Eine neue Methode für die Analyse von Pentosan in Jute Biomasse und deren Umwandlung in Zucker Monomere mit sauren ionischen Flüssigkeit

Zusammenfassung

Wir präsentieren ein Protokoll für die Synthese von C5-Zuckern (Xylose und Arabinose) aus einer erneuerbaren nicht essbare Lignocellulose Biomasse (z.B. Jute) mit der Anwesenheit von Brønsted sauren Ionische Flüssigkeiten (BAILs) als Katalysator im Wasser. Der BAILs Katalysator ausgestellt bessere katalytische Leistung als herkömmliche mineralische Säure Katalysatoren (H₂SO₄ und HCl).

Zusammenfassung

Vor kurzem sind Ionische Flüssigkeiten (ILs) für Biomasse Aufwertung in wertvolle Chemikalien aufgrund ihrer bemerkenswerten Eigenschaften wie thermische Stabilität, niedriger Dampfdruck, nicht-Brennbarkeit, höhere Wärmekapazität und abstimmbaren Löslichkeit und Säure verwendet. Hier zeigen wir eine Methode für die Synthese von C5-Zuckern (Xylose und Arabinose) aus der Pentosan in Jute Biomasse in einem ein-Topf-Prozess vorhanden durch die Verwendung einer katalytische Menge von Brønsted-Säure 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium Wasserstoff-Sulfat IL. Die saure IL wird im Labor synthetisiert und charakterisiert mit NMR spektroskopische Techniken für das Verständnis seiner Reinheit. Die verschiedenen Eigenschaften der Kaution werden wie Säurestärke, thermische und hydrothermale Stabilität, die zeigten, dass der Katalysator stabil bei einer höheren Temperatur (250 ° C ist) und verfügt über sehr hohe Säurestärke (H_o 1,57) gemessen. Die saure IL wandelt mehr als 90 % der Pentosan in Zucker und Furfural. Daher kann die Präsentation Methode in dieser Studie auch für die Bewertung von Pentosan Konzentration in anderen Arten von Lignozellulose Biomasse eingesetzt werden.

Einleitung

Biomasse hat großes Potenzial als erneuerbare Energie und chemische Quelle, denn es nachhaltige, kostengünstige und gleichmäßig verteilten im Gegensatz zu fossilen Ressourcen, die macht ihn zu einem der viel versprechende Kandidaten für fossile Rohstoffe ersetzen. Die geschätzte Erzeugung von Lignozellulose Biomasse ist 146 Milliarden Tonnen pro Jahr¹. Die Lignocellulose Biomasse besteht hauptsächlich aus Lignin, Zellulose und Hemizellulose als seine drei Hauptbestandteile. Lignin ist ein aromatisch Polymer aus Phenylpropanoid Einheiten hergestellt wird; auf der anderen Seite sind Zellulose und Hemizellulose die Polysaccharid-Teile der Lignocellulose Biomasse. Zellulose besteht aus Glucose-Einheiten durch β(1→4) Glykosid-Gestänge verbunden, während Hemizellulose aus C5-Zucker, C6-Zucker und Zucker Säuren durch β (1→4), β (1→3) und β (1→6) Glykosid-Bindungen^2,3miteinander verbunden besteht. Zusammen mit verschiedenen Lignocellulose Biomasse (Bagasse, Reishülsen, Weizenstroh, etc.) wird die Jute Lignozellulose Biomasse auch in sehr großen Mengen (ca. 98 % in 2014) in Asien im Vergleich zur gesamten Jute in der Welt produziert. Indien produziert 1.96 x 10⁶ Tonnen Jute Biomasse während Bangladesch 1,34 x 10⁶ Tonnen Jute Biomasse im Vergleich zu der Gesamtproduktion von Jute Biomasse der Welt (3,39 x 10⁶ Tonnen) in 2014⁴produziert. Die Nutzung dieser nicht essbare Biomasse wird Nachfrage nach Nahrungsmitteln nicht widersprechen. Daher ist es vorteilhaft, es als eine Aktie zu verwenden, zur Synthese einer Vielzahl von Wertschöpfung Chemikalien (Xylose, Arabinose, Furfural, 5-HMF (HMF), etc.). Laut dem US-Department of Energy gelten als einige der Top 30 Baustein Chemikalien abgeleitet aus Biomasse⁵Furfural und HMF. Furfural wird gewonnen aus Xylose oder direkt von Hemizellulose und viele wichtige Chemikalien konvertiert werden kann. Furfurylalkohol, Methyl Furan und Tetrahydrofuran sind wichtige Chemikalien aus Furfural⁶gewonnen. Umwandlung von Lignozellulose Biomasse wie Jute Biomasse in C5-Zucker und anderen wichtigen Chemikalien ist daher ein wichtiges Thema.

Umfangreiche Berichte zur Verfügung, über die verschiedenen Methoden der Katalysatoren für die Umwandlung von Lignozellulose Biomasse in Wert Chemikalien hinzugefügt werden. Die mineralischen Säuren (HCl und H₂SO₄) und heterogene Katalysatoren (Amberlyst, HMOR, HUSY, SAPO-44, etc.) waren wesentlich für die Umwandlung von Hemizellulose und Lignocellulose Biomasse in Zucker (Pentose und Hexose Zucker) verwendet und Furanen (Furfural und HMF)^7,8. Die Wiederverwendbarkeit und Korrosivität des mineralischen Säure ist ein wichtiges Thema. Allerdings sind mit der festen Säurekatalysator höhere Temperatur und Druck erforderlich, da die Reaktion an der Oberfläche des Katalysators erfolgt. Um diese Probleme zu überwinden, vor kurzem ILs sind für die Verwertung von Biomasse als Katalysator oder Lösungsmittel^{9,10,11,12,13,14}berichtet. Die Verwendung von IL als Lösungsmittel ist keine bessere Methode wegen ihrer höheren Kosten und der niedrigeren Dampfdruck des ILs, die Schwierigkeiten bei der Produkttrennung erstellt. Daher ist es unerlässlich, recycelbare IL als Katalysator (in kleinen Mengen) in einem Lösungsmittel Wasser-System für die Umwandlung von Biomasse zur Wertschöpfung nutzen Chemikalien.

Hier präsentieren wir Ihnen eine Methode, um 1-methyl-3-(3-sulfopropyl) Imidazolium Wasserstoff Sulfat sauren IL als Katalysator für die direkte Umwandlung von Pentosan im Jute-Biomasse in Zucker Monomere ohne jede Vorbehandlung verwenden. Allgemein, ILs werden gemeldet für die Vorbehandlung von Lignozellulose Biomasse^10,15,16,17 während die sehr große Menge von ILs für die Vorbehandlung der Biomasse verwendet wird. Daher ist es immer vorteilhaft, IL als Katalysator nutzen und Chemikalien ohne zusätzliche Behandlung Lignocellulose Biomasse umzuwandeln. Darüber hinaus wird in der vorliegenden Arbeit die Lignin-Konzentration in Jute Biomasse präsentiert anhand Klason-Methode, die verschiedenen aromatischen Monomere¹⁸umfunktioniert werden kann.

Protokoll

Mehrere in der Präsentation verwendeten Chemikalien sind giftig und karzinogen. Nutzen Sie alle entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen bei der Synthese von IL und Biomasseverarbeitung Durchführung.

1. Vorbereitung des sauren IL

1. Fügen Sie 7.625 Mmol 1,3-Propan-Sultone in ein 50 mL Runde untere Kolben hinzu und schließen Sie dann die Flasche mit einem gummiseptum.
2. Fügen Sie langsam 7.625 Mmol 1-Methylimidazol in 7.625 Mmol 1,3-Propanesultone (10 min) bei 0 ° C mit einer Spritze (1 mL).
3. Nach dem kompletten Zusatz von 1-Methylimidazol und 1,3-Propanesultone 15 mL trockener Toluol hinzufügen und die Mischung für 16 h bei 120 ° C, die solide experimentellen bekommen reflux.
4. Toluol mit Filterung trennen Sie der experimentellen und dann waschen Sie die experimentellen mit 40 mL Toluol. Setzen Sie für die Trocknung der experimentellen die Ofentemperatur auf 80 ° C. Sobald die Temperatur 80 ° C erreicht, halten Sie die Probe in den Ofen für 4 h und verwenden Sie dann die getrockneten experimentellen im nächsten Schritt.
5. Hinzufügen von Schwefelsäure in den experimentellen (gleich Maulwürfe von experimentellen und Schwefelsäure) mit Rundboden-Kolben mit einer Mikropipette 1.000 µL. Dann verbinden Sie die Rundboden-Flasche mit einem Reflux-Kondensator. Hitze und rühren Sie die Mischung bei 110 ° C für 12 h um gewünschten IL zu erhalten.
   Hinweis: Die Reaktion zwischen Schwefelsäure und experimentellen wird ohne Lösungsmittel durchgeführt.
6. Charakterisieren Sie nach der Synthese von sauren IL mit ¹H und ¹³C-NMR-Spektroskopie.

2. Bestimmung der Hammett-Säure (H_o)

1. 10 mg des Indikators p- Nitroaniline in einem 1 L volumetrischen Kolben und anschließend fügen Sie destilliertes Wasser um eine 1 L-Lösung zu machen hinzu. Schütteln Sie die Lösung gut von Hand für 2 Minuten und lassen Sie die Lösung für 1 h bis p- Nitroaniline im Wasser (leere Projektmappe) mischen.
2. Hinzufügen von 1,59 Mmol H⁺ Ion des sauren Katalysators (HCl/H₂SO₄/ sauren IL), 50 mL p- Nitroaniline Indikatorlösung und schütteln Sie die Lösung mit der Hand zum Mischen (Probelösung).
   Beachten Sie alle saure Katalysatoren in der vorliegenden Arbeit (HCl, H₂SO₄und sauren IL) werden einzeln in die 50 mL Indikatorlösung (Tabelle 1) zur Bestimmung der Hammett-Säure (H_o) hinzugefügt.
3. Führen Sie die UV-Messung von leeren Lösung (p- Nitroaniline) und Musterlösung (Katalysator mit p- Nitroaniline Lösung) und bestimmen Sie die Amax p- Nitroaniline.
4. Schließlich berechnen Sie die molaren Konzentrationen der Unprotonated [I] und protonierten [IH⁺] Indikator Lösungen mit dem Amax Wert von p- Nitroaniline und Probe-Lösungen. Berechnen Sie unter Verwendung der Gleichung unter² H_o
       Gleichung 1
   wo pK(I)_Aq ist die pK_ein des Indikators p- Nitroaniline im Wasser (pKa = 0,99), und [I] und [IH⁺] sind die molaren Konzentrationen von Unprotonated und protonierten Indikator Lösungen, beziehungsweise.

3. Analyse der Jute Biomasse

1. Analyse von pentosan
   Hinweis: Die Jute-Biomasse ist Ofen bei 105 ° C 16 h im Ofen getrocknet.
   1. 3 g Ofen getrocknet Jute Biomasse in einem 1 L Runde untere Kolben, und fügen Sie 100 mL 3,85 N HCl-Lösung hinzu.
   2. Verbinden Sie den Kolben mit der Destillation Apparat und starten Sie das Rühren und erhitzen, so dass die Lösung zu kochen beginnt.
   3. Zugeben Sie 250 mL 3,85 N HCl tropfenweise mit einem Trichter in den Rundboden-Kolben mit Jute-Biomasse und die HCl-Lösung.
   4. Pflegen Sie ein konstantes Volumen (100 mL) in den Rundboden-Kolben bei der Destillation von 3,85 N HCl-Lösung tropfenweise hinzufügen.
   5. Das Experiment zu stoppen, wenn 220 mL Destillat gesammelt werden. Dann verdünnen Sie das gesammelte Destillat bis 500 mL mit destilliertem Wasser.
   6. Die Probe mit UV-VIS-Spektrometer zu analysieren und erfassen die Absorption bei 280 nm.
   7. Bestimmen Sie die Pentosan % nach der folgenden Formel, mit der Absorption und Verdünnung Wert:
          Gleichung 2
      Hinweis: Diese Methode ist für Pentosan Analyse^9,19technische Vereinigung der Zellstoff- und Papier-Industrie (TAPPI) Methode aufgerufen. Wiederholen Sie das Experiment zwei-bis dreimal und den Durchschnittswert von Pentosan %. Bei Bedarf verdünnen Sie das gesammelte Destillat um die Absorption, die optimale Grenze zu erhalten.
2. Analyse des Lignins
   Hinweis: Entfernen Sie die Feuchtigkeit in der Jute-Biomasse vor Lignin Analyse vorhanden. Halten Sie die Jute-Biomasse in einem Ofen bei 105 ° C 16 h, um Feuchtigkeit zu entfernen.
   1. 1 g Jute Biomasse in ein 50 mL Fläschchen, und fügen Sie dann 15 mL 72 wt% H₂SO₄ in das Fläschchen mit Jute Biomasse. Rühren Sie die Mischung mit einer Heizplatte unter Rühren Anlage bei 30 ° C für 2 h.
   2. Fügen Sie 150 mL destilliertem Wasser in einem 1 L Runde untere Kolben und übertragen Sie die verdaute Biomasse-Probe (vorhanden in der Ampulle) in den Kolben.
   3. Waschen Sie das Fläschchen mit 195 mL Wasser und übertragen Sie die gewaschene Flüssigkeit in eine 1 L Runde untere Kolben mit verdaute Biomasse.
   4. Die Lösung für 4 h Reflux und Rundboden Kolben auf Raumtemperatur abkühlen. Warten Sie 12 h für die unlöslichen Lignin und Asche zu beruhigen.
   5. Filtern Sie die Lösung mit einem G2-Tiegel, um die unlösliche Lignin mit Asche zu erhalten. Dann waschen Sie die unlöslichen Feststoff mit 150 mL heißem Wasser zu machen, säurefrei.
   6. Der Feststoff (Lignin + Asche) bei 60 ° C 16 h im Ofen trocknen und weitere 105 ° C für 1 Stunde im Ofen trocknen.
   7. Halten Sie die Probe in den Exsikkator gestellt und nehmen Sie das Gewicht zu, wenn die Probe abgekühlt ist. Das Lignin gewonnen in diesem Stadium Asche enthält und daher heißt unkorrigierte Lignin.
   8. Führen Sie die Asche-Korrektur durch Erhitzen der gewonnenen Probe bei 650 ° C für 5 h in Gegenwart von Luft. Ermitteln Sie die Asche-Korrektur mit Hilfe der folgenden Formel:
          Gleichung 3

4. Umwandlung von Pentosan aus Jute Biomasse in Zucker

1. 2 g Ofen getrocknet Jute Biomasse zu einem Hochdruck- und Hochtemperatur-Batch-Reaktor (160 mL Parr Reaktor) hinzufügen. 60 mL Wasser zusammen mit 0,24 g sauren IL und erhöhen Sie die Temperatur auf 160 ° C.
2. Die Rührgeschwindigkeit bis 200 u/min eingestellt, während der Reaktor bis 160 ° c erwärmt wird Sobald die Temperatur von 160 ° C erreicht wird, erhöhen Sie die Rührgeschwindigkeit 600 u/min.
3. Die Reaktion für 1 h weiter. Dann die Rührgeschwindigkeit bis 200 u/min zu verringern und die Erwärmung zu stoppen.
4. Lassen Sie den Reaktor auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Stoppen Sie das Rühren zu, öffnen Sie des Reaktors und trennen Sie der Feststoff aus dem Reaktionsgemisch zu. Durchzuführen Sie die Analyse der Reaktionsmischung mittels HPLC.

Ergebnisse

Die genaue Höhe der Pentosan und Lignin erholte sich von der Biomasse hängt vom Typ der Lignocellulose Biomasse. Ähnliche Arten von Lignozellulose Biomasse aus verschiedenen Orten gesammelt haben unterschiedlichen Konzentration von Pentosan und Lignin. In dieser Studie verwendete Jute-Biomasse enthält 20 wt% Pentosan und 14 wt% Lignin.

Abbildung 1 zeigt den Vergleich der katalytisc...

Diskussion

Die Pentosan präsentieren in Jute-Biomasse-Umwandlung in C5 Zucker Monomere wird demonstriert mit verschiedenen Brønsted sauren Homogenkatalysatoren z. B. H₂SO₄, HCl und sauren IL. Darüber hinaus wurde das katalytische Ergebnis des sauren IL mit der IL ohne Säure (1-Butyl-3-Methylimidazolium-Chlorid) verglichen. Alle Reaktionen wurden in ein Parr Autoklaven bei 160 ° C im Wasser durchgeführt. Die Verwendung von sauren IL zeigte die höchste Pentosan-Konvertierung im Vergleich zu homogenen Säuren, die...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
1-Methylimidazol	Sigma Aldrich	M50834
1,3-Propansulfon	Sigma Aldrich	P50706	Feuchtigkeitsempfindliches
p-Nitroanilin	Sigma Aldrich	185310
Toluol	J. T. Baker	9460-03
Schwefelsäure	Honeywell-Fluka	30743	Hochkorrosives
Salzsäure	Säure Honeywell-Fluka	30719	Hochkorrosives
1-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid	Sigma Aldrich	900856	Hochhygroskopisch
D(+)-Xylose	Acros Organics	141001000
L(+)-Arabinose	Acros Organics	104981000
UV-Spektrometer	JASCO	V-670
Parr Reaktor	Parr USA	Seriese 4560
Parr Reaktorregler	Parr	USA Seriese 4848
Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (HPLC)	JASCO	Seriese LC-2000
Digitales Heizplattenrührgerät	Thermo Scientific	SP142020-33Q Cimarec
Ofenofen	Thermal Scientific	FB1400 Thermolyne Hochofen