Name: 木质纤维素生物质预处理低成本离子液体 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-10T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 42 s
Description: 了解如何使用低成本离子液体从木质纤维素生物质中分离纤维素和木质素，并通过酶解糖化获得高产率葡萄糖。该方法为生物炼制技术提供了可持续的绿色化学解决方案。

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作者感谢格兰瑟姆气候变化与环境研究所、Climate-KIC 和英国工程与自然科学研究委员会（EPSRC，项目编号 EP/K038648/1 和 EP/K014676/1）提供的资金支持，并感谢 Pierre Bouvier 提供松木预处理的实验数据。

注意：本实验所用的质子型离子液体由本实验室合成，尽管其中一些可能或即将实现商业化供应。所得到的离子液体具有酸性、腐蚀性，可能对皮肤和眼睛有刺激性（取决于所使用的胺类），因此操作时必须小心，穿戴适当的个人防护装备（实验服、护目镜、耐腐蚀手套）。
1. 准备
<ol>
	<li>准备和储存木质纤维素生物质
	<ol>
		<li>在实验前获取足量的木质纤维素生物质，例如 100 g 至 5 kg。 
		注：每次实验至少需要 3 g 生物质（每份 1 g，设三个重复）。</li>
		<li>收获后应尽快降低生物质的含水量，并在实验室中以风干形式储存。将生物质铺展在桌面或实验台上，静置约 2 周或直至其完全干燥，以实现风干。在此期间应定期翻动和搅动生物质以加快干燥进程。应在收获后一年内完成组分分离实验。 
		注：刚收获的木本生物质含水量可高达 50 wt%，而更稳定的风干生物质含水量为 5–12 wt%。</li>
		<li>将生物质研磨并过筛至选定的粒径范围。将干燥后的生物质储存于塑料袋或其他合适的容器中，待用。 
		注：针对本方案中处理的小样品，建议采用较小的粒径，例如 180–850 µm。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测定生物质的含水量（依据 NREL 协议）20
	<ol>
		<li>为测定生物质含水量，先在分析天平上称量一张铝箔（尺寸约为 5 cm × 5 cm）并记录其质量（mfoil）。随后称取约 100 mg 风干生物质置于铝箔上，并记录其精确的风干质量（mADW）。</li>
		<li>将铝箔折叠成包裹状，放入 105 °C 的鼓风烘箱中过夜（至少 4 小时）。</li>
		<li>取出包裹后立即放入干燥器中冷却 5 分钟，随后立即称重并记录烘干预留物加铝箔的精确质量（mODW+foil）。根据公式 1 计算生物质的含水量（%）mcBM： 
		<img alt="静态平衡方程；质量计算公式；科研分析；简洁教育关键词。" src="/files/ftp_upload/54246/54246eq1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 1">        公式 1 
		其中 mODW+foil 为烘干预留物（烘干生物质加铝箔）的质量，mfoil 为铝箔质量，mADW 为生物质的风干质量。所有质量单位应统一为 g 或 mg。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>离子液体的合成
	<ol>
		<li>在通风橱或通风密闭装置中，称取 1 摩尔胺类物质（三乙胺）至 1 L 圆底烧瓶中，并加入磁力搅拌子。将烧瓶置于磁力搅拌器上的冰浴中。立即安装 250 ml 滴液漏斗，以减少胺的挥发。 
		注：确保正确的酸碱比例对于实现预处理实验的可重复性至关重要。</li>
		<li>使用已知浓度的硫酸溶液（本例中为 5 mol/L）和容量瓶（200 ml）量取 1 摩尔硫酸。将硫酸转移至滴液漏斗中，并用去离子水冲洗容量瓶内壁，确保所有残留酸液均转移至滴液漏斗。</li>
		<li>在剧烈搅拌下将硫酸逐滴加入胺中。注意控制反应温度，避免溶液升温导致胺沸腾，从而影响酸碱比例。使用去离子水冲洗滴液漏斗内壁，确保酸液定量转移。 
		注：可通过相应增加胺和硫酸的用量以及烧瓶体积来制备更大批次的离子液体溶液。</li>
		<li>使用旋转蒸发仪蒸发大部分水分。离子液体溶液中的含水量应低于预处理所需的最终含水量。 
		注：无需将离子液体完全干燥。保留少量水分可能更有利，因为某些完全干燥的离子液体（如三乙基铵硫酸氢盐）在室温下呈固态。也可使用冷冻干燥机降低含水量。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>确认并调节离子液体溶液的含水量 
	注：含水量是重要的实验变量。预处理混合物中的水分可能来自三个来源，均需考虑：（1）合成或购买的离子液体溶液中所含的水分；（2）风干生物质中所含的水分；（3）通过移液器额外加入的水分，以达到最终目标含水量。
	<ol>
		<li>根据滴定仪制造商提供的说明，采用容量法卡尔·费休滴定测定合成或购买的离子液体溶液的含水量。使用预先称重的注射器向滴定仪中加入数滴离子液体。输入所加入液体的质量，等待滴定仪显示结果，并记录含水量。</li>
		<li>确定生物质预处理的目标含水量。本实验中采用 20 wt%。使用旋转蒸发仪将含水量调节至比目标值低 5 wt%，并通过卡尔·费休滴定（如 1.4.1 所述）确认新的含水量。 
		注：20 wt% 含水量通常可获得良好结果，但未必在所有情况下均为最优。可选择更高的含水量以降低溶剂成本或降低体系黏度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>实验相关计算
	<ol>
		<li>确定离子液体溶液的总质量 msol,final 和生物质与溶剂的比例 BM/solfinal。本实验中使用 10 g 含 20 wt% 水的离子液体溶液，生物质与溶剂质量比为 1:10 g/g。 
		注：本方案所用试管在生物质与溶剂比为 1:10（质量比）时最多可容纳 18 g 离子液体溶液。从经济角度考虑，较高的生物质与溶剂比（高达 1:2 甚至 1:1）更有利，但在小规模实验中可能影响预处理效果。</li>
		<li>根据以下公式 2 计算每个样品所需的（无水）离子液体质量： 
		<img alt="质量计算公式：m_IL = m_sol,final * (100% - wc_final)" src="/files/ftp_upload/54246/54246eq2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 2">      公式 2 
		其中 mIL 为所需离子液体质量（单位：g），msol,final 为所需离子液体溶液质量（单位：g），wcfinal 为离子液体溶液中目标含水量（%）。</li>
		<li>接下来，根据以下公式 3 计算需加入每个高压管中的合成或购买离子液体溶液的质量： 
		<img alt="溶液浓度化学分析中的溶质质量计算公式" src="/files/ftp_upload/54246/54246eq3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 3">      公式 3 
		其中 msol 为需加入每个高压管中的溶液质量（单位：g），mIL 为所需离子液体质量（单位：g），wcsol 为通过卡尔·费休滴定测得的离子液体溶液含水量（%）。</li>
		<li>使用以下公式 4 计算需加入离子液体溶液中的生物质质量（以烘干质量计）。本实验中每个高压管加入 1 g 烘干的芒草（Miscanthus）生物质。 
		<img alt="静态平衡方程 \(ODW = m_{sol, final} - \frac{BM}{sol_{final}}\) 用于计算。" src="/files/ftp_upload/54246/54246eq4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 4">      公式 4 
		其中 ODW 为需加入每个高压管的生物质质量（单位：g），msol,final 为所需离子液体溶液质量（单位：g），BM/solfinal 为生物质与离子液体溶液的目标质量比。</li>
		<li>使用以下公式 5 计算需加入试管中的风干生物质质量： 
		<img alt="用于计算生物质研究中烘干质量的风干质量公式" src="/files/ftp_upload/54246/54246eq5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 5">      公式 5 
		其中 ADW 为需加入试管的风干生物质质量（单位：g），ODW 为实验所需生物质的烘干质量（由 1.5.4 确定，单位：g），mcBM 为 1.2.3 中测得的数值。</li>
		<li>根据以下公式 6 计算需通过移液器加入的水量，以达到目标最终含水量： 
		<img alt="色谱过程中的水平衡方程；公式：m_water = WC_final * m_sol,final - m_CB_M * m_BM - WC_sol * m_sol。" src="/files/ftp_upload/54246/54246eq6.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 6">      公式 6 
		其中 mwater 为需加入的水量，wcfinal 为预处理混合物中的目标含水量（本例为 20 wt%），msol.final 为溶剂质量（本例为 10 g），mcBM 为风干生物质的含水量，mBM 为需加入的风干生物质质量，wcsol 为合成或购买的离子液体溶液的含水量，msol 为离子液体溶液质量。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 预处理
注意：可在室温下（数天）或在冰箱中（较长时间）放置样本，随时中断该过程。
<ol>
	<li>预先称量三个带有聚四氟乙烯（Teflon）盖和硅胶O型圈的15 ml耐压管。目视检查耐压管，确保无裂纹或缺陷。 
	注意：可根据需要使用可容纳更多离子液体和生物质的更大耐压管，但不同管尺寸处理的样品之间预处理结果不可直接比较。我们建议使用前端密封盖以实现更好的密封效果。</li>
	<li>将耐压管置于天平上，用10 ml移液器向其中加入所需量的离子液体溶液。使用软木垫圈保持试管直立。记录所加入离子液体溶液的重量。根据1.5.6步骤确定的量，使用移液器向溶液中加入所需量的水（假设水的密度为1 g/ml）。</li>
	<li>称取所需量的风干木质纤维素：将一张尺寸为3 cm × 8 cm的铝箔置于天平上，去皮归零后称取生物质。再次去皮归零，将生物质加入耐压管中。将空铝箔重新放回天平，记录差值。 
	注意：也可使用防静电称量舟代替铝箔。</li>
	<li>用带硅胶O型圈的聚四氟乙烯盖盖紧管口。检查密封情况，避免过度拧紧。记录含有生物质和离子液体的耐压管总重量。使用涡旋振荡器混匀管内物质，直至所有生物质均与离子液体充分接触。 
	注意：并非所有O型圈材料都能耐受高温下与离子液体的接触。我们发现硅胶材料表现良好。</li>
	<li>将耐压管放入已预热至目标温度的鼓风烘箱中。例如，在120 °C下放置8小时，或在150 °C下放置1小时。 
	注意：时间和温度是重要的实验变量。可采用其他时间–温度组合。</li>
	<li>使用烤箱手套从烘箱中取出耐压管，并将其放入通风橱中冷却至室温。冷却后再次称量耐压管重量，以确认在加热过程中无水分逸出。</li>
</ol>
3. 纸浆洗涤
<ol>
	<li>使用 40 ml 无水乙醇将每根试管中的内容物转移至 50 ml 离心管中。使用涡旋振荡器震荡 1 分钟以充分混匀，并将离心管在室温下静置至少 1 小时。 
	注意：也可采用过滤方式进行分离，但对于建议的样品量，其准确性可能较低。</li>
	<li>再次使用涡旋振荡器震荡离心管 30 秒，然后在 2,000 × g 条件下离心 50 分钟。通过小心倾倒分离液体与固体，将液体收集至洁净的 250 ml 圆底烧瓶中（内含搅拌子）。</li>
	<li>向 50 ml 离心管中加入 40 ml 新鲜乙醇，并重复步骤 3.2 三次。
	<ol>
		<li>通过将圆底烧瓶置于加热块上，去除离子液体中的乙醇。将每个烧瓶连接至带有冷阱的真空泵。向冷阱中加入干冰，并将加热温度设为 40 °C。开启搅拌与真空泵。 
		注意：本实验采用基于平行合成装置自行搭建的平行蒸发装置。也可购买现成的平行蒸发仪。或者，可使用旋转蒸发仪。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 纸浆的索氏提取
<ol>
	<li>将湿的洗涤后纸浆转移至纤维素套管中，并使用铅笔标记每个套管。</li>
	<li>在洁净的 250 ml 圆底烧瓶中加入 150 ml 无水乙醇，并放入搅拌子。将含有样品的套管插入 40 ml 索氏提取器中，连接冷凝管，并将整套装置安装在连接循环冷却器的平行提取工作站上。 
	注意：若使用乙醇转移纸浆，则仅需向圆底烧瓶中补加至总体积为 150 ml 所需的乙醇量。</li>
	<li>当所有样品加载完毕后，开始搅拌，将温度设定为 135 °C，并开启循环冷却器（温度设定为 18 °C）。总共提取纸浆样品 20 小时。</li>
	<li>关闭加热以停止回流，随后关闭搅拌和冷却系统。使用镊子将套管从索氏提取器中取出，并将湿润的纸浆在通风橱中于套管内过夜自然干燥。</li>
	<li>将索氏提取所得液体与生物质洗涤液合并，并使用平行蒸发仪或旋转蒸发仪在 40 °C 下继续蒸发去除生物质洗涤液中的乙醇。</li>
	<li>将空气干燥后的纸浆从套管中转移至分析天平上已称重的铝箔上，记录提取后纸浆的风干重量，并将其转移至已标记的塑料袋中。操作时应尽量回收全部样品，避免刮下套管材料。</li>
	<li>立即测定纸浆的水分含量，以计算烘干基产率（方法如前步骤 1.4 所示）。</li>
</ol>
5. 木质素的分离
<ol>
	<li>当所有乙醇完全蒸发后，将圆底烧瓶中的离子液体转移至50 ml离心管中，并加入30 ml水以沉淀木质素。混匀悬浮液，静置至少1小时。在2,000 × g条件下离心20分钟，通过倾析法分离上清液与固体。 
	注意：本方案中使用3当量的水作为反溶剂。如需要，也可使用较少的反溶剂。洗涤液可收集后去除水分，回收离子液体以重复使用。</li>
	<li>向离心管中的木质素沉淀物中加入30 ml蒸馏水。重复混匀、静置1小时及离心操作。共进行3次木质素洗涤。</li>
	<li>将离心管中的木质素在45 °C下用带穿孔盖的真空烘箱过夜干燥。为测定木质素产率，先将一片铝箔置于天平上归零，迅速加入烘箱中的木质素并立即记录重量。将木质素转移至样品瓶中保存。</li>
</ol>

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作者无任何利益冲突需要披露。

本文所介绍的木质纤维素生物质分级分离技术可产生富含纤维素的纸浆和木质素。大部分半纤维素溶解于离子液体中并发生水解，但未被回收。如果需要获取半纤维素糖类，可能需要在Ionosolv脱木质素之前增加一步半纤维素预提取工序。迄今为止，尚无法完全闭合生物质的质量平衡，因为无法识别和定量离子液体溶液中所有的降解产物，尤其是来源于木质素的降解产物。目前一项关于回收利用和质量平衡的详细研究正在进行中，预计即将发表。
在小规模实验中，乙醇洗涤是实现良好分离所必需的步骤，因为残留在纸浆表面的离子液体可能会在糖化过程中降低酶活性，从而影响实验室规模的分析结果。需要注意的是，本方案中使用的洗涤乙醇体积不适合放大生产，若在工业规模下运行该工艺，则可能无需如此大量的乙醇洗涤。
该实验装置完全依赖对流来促进传质。然而，搅拌有望促进反应，并可能改变所需的反应时间以及木质素的提取效率。
总体而言，所展示的生物质预处理方案在木质纤维素生物质的分级分离方面已被证明非常有效。与水相及机械化学（即，</...

以可持续方式满足人类的能源需求，是我们文明面临的最大挑战之一。预计未来50年内能源消耗将翻倍，这将对化石燃料资源造成更大压力。1 广泛使用化石燃料导致温室气体（GHG）在大气中不断积累，这一问题尤为严峻，因为化石燃料燃烧产生的CO2占人为温室效应的50%。2 因此，大规模应用可再生且碳中性的技术，对于满足未来世代日益增长的能源和材料需求至关重要。1, 3
植物生物质是最具多样性的可再生资源，可用于生产热能、电能以及含碳化学品、材料和燃料。与其他类型的生物质相比，木质纤维素生物质的主要优势在于其资源丰富、单位土地面积产量潜力高，且通常具有显著更低的二氧化碳排放。2 减排，其中包括土壤中较高的碳留存率。 4, 5 使用生物质的其他优势包括本地可获取性、将生物质转化为能源所需资本投入较低，以及防止土壤侵蚀。 8
木质纤维素原料的主要生产来源包括林业、农业部门以及城市废物管理。6 在限制森林砍伐、避免取代粮食作物以及防止潜在污染物释放的前提下，木质纤维素的生产具有进一步扩展的潜力。7 要使可再生生物质成为广泛可用的液体交通燃料和化学品来源，其加工过程必须在经济上具备与化石燃料转化技术相竞争的能力。9,10 实现这一目标的关键在于提高生物质衍生中间产物的产率和质量，同时降低成本。
木质纤维素含有高比例的糖类，可通过催化和微生物转化方式转化为燃料和化学品via催化和微生物转化。11 这些糖类在木质纤维素中以聚合物形式存在，即纤维素和半纤维素。它们可被水解为葡萄糖及其他单糖单体，进而用于生产生物乙醇和其他生物来源的化学品与溶剂。12
为了获取纤维素糖，必须通过物理、化学或联合工艺对生物质进行预处理4。预处理可以说是木质纤维素生物质高值化利用过程中成本最高的步骤，因此，改进预处理工艺的研究至关重要。
目前有多种预处理技术可供选择，其中特别值得关注的是能够将木质素与纤维素分离的技术（分馏预处理）。木质素是木质纤维素中的第三大主要成分，会限制水解试剂对纤维素和半纤维素的接触，从而降低每吨原料的糖产率。 11 分离得到的木质素若能达到合适的质量，可作为生物炼制过程中的额外中间产物加以利用。 13 一种分馏工艺是硫酸盐法，这是纸张/纤维素生产中最常见的预处理方法。在硫酸盐法制浆过程中，将木片置于氢氧化钠和硫化钠的混合液中，在高压下加热至约170 °C的高温。 14 碱性反应通过将半纤维素和木质素降解为短片段，从而将其去除。 通过 亲核催化和碱催化，以及溶解木质素片段 通过 酚羟基/醇羟基的去质子化。另一种常见的脱木质素方法是有机溶剂法（Organosolv process），该方法同样可使木质素和半纤维素发生断裂并溶解。该过程不使用碱性水溶液，而是采用乙醇和乙酸等有机溶剂，在160–200 °C的高温和5–30 bar的压力条件下进行。与硫酸盐法制浆相比，有机溶剂预处理具有减少空气和水污染的优势。 15 这两个过程若用于生产化学品和燃料而非纤维素，均存在一定的经济挑战。 16 Ionosolv 预处理使用离子液体，这类盐的熔点低于 100 °C，由于其强烈的库仑相互作用，具有极低的蒸气压。 17 这消除了预处理过程中的空气污染，并可在常压或接近常压条件下进行处理。
尽管大多数离子液体需要通过繁琐的多步合成方法制备，但质子型离子液体却可以通过一步法由大宗商品化学品合成，从而降低成本；据估计，某些离子液体的大规模生产成本可低至每千克1.24美元，与丙酮和甲苯等常见有机溶剂相当。18 这些可定制的离子液体能够在相对较低的温度和压力条件下被回收并重复使用，使其成为生物精炼过程中一种更温和且具有经济吸引力的替代方案。
本详细视频方案展示了一种实验室规模的Ionosolv工艺，用于木质纤维素生物质的脱木质素处理，以及富含纤维素浆料的后续酶法糖化过程，同时可回收高纯度、无气味的木质素。19

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;IL合成&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>圆底烧瓶，标准磨口接头 24/29 NS，1,000 ml</td><td>Lenz</td><td>3 0024 70</td><td>VWR 产品编号 271-1309</td></tr><tr><td>250 ml 滴液漏斗，带刻度，29/26 磨口尺寸，0-4&amp;nbsp;mm PTFE 阀</td><td>GPE</td><td>CG-1714-16</td><td></td></tr><tr><td>碟形杜瓦瓶，SCH 31 CAL&amp;nbsp;</td><td>KGW-等温线</td><td>1197</td><td></td></tr><tr><td>200 ml 溶量瓶</td><td>VWR</td><td>612-3745&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>软木环、巴斯德移液管和滴管、装有去离子水的洗瓶、大磁力搅拌子</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;生物质尺寸减小&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>重型切割研磨仪 SM2000&amp;nbsp;</td><td>Retsch&amp;nbsp;</td><td>已停止</td><td>替换为切割研磨仪 SM 200 (20.728.0001)&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>底部筛网（10目方孔，用于颗粒尺寸） &amp;lt;2 mm</td><td>Retsch&amp;nbsp;</td><td>03.647.0318</td><td>切割磨机部件</td></tr><tr><td>分析筛分仪 AS 200</td><td>Retsch&amp;nbsp;</td><td>30.018.0001</td><td>筛分机部件</td></tr><tr><td>测试筛 200 mm &amp;Oslash; x 50 mm 高度 ISO 3310/1（180 &amp;micro;m)</td><td>Retsch&amp;nbsp;</td><td>60.131.000180</td><td>筛分机部件</td></tr><tr><td>200 毫米试验筛 &amp;Oslash; x 50 mm 高度 ISO 3310/1（850 &amp;micro;m)</td><td>Retsch&amp;nbsp;</td><td>60.131.000850</td><td>筛分机部件</td></tr><tr><td>收集盘，不锈钢，200&amp;nbsp;毫米 &amp;Oslash;，高度 50 mm</td><td>Retsch&amp;nbsp;</td><td>69.720.0050</td><td>筛分机部件</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;旋转蒸发仪&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>旋转蒸发仪（Rotavapor R-210）</td><td>Buchi&amp;nbsp;</td><td>已停止</td><td>替换为 Rotavapor R-300</td></tr><tr><td>水浴锅（加热浴 B-491）</td><td>Buchi&amp;nbsp;</td><td>48201</td><td>旋转蒸发仪的组成部分</td></tr><tr><td>循环器&amp;nbsp;</td><td>Julabo</td><td>F25</td><td>旋转蒸发仪的部件</td></tr><tr><td>真空泵（MPC 101 Z）</td><td>Ilmvac GmbH</td><td>412522</td><td>旋转蒸发仪的组成部分</td></tr><tr><td>真空控制器（真空控制箱 VCB 521）</td><td>Ilmvac GmbH</td><td>600053</td><td>旋转蒸发仪的部件</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;平行蒸发仪&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>StarFish 基础培养板 135&amp;nbsp;毫米（用于Radleys） &amp;& IKA)</td><td>Radleys</td><td>RR95010</td><td>平行蒸发仪组件</td></tr><tr><td>5 x 250 单体块&amp;nbsp;毫升培养瓶</td><td>Radleys</td><td>RR95130&amp;nbsp;</td><td>平行蒸发仪组件</td></tr><tr><td>带魔术贴的伸缩式五向夹具</td><td>Radleys</td><td>RR95400</td><td>平行蒸发仪组件</td></tr><tr><td>带连接器的气体/真空歧管</td><td>拉德利斯</td><td>RR95510&amp;nbsp;</td><td>平行蒸发仪组件</td></tr><tr><td>650&amp;nbsp;毫米棒</td><td>Radleys</td><td>RR95665&amp;nbsp;</td><td>平行蒸发仪组件</td></tr><tr><td>快速释放公接头，R/A倒刺式，6.4&amp;nbsp;毫米 + 关闭（3.2&amp;nbsp;mm 内径</td><td>Radleys</td><td>RR95520</td><td>平行蒸发仪组件</td></tr><tr><td>搅拌器/加热板</td><td>Radleys</td><td>RR98072</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>温度控制器</td><td>Radleys</td><td>RR98073</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>椭圆形搅拌子 15&amp;nbsp;毫米 稀土</td><td>Radleys</td><td>RR98097&amp;nbsp;</td><td>平行蒸发仪组件</td></tr><tr><td>真空冷阱，塑料涂层，PTFE旋塞</td><td>Chemglass</td><td>CG-4519-01</td><td>平行蒸发仪组件</td></tr><tr><td>真空泵（MPC 101 Z）</td><td>Ilmvac GmbH</td><td>412522</td><td>平行蒸发仪组件</td></tr><tr><td>Tygon E-3603 管路，6.40&amp;nbsp;毫米（内径）12.80&amp;nbsp;毫米（外径）</td><td>Saint-Gobain/VWR</td><td>228-1292&amp;nbsp;</td><td>平行蒸发仪组件</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;平行索氏提取器&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>StarFish 基底板 135&amp;nbsp;毫米（用于Radleys） &amp;和 IKA）</td><td>拉德利斯</td><td>RR95010&amp;nbsp;</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>5 x 250 单体块&amp;nbsp;毫升培养瓶</td><td>Radleys</td><td>RR95130&amp;nbsp;</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>带魔术贴的伸缩五向夹具</td><td>Radleys</td><td>RR95400&amp;nbsp;</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>带硅胶带和长手柄的伸缩五向夹</td><td>Radleys</td><td>RR95410&amp;nbsp;</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>带连接器的水管总管</td><td>Radleys</td><td>RR95500&amp;nbsp;</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>650&amp;nbsp;毫米棒</td><td>Radleys</td><td>RR95665&amp;nbsp;</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>快速释放公接头，R/A 带倒刺 6.4&amp;nbsp;毫米 + 关断（3.2&amp;nbsp;毫米内径</td><td>Radleys</td><td>RR95520&amp;nbsp;</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>标准磨口29/32 NS的盘管冷凝器</td><td>Lenz</td><td>5.2503.04&amp;nbsp;</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>索氏提取器 40&amp;nbsp;29/32 型硼硅酸盐玻璃磨口接头，24/29 型锥形接头</td><td>Quickfit</td><td>EX5/43&amp;nbsp;</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>搅拌器/加热板</td><td>Radleys</td><td>RR98072</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>温度控制器</td><td>Radleys</td><td>RR98073</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>循环器</td><td>资助</td><td>LTC1</td><td>索氏提取器的组成部分</td></tr><tr><td>纤维素提取套管</td><td>Whatman</td><td>2280-228</td><td></td></tr><tr><td>镊子</td><td>Excelta</td><td>20A-S-SE</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;真空干燥箱&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>真空干燥箱</td><td>结合剂</td><td>VD 23</td><td>真空烘箱部件</td></tr><tr><td>杜瓦瓶 2&amp;nbsp;L 100&amp;nbsp;x&amp;nbsp;290&amp;nbsp;带手柄的毫米刻度</td><td>KGW-等温线</td><td>10613</td><td>真空烘箱部件</td></tr><tr><td>真空捕集器</td><td>GPE</td><td>CG-4532-01&amp;nbsp;</td><td>真空烘箱部件</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;其他设备&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>分析天平</td><td>A&amp;研发</td><td>GH-252</td><td>准确性 &amp;plusmn; 0.1 mg</td></tr><tr><td>容积法卡尔·费休滴定仪</td><td>Mettler Toledo</td><td>V20</td><td></td></tr><tr><td>10 ml 一次性移液管</td><td>康宁公司</td><td>Costar 4101 10 mL 移液管</td><td></td></tr><tr><td>Eppendorf Research plus 可调体积移液器，体积范围 100-1,000&amp;nbsp;&amp;mu;l</td><td>Eppendorf</td><td>3120000062</td><td></td></tr><tr><td>干燥器</td><td>Jencons</td><td>JENC250-028BOM</td><td></td></tr><tr><td>Ace压力管衬套型，前密封，体积15&amp;nbsp;毫升</td><td>Ace Glass</td><td>8648-04&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Ace O型圈，硅胶，2.6&amp;nbsp;毫米，内径 9.2&amp;nbsp;毫米&amp;nbsp;</td><td>Ace Glass</td><td>7855216</td><td>压力管用O形圈</td></tr><tr><td>涡旋振荡器</td><td>VWR International</td><td>444-1378（英国）</td><td></td></tr><tr><td>风扇辅助对流烘箱</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>HeraTherm OMH60</td><td></td></tr><tr><td>烤箱手套（Crusader Flex）</td><td>Ansel Edmont</td><td>42-325</td><td></td></tr><tr><td>250 ml 单颈圆底烧瓶，磨口接头 24/29（Pyrex）</td><td>Quickfit&amp;nbsp;</td><td>FR250/3S</td><td></td></tr><tr><td>旋转密封阀转接头，带24/29锥形接口</td><td>Rotaflo 英格兰</td><td>MF11/2/SC</td><td></td></tr><tr><td>50 ml Falcon管</td><td>Heraeus/Kendro</td><td>HERA 76002844</td><td></td></tr><tr><td>离心机（Mega Star 3.0）</td><td>VWR&amp;nbsp;</td><td>521-1751</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;试剂&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>无水乙醇</td><td>VWR</td><td>20820.464</td><td></td></tr><tr><td>三乙胺</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T0886</td><td></td></tr><tr><td>硫酸 5 mol/L（10&amp;nbsp;N) AVS TITRINORM 滴定液 安全断裂瓶 2.5&amp;nbsp;L</td><td>VWR</td><td>191665V</td><td></td></tr><tr><td>纯化水（15 M&amp;Omega; 抗性</td><td>Elga</td><td>CENTRA R200</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;木质纤维素生物质&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>芒草×巨大芒</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pinus sylvestris</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

低成本离子液体预处理木质纤维素生物质

Pretreatment of Lignocellulosic Biomass with Low-cost Ionic Liquids

近年来，多种生产成本经济且具有吸引力的离子液体（ILs）作为多种木质纤维素原料脱木质素的介质，受到越来越多的关注。本文展示了这些低成本质子型离子液体在木质纤维素生物质解构中的应用（即Ionosolv预处理），可同时获得纤维素和高纯度木质素。在最通用的工艺中，质子型离子液体通过精确混合水相酸和胺类碱而合成，随后调节其含水量。在脱木质素过程中，将生物质置于高温下的离子液体溶液中，使木质素和半纤维素溶解，留下富含纤维素的浆料，可用于后续糖化（水解为可发酵糖）。随后通过加水使木质素从离子液体中沉淀析出，并以固体形式回收。去除所添加的水后，离子液体得以再生，可多次重复使用。该方案有助于深入研究质子型离子液体在商业化生物质预处理/木质素分级分离中的巨大潜力，以用于生产生物燃料或可再生化学品与材料。

木质素的去除量与沉淀量、回收纸浆量以及葡萄糖产率，均取决于所用生物质的种类、处理温度及处理时间。较短的预处理时间和较低的温度会导致预处理不完全；而温度过高时，纤维素在离子液体中变得不稳定，从而发生水解和降解。所选用的离子液体在分离过程的结果中也起着重要作用。
图1展示了未经处理的芒草（草类）和松木（软木）的组分，以及在120 °C条件下用三乙基铵硫酸氢盐（triethylammonium HSO4）预处理8小时后获得的芒草和松木浆的组分（组分分析依据NREL方案进行）21。从图中可以明显看出，在此条件下进行Ionosolv预处理对这两种生物质产生了不同的结果。对于草类生物质，大部分木质素和半纤维素被去除；而软木的预处理则主要去除了半纤维素，仅去除了少量木质素。当将回收的纸浆进行酶解糖化时，预处理结果的差异同样显著22。芒草实现了理论葡萄糖释放量的77%，...

采用廉价的质子型离子液体对木质纤维素生物质进行预处理，可得到脱除木质素且富含纤维素的浆料以及高纯度的木质素。该浆料经酶法糖化后可获得较高的葡萄糖产率。

近年来，一些生产成本经济实惠的离子液体（ILs）作为木质素脱除的介质，受到越来越多的关注……

本实验方法的总体目标是利用低成本离子液体从木质纤维素生物质中分离木质素和纤维素，并理解影响这些生物聚合物分离与提取的因素。该方法有助于回答生物炼制领域中的关键问题，例如如何使用低成本离子液体分离纤维素和一种新型木质素。我们的技术利用了离子液体独特的溶剂特性，其优势在于这些离子液体可使用低成本起始原料简便合成。该方法的可视化演示至关重要，因为其中许多步骤在亲眼观看后会更容易学习和操作，相比之下，阅读长达一页的描述则效果较差。本次演示将由 Florence、Clem、Wei-Chien 和 Lisa 完成，他们均为我实验室的研究生。根据滴定仪制造商的说明，采用容量法卡尔·费休滴定法测定合成或购买的离子液体溶液的水分含量。使用预先称重的注射器将几滴离子液体加入滴定仪中。输入加入滴定仪的液体质量，并等待滴定仪显示读数。记录含水量。使用旋转蒸发仪将含水量降低至比目标含水量低5 wt%，并通过卡尔·费休滴定法如前所述确认新的含水量。采用10克含有20 wt%水的离子液体溶液，且生物质与溶剂的比例为1:10，按照文本方案中所述进行必要的实验计算。预先称量三个带聚四氟乙烯盖和硅胶O形圈的15毫升压力管。目视检查压力管，确保无裂纹或缺陷。使用10毫升移液器，将所需量的离子液体溶液加入置于天平上的压力管中。使用软木环使试管保持直立。记录所加入离子液体溶液的质量。然后使用移液枪向溶液中加入计算量的水，假设水的密度为1克/毫升。通过将一块铝箔放在天平上，去皮，称量出所需量的风干液态木质纤维素。再次去皮，将生物质加入离心管中。将空铝箔放回天平，记录差值。使用带有硅胶O型圈的聚四氟乙烯盖子盖紧管盖。检查密封是否良好，注意不要过度拧紧。记录装有生物质和离子液体的压力管重量。然后使用涡旋振荡器混匀管内物质，直至所有生物质均与离子液体充分接触。将压力管置于已预热至目标温度的鼓风烘箱中。例如，在120摄氏度下放置8小时，或在150摄氏度下放置1小时。使用防烫手套将小瓶从烤箱中取出，放入通风橱中冷却至室温。冷却后称量小瓶重量，以确认加热过程中无水分损失。将每个小瓶中的内容物用40毫升无水乙醇转移至50毫升离心管中。使用涡旋振荡器震荡试管1分钟，充分混匀，并将试管在室温下静置至少1小时。再次涡旋震荡30秒后，以2,000 × g离心50分钟。通过小心倾倒分离液体和固体。将液体收集至含有搅拌子的洁净250毫升圆底烧瓶中。向15毫升离心管中加入40毫升新鲜乙醇，重复混合和离心步骤三次。将圆底烧瓶置于加热块上，除去离子液体中的乙醇。每个烧瓶通过冷阱连接至真空泵。向捕集器中加入干冰，并将加热温度设为 40 摄氏度。然后开启搅拌和泵。将湿法洗涤后的浆料转移至纤维素套筒中，并使用铅笔为每个套筒标记标签。将150毫升无水乙醇加入一个洁净的250毫升圆底烧瓶中，并放入搅拌子。将含有样品的萃取套管插入40毫升索氏提

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科研

JoVE Journal

Environment

环境

木质纤维素生物质预处理低成本离子液体

本文介绍了一种简单、快速测定大量植物生物质样品糖化潜力的方法。该分析的自动化平台包括在96孔板中制备植物生物质样品，并依次进行预处理、水解以及对释放糖分的定量分析。...

高通量木质纤维素材料糖化分析方法

可收集并处理工业废弃物，以分析微生物的生长情况。木质纤维素提取技术可提供用于分析特定生物降解能力的组分。气相色谱-质谱联用技术可用于鉴定在制浆废料上培养的微生物的发酵产物。这些方法可用于确定微生物降解制浆废料的代谢能力。...

促进微生物在造纸厂废液流中生长的方法及培养微生物降解潜力的表征

植物细胞壁的结构和化学特性被用于评估生物燃料和生物材料的理想原料。传统方法在处理大规模数据集时存在局限性。这些高通量的预处理、酶解糖化以及热解-分子束质谱分析方法，能够在减少实验时间和成本的同时，对大量生物质样品进行比较分析。...

木质纤维素生物质抗降解性变异的高通量筛选：总木质素、木质素单体及酶解糖释放

我们提出了一种从可再生的非食用木质纤维素生物质中合成C5糖（木糖和阿拉伯糖）的方案（即，黄麻）在存在布朗斯特酸性离子液体的情况下ø布朗斯特酸性离子液体（BAILs）作为水相催化剂。与传统的无机酸催化剂（H2SO4 和...

一种用于分析黄麻生物质中戊聚糖并利用酸性离子液体将其转化为单糖的新方法

本文介绍了一种从多种生物质来源中进行木质素乙醇提取的实验方案。展示了提取条件对木质素得率及β-O-4含量的影响。对所获得的木质素进行了选择性解聚，以制备高收率的芳香族单体产物。...

通过温和乙醇萃取提取高β-O-4含量的木质素及其对解聚产率的影响

OrganoCat 是一种在温和条件下对木质纤维素进行预处理和分级分离的方法，可将其分解为木质素、可发酵糖和纤维素浆料。该方法采用水和2-甲基四氢呋喃组成的生物来源双相溶剂体系，并以2,5-呋喃二羧酸作为催化剂，实现 OrganoCat 产物的分离 原位...

使用 OrganoCat 工艺对木质纤维素生物质进行分级分离

基于低共熔溶剂的微波辅助预处理是一种绿色环保、快速高效的木质纤维素分馏及高纯度木质素回收方法。...

从非常见地中海木质纤维素残渣中快速提取木质素

本文详细介绍了利用商业性等鞭金藻（Isochrysis）生产生物柴油并同时共分离高价值副产物烯酮的方法。...

从商业等鞭藻（Isochrysis）藻类生物质中制备生物柴油并联产烯酮的实验方案

我们开发了一种低成本且体积较小的飞行磨装置，该装置由常见物品组装而成，易于在实验中使用。利用该设备，我们测定了共生甲虫Platypus...

使用低成本、小型且易于构建的飞行磨测定共生甲虫 Platypus quercivorus（Murayama）的飞行能力

氨纤维膨胀（AFEX）是一种热化学预处理技术，可将木质纤维素生物质（例如玉米秸秆、稻草和甘蔗渣）转化为适用于生物燃料和动物饲料的高可消化原料。本文中，我们介绍一种在实验室规模下对木质纤维素生物质进行AFEX预处理的方法。...

氨纤维膨胀（AFEX）预处理木质纤维素生物质

了解如何使用低成本离子液体从木质纤维素生物质中分离纤维素和木质素，并通过酶解糖化获得高产率葡萄糖。该方法为生物炼制技术提供了可持续的绿色化学解决方案。

低成本离子液体预处理木质纤维素生物质

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