
M'lik çözeltinin miktarı (gram olarak), her bir basınç tüpü içine eklenecek olduğunda, m, IL iyonik sıvı miktarı (gram olarak), ve tuvalet çözeltisi (% olarak) iyonik sıvı çözelti içinde su içeriği Kari Fischer titrasyonu ile belirlendiği gibi. - Aşağıdaki denklem 4 kullanılarak iyonik sıvı çözeltiye eklenecek biyokütle (fırında kurutulmuş ağırlık bazında) miktarını belirleyin. Bu deneyde, basınçlı bir tüp başı fırında kurutulmuş Miscanthus biyokütle 1 g kullanımı.
Denk. 4
ODW eklemek için biyokütle miktarı Nerede(gram olarak), her bir basınç borusu, M'lik içine ed son iyonik sıvı (gram olarak) çözeltisi ve istenen miktarda sol BM / nihai biyokütle için iyonik bir sıvı solüsyonunun arzu edilen orandır. - Aşağıdaki denklem 5 ile tüp içine ilave edilmesi gerekmektedir, hava ile kurutulmuş biyokütle ağırlığı belirlenmesi:
Denk. 5
Kablosuz ADSL biyokütle hava ile kurutulmuş ağırlık, ODW (gram olarak 1.5.4 belirlenen) deney için gerekli biyokütle ağırlığı fırında kurutulur (gram olarak) tüp içine ilave edilir ve Mc burada BM değerdir 1.2.3 tespit edilmiştir. - aşağıdaki denklem 6'ya göre istenen nihai su içeriği elde etmek için, bir pipet yardımıyla ilave edilmesi gerekmektedir, ne kadar suyun hesaplayın:
Denk. 6
Nerede m su miktarı isesu, son WC ön karışımı (burada ağırlıkça% 20) arzu edilen su içeriği, eklenecek, m sol.final çözücü (burada 10 g) miktarı, mc BM hava ile kurutulmuş biyokütle nem içeriği m BM eklenecek hava ile kurutulmuş biyokütle miktarı, WC sol sentezlenebilir veya satın iyonik sıvı solüsyonun su içeriği ve M'lik iyonik sıvı solüsyonun miktarıdır.
Denk. 1 
Denk. 2 
Denk. 3 
Denk. 4 
Denk. 5 
Denk. 6 2. Tedavi öncesi
Not: İşlem (birkaç gün) ya da (daha uzun süre) buzdolabı içinde oda sıcaklığında örnekleri bırakarak herhangi bir noktada kesilebilir.
- Teflon kapaklar ve silikon O halkalar ile üç 15 ml basınç tüpleri önceden tartın. Görme hiçbir çatlak veya kusurları var emin olmak için basınç tüpleri kontrol edin.
Not: İstenirse birden fazla iyonik sıvı ve biyokütle montaj büyük basınç boruları kullanılabilir, ancak ön-muamele sonucu olmazFarklı vial büyüklüğü tedavi edilen örnekler arasında, doğrudan karşılaştırılabilir. Biz daha iyi sızdırmazlık için ön-sızdırmazlık kapaklar kullanılması tavsiye edilir. - 10 ml'lik pipet, ölçekte basınçlı tüp ayakta içine iyonik sıvı solüsyon gerekli miktarda ekleyin. Tüp ayakta tutmak için mantar halkalarını kullanın. iyonik sıvı çözeltinin ağırlığı kaydedin ilave edildi. 1 g / ml olarak suyun yoğunluğuna varsayılarak, bir pipet kullanılarak 1.5.6 tespit çözeltiye gerekli miktarda su ekleme.
- Bir denge üzerinde alüminyum folyo (boyutlar 3 cm x 8 cm) bir parça yerleştirerek dengeyi darası ve biyokütle dışarı tartarak havada kurutulmuş lignoselüloz gerekli miktarda ekleyin. dengesini dara ve tüp biyokütle ekleyin. geri denge boş folyo koyun ve farkı kaydedin.
Not: Alternatif olarak, anti-statik tartım tekne kullanılabilmektedir. - Silikon O-ring ile bir teflon kapaklı kapağını kapatın. aşırı sıkmadan iyi bir mühür kontrol edin. p ağırlığını kaydedinbiyokütle ve iyonik sıvı ihtiva eden hava basıncı borular. biyokütle tüm iyonik sıvı ile temas edene kadar bir girdap çalkalayıcı kullanılarak tüp içeriğini karıştırın.
Not: Tüm O-ring malzemeleri, yüksek sıcaklıkta iyonik sıvılarla temas içinde olmak dayanabilir. Biz silikon iyi çalıştığını gördük. - istenen sıcaklığa önceden ısıtılmış olan bir ısılı fırında basınç boruları yerleştirin. Örneğin, 120 ° C ya da 150 ° C 'de 1 saat süre ile 8 saat tüpleri bırakın.
Not: Zaman ve sıcaklık önemli deneysel değişkenler vardır. Diğer zaman - sıcaklık kombinasyonları kullanılabilir. - Bir fırın eldiveni kullanarak fırından şişeleri çıkarın ve oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin bir davlumbaz koyun. su pişirme sırasında kaçan sağlamak için soğuttuktan sonra şişeleri ağırlığını kontrol edin.
3. Selüloz Yıkama
- Absolut 40 mi kullanılarak 50 ml'lik bir santrifüj tüpü içine Her tüpün içeriği aktarınE etanol. iyice karıştırın ve en az 1 saat oda sıcaklığında tüpü terk 1 dakika boyunca bir vorteks karıştırıcı kullanılarak tüp çalkalayın.
Not: Bu ayırım, ancak, daha az hassasiyet önerilen numune boyutu için gözlenebilir, filtrasyon kullanılarak gerçekleştirilebilir. - daha sonra 2,000 X g'de 50 dakika boyunca santrifüj tüpü, bir 30 saniye boyunca bir vorteks karıştırıcı kullanılarak tüp çalkalayın. Ayrı bir sıvı ve dikkatli olarak süzüldü, katı. bir karıştırma çubuğuna sahip olan yuvarlak tabanlı 250 mL'lik temiz bir sıvıyı toplamak.
- 50 ml tüp ve tekrar adım içine 40 ml 3.2 üç kez taze etanol ekleyin.
- yuvarlak koyarak iyonik sıvı etanol çıkarın ısıtma bloğu üzerinde şişeler dipli. soğuk kapan ile bir vakum pompasına her biri bağlayın. kuru buz ile tuzak doldurun ve 40 ° C'ye kadar ısıtma set. karıştırma ve pompa açın.
Not: Bu deney, bir paralel sentez set-up dayalı bir ev yapımı paralel evaporatör set-up kullanır. Paralel buharlaştırıcılar de purchas olabilirhazır ed. Alternatif olarak, döner bir buhar da kullanılabilir.
- yuvarlak koyarak iyonik sıvı etanol çıkarın ısıtma bloğu üzerinde şişeler dipli. soğuk kapan ile bir vakum pompasına her biri bağlayın. kuru buz ile tuzak doldurun ve 40 ° C'ye kadar ısıtma set. karıştırma ve pompa açın.
Pulp 4. Soxhlet Ekstraksiyon
- selüloz yüksükler içine ıslak yıkanmış hamuru aktarın ve bir kalem kullanarak her yüksük etiket.
- bir karıştırma çubuğuna sahip olan yuvarlak dipli şişe, temiz bir 250 ml'lik 150 mi mutlak etanol doldurun. Bir 40 ml Soxhlet çıkarıcı içine numune içeren yüksük takın bir kondansatör eklemek ve bir dolaşımlı soğutucu bağlı paralel çıkarıcı iş istasyonu üzerinde her şeyi yükleyin.
Not: etanol hamuru aktarmak için kullanılmışsa, yuvarlak tabanlı bir şişeye 150 ml tek fark ekleyin. - Tüm numuneler yüklendiğinde, karıştırma başlatıldı (sıcaklığı 18 ° C'ye ayarlanması) 135 ° C sıcaklığa ayarlanmış ve sirkülasyon açın. Toplam 20 saat hamur numuneleri ekstrakte edin.
- reflü durma noktasına gelmek için izin ısıtma kapatın. Sonra hem karıştırma ve serinlemek geçin. Soxhlet çıkarıcı dışarı yüksükler alıncımbız kullanarak ve davlumbaz yüksük gecede ıslak kağıt hamuru kurumaya bırakın.
- Biyokütle yıkama sıvısına Soxhlet ekstre sıvının ekleyin ve paralel bir buharlaştırıcı ya da 40 ° C 'de dönel bir evaporatör ile biyokütle yıkama etanol buharlaştırma devam edin.
- Bir analitik terazi üzerinde, darası alınmış bir alüminyum folyo parçası üzerine yüksük uçak kurutulmuş kağıt hamuru transfer ekstre hamurun hava ile kurutulmuş ağırlığı kayıt ve etiketli bir plastik torba içine aktarın. duvardan yüksük malzeme kazıma olmasa da her şeyi kurtarmak için deneyin.
- (Adım 1.4 daha önce gösterildiği gibi) fırında kurutulmuş verim hesaplanması için, hemen hamuru nem içeriğini belirler.
5. Lignin İzolasyon
- Tüm etanol buharlaştınldı sonra, 30 mL su ile bir 50 ml santrifüj tüpüne yuvarlak dipli bir reaksiyon iyonik sıvı aktararak lignini presipite. süspansiyon birleştirilir ve en az 1 saat bekletin.2,000 x g'de 20 dakika boyunca santrifüj ve boşaltılarak katıdan aynlır.
Not: Bu protokol, su 3 eşdeğer anti-solvent olarak kullanılır. arzu edildiği takdirde az antisolven kullanılabilir. yıkar, çıkarılmış su ve tekrar kullanım için geri kazanılan iyonik sıvı toplanabilir. - Santrifüj tüpü içindeki linyin pelet damıtılmış su, 30 ml ilave edilir. 1 saat ve santrifüj için karıştırma, inkübasyon tekrarlayın. 3 lignin yıkar toplam için bu adımı tekrarlayın.
- bir vakum fırın ve bir gece boyunca 45 ° C 'de delikli bir kapak kullanılarak santrifüj tüp içinde lignin kurutun. kilo Dara, lignin verimi belirlemek dengesine alüminyum folyo bir parça yerleştirmek için, fırından lignin eklemek ve hemen ağırlığı kaydedin. depolama için bir şişenin içine Lignini aktarın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
lignin çıkarma ve lignin çökeltme, tam miktarı hamuru ve glukoz Randıman, kullanılan biyokütle türüne bağlıdır geri tedavi çalıştırılan sıcaklık ve tedavi süresi. yüksek sıcaklıklarda, selüloz hidroliz ve bozulmasına sebep iyonik sıvı içinde kararsız ise kısa ön-muamele süreleri ve düşük sıcaklıklarda eksik ön yol açar. Seçilen iyonik sıvı da fraksiyonasyon prosedürünün sonucu önemli bir rol oynar.
Şekil 1, 120 ° C (bileşim analizi NREL protokolüne göre gerçekleştirilmiştir) 8 st trietilamonyum Hso 4 ön-muameleden sonra elde edilen işlenmemiş Miscanthus (çimen) ve çam (yumuşak) ve Miscanthus ve çam hamuru bileşimi gösterir. 21 Bu şekilden açıkça ortadadır th Ionosolv önese koşullar biyokütle iki türleri için farklı sonuçlar vermiştir. yumuşak ağaç ön esas olarak hemiselüloz ve sadece küçük bir miktarda kaldırılır ise çimen biyokütle durumunda, lignin ve hemiselüloz çoğu çıkarıldı. Kurtarılan hamurları enzimatik sakarifikasyon tabi tutuldu zaman ön sonuçları arasındaki fark eşit telaffuz edildi. Teorik glukoz salınımı 22 77 iken% Miscanthus için elde edilmiştir, çam sadece% 13 bulunmuştur. lignin çıkarma fark lignin verimleri yansıtılır:% 20 ve ilk biyokütle ağırlığının% 5 sırasıyla Miscanthus için lignin ve çam olarak elde edildi.
iki besleme stoğu ile ön-muamele sonucu arasındaki fark otlar ve yumuşak ağaç lignin mevcut farklı atfedilir; Angiospermaelerin G tipi lignin çim lignin daha kaldırmak için daha inatçı ve daha zordur.
Şekil 1. Miscanthus Bileşimi ve çam önce ve 120 ° C'de 8 saat boyunca [trietilamonyum] [HSO 4] ile% 20 ağırlık, su ile ön-muameleden sonra. Bu NREL kompozisyon analizi prosedürü ile saptanmıştır. 21, için referans 21 bakınız daha detaylı bir protokol. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Lignin Yeni CC bağları oluşur eter bağları ön-muamelesi sırasında ayrılır olduğunu göstermektedir heteronükleer kuantum uyumluluk (HSQC) NMR analizi ile karakterize edilebilir. 19. Bundan başka, gösterilmiştir GPC ile tahmin edilebilir molekül ağırlığı fazla olduğunu doğal bir linyin daha düşüktür. uzun ön zamanlarda molekül ağırlığı yoğuşma reaksiyonlar nedeniyle artar. Kükürt içeriği marjinal bir artış ve zaman içinde ligninin azot içeriğinin herhangi bir artışla kanıtlandığı gibi, iyonik sıvı ile ligninin reaksiyon az.
Daha fazla analizi ilgi halinde gerçekleştirilebilir. Geri kazanılan selüloz hamuru XRD analizi genellikle yüksek kristal gösterir. Kazanılan iyonik sıvı çözelti çözünmüş şekerler ve bunların bozunma ürünlerini tespit etmek için HPLC ile analiz edilebilir 17. 23
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Burada yer alan lignoselülozik biyokütle fraksiyonasyon için bir teknik, selüloz bakımından zengin hamuru ve lignin üretir. hemiselülozlar çoğu iyonik sıvı içinde çözülür ve hidroliz, ancak geri verilmez. hemiselüloz, şekerler istenirse, Ionosolv odunsuzlaştırılmasında önce hemiselüloz ön-ekstraksiyon aşaması gerekli olabilir. Şimdiye kadar iyonik sıvı içki bulunan tüm bozunma ürünleri, lignin kaynaklanan özellikle olanlar belirlemek ve ölçmek mümkün değildir tam olarak, biyokütle için kütle dengesi kapatmak mümkün olmuştur. geri dönüşüm ve kütle dengesine detaylı bir çalışma devam etmektedir ve kısa bir süre yayınlanan olması bekleniyor.
Kalan iyonik sıvı ve böylece laboratuar ölçekli analizi ağırlık verme, sakarifikasyon sırasında enzim aktivitesi azaltabilir hamuru yüzeyine yapışan etanol yıkaması, iyi bir ayrımı elde etmek için küçük bir ölçekte gereklidir. Bu unutulmamalıdırBu protokol tüketilen yıkama etanol hacimleri ölçek-up ile uyumlu değildir ve süreç ticari bir ölçekte ameliyat gerekiyorsa muhtemelen gerekli değildir.
kurmak Bu deneysel kütle transferini kolaylaştırmak için konveksiyon tamamen dayanır. Karıştırma ancak reaksiyonu kolaylaştırmak için beklenen ve potansiyel gerekli reaksiyon süreleri ve lignin çıkarma verimliliği değiştirebilir.
Genel olarak, sunulan biyokütle ön-muamele protokolü lignoselülozik biyokütle fraksiyonasyon için çok etkili olduğu gösterilmiştir. Sulu ve mekanokimyasal (yani, buhar patlaması) süreçleri üzerinde önemli avantajları geliştirilmiş seçicilik, yani temiz bir selüloz hamuru ve saflaştırılmış lignin vardır. Bir başka avantaj işleminin yapılabilir altında nispeten yumuşak şartlarıdır. Diğer lignin solvat süreçleri üzerinde Avantajları (yani, Kraft kağıt hamuru veya organosolv ön) basit Eylül vardırsermaye yatırımı düşürücü nedeniyle IL olmayan oynaklık, tazminat ve solvent geri kazanım. İzole lignin koku içermez. sunulmuştur Ionosolv işlemi işlevine asitleştirilmiş sulu etanol kullanan ORGANİK işlemine benzer. İyonik sıvılar ihmal edilebilir bir buhar basıncına (atmosferik doğru işlem basınçları azaltarak) olduğu gibi, ancak, çözücü geri kazanım farklıdır ve maruz kalma minimize çözücü buharların.
Çok yüksek sakarifikasyon verim elde gibi decrystallized selüloz hamuru neden 1-etil-3-metil-imidazolyum asetat ya da 1-bütil-3-metilimidazolyum klorür gibi susuz, bazik iyonik sıvılar kullanılarak iyonik sıvı işleme göre, burada kullanılan işlem sağlar biraz daha düşük glikoz verimleri yükselecek. 24 Bununla birlikte, mevcut süreç nem toleranslı, bu nedenle gerekmeyen enerji yoğun kurutma ve iyonik çok daha kolay sentezlenen sıvıları ve bu nedenle e kullanırönemli ölçüde daha az pahalı olması xpected.
İyonik sıvıların herhangi bir uygulama olduğu gibi, ana avantajlarından biri ayarlamak için olasılık imidazolyum gelen amonyum kadar ve sayı, uzunluk, simetri ve üzerindeki alkil zincirlerinin ikame değiştirerek değişen katyon çekirdek değiştirerek iyonik sıvı özellikleridir katyonudur. Bu protokolde kullanılan protik iyonik sıvılar olduğu özel bir durumda 25, asit baz oranı ve su oranı çözücünün tasarımı için kullanılabilir. 26, 27 bu kutuplar geniş bir yelpazesi ile çözücü yol açar, asitliğe viskoziteler ve diğer fiziksel özellikler.
ayarlanabilir diğer parametreler biyokütle yükleme, ön-muamele sıcaklığı ve zamanı, ve katkı maddeleri içerir. Buna ek olarak, çözücüler, ekipman, enerji girişi ile bağlantılı maliyetleri bu ön-muamele seçeneği ticari bir ortamda kullanılmak üzere olup olmadığını dikkate alınarak optimize edilmesi gerekir.
için, örneğin, çeşitli özelliklere sahip Ionosolv lignin izolasyonu, ya da selüloz ya da şeker türevi malzeme ve kimyasal maddelerin üretimi bulunmaktadır. Protokol daha karıştırılan reaktör veya sürekli akış reaktörü kullanılarak, örneğin, tadil edilmiş protokolleri hazırlamak için bir temel olarak kullanılabilir. Bu tür deneysel çalışmaların sonuçları bu iyonik sıvı bazlı fraksiyonlara ayırma işlemiyle tekno-ekonomik analiz için izin verecektir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Yazarlar çam pretreatments için deneysel veriler sağlamak için İklim Değişikliği ve Çevre, İklim-KIC ve EPSRC (EP / K038648 / 1 ve EP / K014676 / 1) finansmanı için ve Pierre Bouvier Grantham Enstitüsü kabul.
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).
