Gewinnung von Lignin mit hohen Gehalt an β-O-4 durch milde Ethanol Extraktion und seine Wirkung auf die Depolymerisation Ausbeute
7. Januar 2019
Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll zur Ethanol-Gewinnung von Lignin aus verschiedenen Biomassequellen führen. Die Wirkung von der Extraktionsbedingungen auf Lignin-Ausbeute und β-O-4-Inhalte werden präsentiert. Selektive Depolymerisation erfolgt auf die erhaltenen Lignine, hoch aromatische Monomer-Produkte zu erhalten.
Diese Methode beantwortet einige schlüsselmögliche Fragen im Bereich der Nutzung von Erneuerungsressourcen zu Lignin, einer Schlüsselkomponente der lignozellulosehaltigen Biomasse. Der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass es Ihnen ermöglicht, Lignin von guter struktureller Qualität aus verschiedenen Biomassequellen zu erhalten. Diese erwähnte Methodik zielt speziell auf die Beta 04-Verknüpfung ab.
Gleichzeitig verhindert es, dass Rekondensationsprozesse stattfinden. Dies ist sehr wichtig, da es die Bildung von Saiblingen verhindert. Mit dieser Methode können Beziehungen zwischen dem Ligninextraktionsverfahren und der Depolymerisationseffizienz hergestellt werden.
Im Allgemeinen, jeder von uns neu in diesen Methoden, wir kämpfen mit den Trainingsverfahren sowie die Analyse der vier Lignine, und die Depolymerisation Produktmischung. Um geschnittene Walnussschalen herzustellen, statten Sie einen Hammerschneider mit einem fünf Millimeter siv am Auslass aus, und füttern Sie die Walnussschalen in den Hammerschneider, indem Sie die gebrochenen Schalen in einem Ein-Liter-Glasbecher einsammeln. Um die kleinen Nussschalenfragmente herzustellen, die zum Fräsen benötigt werden, füttern Sie die gebrochenen Schalen in einen Mikrohammerschneider, der mit einem 2-Millimeter-Siv am Auslass ausgestattet ist, und sammeln Sie die geschliffenen Schalen in einem neuen Ein-Liter-Glasbecher.
Um Extrakte aus den gemahlenen Walnussschalen zu entfernen, fügen Sie 150 Gramm der Schalenprobe in einen 500 Millimeter runden Bodenkolben mit einem Rührstab und fügen Sie 200 Milliliter Toluin in den Kolben. Befestigen Sie einen Reflexkondensator am Kolben und erhitzen Sie das Gemisch in einem Ölbad mit kräftigem Rühren auf eine Refluxtemperatur von 111 Grad Celsius. Nach zwei Stunden, entfernen Sie den Kolben aus dem Bad, damit die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen, und belasten Sie die Mischung durch einen 185 Millimeter Durchmesser, zehn Mikrometer Porengröße Filter, um das Toluus zu entfernen.
Nach dem überNachter Erhitzen in einem Vakuumofen bei 80 Grad Celsius und 50 Millibar Druck fügen Sie 40 Gramm toluin behandelte Walnussschalenpartikel in eine 250 Milliliter Zirkondioxid-Schleifschüssel mit sieben Zirkondioxid-Schleifkugeln mit 20 MillimeterDurchmessern ein. 60 Millimeter Isopropanol wird der Schleifschüssel zugesetzt. Legen Sie die Schleifschüssel in die Drehschüsselmühle.
Schleifen Sie die Schalenpartikel in vier Zyklen von zwei Minuten Schleifen bei 27 mal g gefolgt von vier Minuten Ruhe pro Zyklus. Nach dem vierten Mahlzyklus die fein gemahlenen Walnussschalen in einen 500 Milliliter runden Bodenkolben geben und das Isopropanol durch Rotationsverdampfung bei 40 Grad Celsius und 125 Millibar Druck entfernen. Dann trocknen Sie die Walnussschalen in einem Vakuumofen über Nacht bei 50 Grad Celsius und 50 Millibar Druck.
Um Ethanosolv Lignin mit dem höchsten Beta-04-Gehalt zu erhalten, fügen Sie 25 Gramm Rohstoff in einen neuen 500 Milliliter Rundenkolben und fügen Sie 200 Milliliter eines 80 bis 20 Ethanol zu Wasserlösung, vier Milliliter 37%Hydrochlorid-Lösung und einen magnetischen Rührstab in den Kolben. Einen Refluxkondensator am Kolben anbringen und das Gemisch in einem Ölbad bei 80 Grad Celsius fünf Stunden lang unter kräftigem Rühren erhitzen. Nachdem die Mischung auf Raumtemperatur abgekühlt ist, filtern Sie die Lösung durch ein 185 Millimeter Durchmesser zehn Mikrometer Poren großes Sieb in einen neuen 500 Milliliter runden Bodenkolben und waschen Sie den Rückstand viermal mit 25 Milliliter Ethanol pro Wäsche.
Konzentrieren Sie die gesammelte Liquor durch Rotationsverdunstung bei 40 Grad Celsius und 150 Millibar Druck, gefolgt von Auflösung des erhaltenen Feststoffs in 30 Milliliter Aceton. Um das Lignin auszufällen, fügen Sie die Mischung auf 600 Milliliter Wasser und sammeln Sie das gefällte Lignin in einem 185 Millimeter Durchmesser, zehn Mikrometer Poren größe Sieb, waschen Sielignin viermal mit 25 Milliliter Wasser pro Wäsche. Das Lignin über Nacht bei Raumtemperatur im Filter überdampfen, anschließend über Nacht im Vakuumofen bei 50 Grad Celsius und 50 Millibar Druck in einer Glasdurchstechflasche trocknen.
Bestimmen Sie dann die Ausbeute des extrahierten Lignins auf einem Gleichgewicht. Zur Analyse der Ligninstruktur durch zweidimensionale Kernspinresonanz oder NMR-Analyse 60 Milligramm getrocknetes Lignin in 0,7 Milliliter deuter Aceton auflösen und diese Mischung einem NMR-Röhrchen hinzufügen. Fügen Sie diese NMR-Röhre zu einem NMR-Spektralphotometer hinzu und legen Sie die gewünschten Parameter fest, um ein geeignetes 2D-Proton-Hetero-Kern-Einzel-Quantenkohärenzspektrum zu erhalten.
Für die Lignin-Depolymerisation 50 Milligramm getrocknetes Lignin in eine 20 Milliliter Mikrowellen-Reaktionsdurchstechs mit einem magnetischen Rührer geben und 0,85 Milliliter 1, 4 Dioxan, 50 Mikroliter Ethylenglykol in 1, 4 Dioxan und 50 Mikroliter Octadecan in 1, 4 Dioxan in die Viale geben. Nach dem Schließen des Gefäßes die Lösung unter Rühren auf 140 Grad Celsius erhitzen. Wenn das Reaktionsgefäß die Zieltemperatur erreicht, fügen Sie 50 Mikroliter Eisen drei Trifluormethansulfat in 1, 4 Dioxan in das Gefäß, und rühren Sie die Reaktion für weitere 15 Minuten.
Nach dem Abkühlen der Reaktion auf Raumtemperatur filtern Sie die Flüssigkeit über Celite in ein Zwei-Milliliter-Zentrifugenrohr. Dann konzentrieren Sie die gesammelte Flüssigkeit über Nacht bei 35 Grad Celsius in einem Rotationsvakuumkonzentrator. Um die niedermolekularen Produkte zu extrahieren, hängen sie auf und schwellen Sie den Rückstand in 0,15 Milliliter Dichlormethan durch Wirbeln, 15 Minuten Beschallung und 30 Minuten in einem automatischen Rad an.
Um eine effiziente Monomerextraktion durchzuführen, ist es wichtig, das erhaltene Öl im Chlormethan zuerst richtig anzuschwellen. Dann ist es wichtig, die richtige Menge an Toluol hinzuzufügen, um selektiv die Unterseite Oligomere zu fällen. Niederschlagen Sie die Oligomere mit 0,75 Milliliter toluol, gefolgt von Wirbeln und zehn Minuten Beschallung.
Zentrieren Sie die Proben zehn Sekunden lang bei 5000 U/min und trennen Sie die leichte organische Flüssigkeit von den festen dicken öligen Rückständen und filtern Sie die Flüssigkeit über einen Literliterin in eine Glasflasche. Konzentrieren Sie dann die kombinierten organischen Phasen durch Rotationsverdampfung bei 40 Grad Celsius und 20 Millibar Druck. Und lösen Sie den öligen Rückstand in einem Milliliter Dichlormethan für die Analyse mittels Gaschromatographie auf.
Die nach jeder Extraktion erhaltenen Lignine weisen eine breite Palette von Farben und Partikelgrößen auf, wobei die Polymere, die aus milden Behandlungen gewonnen wurden, eine typisch rot-rosa Farbe und kleine Materialflocken aufweisen. Wenn härtere Bedingungen angewendet werden, weisen die erhaltenen Lignine eine braune bis bräunlich-gelbe Farbe auf, mit einer allgemeinen Materialertragssteigerung, ein Effekt, der für Walnuss-, Buchen- und Zedernhölzer im Vergleich zu Kiefernholz viel tiefgründiger war. Die NMR-Analyse der verschiedenen Lignine bestimmt das SGH-Verhältnis und die Menge der Verbindungen der extrahierten Polymere, insbesondere die Menge der Beta 04-Verbindungen.
Zum Beispiel, Lignine extrahiert unter milderen Bedingungen geben in der Regel höhere Mengen an Verbindungen. Acetolysereaktionen mit Eisen drei Trifluormethansulfat in Gegenwart von Ethylenglykol ergeben drei verschiedene Phenol-Acetals, die sich auf die s-, G- und H-Einheiten beziehen, die innerhalb der Lignine vorhanden sind, wobei höhere kombinierte Phenolacetalerträge für Lignine beobachtet werden, die unter milden Bedingungen extrahiert werden. Ein klarer Trend ist sichtbar, wenn der gesamte Beta 04-Gehalt berücksichtigt wird, wobei der höhere Beta-04-Gehalt in der Regel zu einer höheren Acetalausbeute führt.
Wenn die Ligninextraktionsausbeute und die anschließende Depolymerisationsausbeute kombiniert werden, wird aus der Biomassequelle ein Gesamtacetalertrag erzielt, der deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Biomassequellen zeigt. Bei der Durchführung von Ligninextraktionen ist es wichtig, den Extraktionsertrag mit der strukturellen Qualität des erhaltenen Lignins in Einklang zu bringen. Wenn Sie also die gemeldete Depolymerisationsmethode befolgen, können Sie tatsächlich wertschöpfende Aromaten in hoher Selektivität erhalten.
Diese Techniken werden anderen Forschern helfen, Zugang zu Mehrwertprodukten aus dem Ligninanteil der Ligninzellulose-Biomasse in guten Erträgen zu erhalten.
Übersicht
In diesem Artikel wird eine Methode zur Ethanolextraktion von Lignin aus verschiedenen Biomassequellen vorgestellt, wobei der Fokus auf der Ausbeute und strukturellen Qualität des extrahierten Lignins liegt. Das Protokoll betont die selektive Depolymerisation von Lignin zur Herstellung von aromatischen Monomeren in hoher Ausbeute und verhindert gleichzeitig eine Rekondensation.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Biomassenutzung
- Ligningewinnung
- Erneuerbare Ressourcen
Hintergrund
- Lignin ist ein Hauptbestandteil der lignocellulosischen Biomasse.
- Effiziente Extraktionsmethoden sind entscheidend für Anwendungen erneuerbarer Ressourcen.
- Die Beta-O-4-Verbindungen werden gezielt angegriffen, um die Ligninqualität zu verbessern.
- Die Verhinderung der Rekondensation ist entscheidend, um die Bildung von Kohlenstoffrückständen (Char) zu vermeiden.
Zweck der Studie
- Entwicklung eines zuverlässigen Protokolls zur Lignin-Extraktion aus Biomasse.
- Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Extraktionsbedingungen und Ligninqualität.
- Ermöglichung der Herstellung hochwertiger aromatischer Monomere.
Verwendete Methoden
- Vorbereitung von Biomasseproben durch Mahlen und Extraktion.
- Verwendung einer Ethanol-Wasser-Lösung zur Lignin-Extraktion.
- Charakterisierung der Ligninstruktur mittels NMR-Analyse.
- Depolymerisation des Lignins zur Gewinnung von Monomerprodukten.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Extraktion von Lignin mit hohem Gehalt an β-O-4-Bindungen.
- Herstellung optimaler Extraktionsbedingungen für die Ligninausbeute.
- Herstellung aromatischer Monomere durch selektive Depolymerisation.
- Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Extraktions- und Depolymerisationseffizienz.
Schlussfolgerungen
- Die Methode bietet einen robusten Ansatz für die Ligningewinnung.
- Sie erhöht das Potenzial, Lignin in erneuerbaren Anwendungen zu nutzen.
- Zukünftige Studien können auf diesen Erkenntnissen aufbauen, um die Ligninverarbeitung zu optimieren.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Methode behebt einen kritischen Engpass bei der Wertstoffnutzung von Lignin, indem sie die Extraktion von Lignin mit erhaltener β-O-4-Verknüpfung ermöglicht, die für eine hochgradige Depolymerisation zu wertschöpfenden aromatischen Monomeren unerlässlich ist. Indem sie die Extraktionsbedingungen mit der strukturellen Integrität und der chemischen Ausbeute in nachfolgenden Schritten verknüpft, unterstützt sie fundierte Entscheidungen über die Weiterverfolgung oder Einstellung von Projekten in der frühen Phase der Biorefinery-Prozessentwicklung. Der Ansatz verbessert die Vorhersagesicherheit bei der Auswahl von Biomasse-Rohstoffen und Extraktionsparametern für Produktionsverfahren nachwachsender Chemikalien.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Beurteilung der ligninischen Strukturqualität als Prädiktor für das Depolymerisierungspotential zur Synthese aromatischer Chemikalien.
- Operativer Wert: Bietet ein reproduzierbares Extraktionsprotokoll, um konsistente Lignin-Substrate für mechanistische Untersuchungen zu gewinnen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Herstellung von Ligninproben mit quantifizierbarem β-O-4-Gehalt für standardisierte Depolymerisierungsassays.
- Operativer Wert: Schafft einen Arbeitsablauf, der die Extraktionsausbeute mit der Monomerproduktion verknüpft und somit einen vergleichenden Screening von Biomassequellen ermöglicht.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Bewertung von Lignin als erneuerbarem Rohstoff für die nachhaltige Herstellung von phenolischen Verbindungen, die für Anwendungen der grünen Chemie relevant sind.
- Operationeller Wert: Zeigt, wie milde Extraktionsbedingungen Ertrag und Qualität ausbalancieren, um die Effizienz der nachgeschalteten chemischen Umsetzung zu optimieren.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode fügt sich in die frühe Entdeckungsphase der Ligninveredelung ein, in der die Auswahl der Rohstoffe und die Optimierung der Vorbehandlung der katalytischen Depolymerisierung und der Monomerenreinigung vorausgehen.
- Entdeckungsbiochemie: Ermöglicht die Hypothesenprüfung dazu, wie die Extraktionsintensität die Erhaltung nativer Ligninbindungen und die chemische Reaktivität beeinflusst.
- Screening: Stellt standardisierte Ligninextrakte bereit, um die Depolymerisierungseffizienz verschiedener lignocellulosehaltiger Quellen zu bewerten.
- Analytik: Nutzt NMR- und GC-basierte Monomerquantifizierung, um strukturelle und funktionelle Aussagen für die Prozessbewertung zu liefern.
- Translationale Forschung: Verbindet die Extraktionsqualität mit der Herstellung definierter aromatischer Monomere, die als Bausteine für bio-basierte Materialien verwendet werden können.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet ein skalierbares Extraktionsverfahren, das an verschiedene Biomassetypen angepasst werden kann, um konsistente Eingangsmaterialien für Veredelungspipelines bereitzustellen.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Zuversicht bei der Verknüpfung der Ligninstruktur mit der chemischen Ausbeute und verringert das Risiko von Fehlschlägen bei der nachgeschalteten Umwandlung.
- Operativer Wert: Bietet ein robustes und reproduzierbares Verfahren zur Ligninisolierung, das Rekondensation und Kohlebildung minimiert.
- Strategischer Wert: Ermöglicht datengestützte Auswahl von Rohstoffen und Verfahren, um die Kapitalnutzung in Biorefinerie-Prozessen zu verbessern.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Weiterentwicklung von Lignin-zu-Chemikalien-Wegen, indem die Abwägung zwischen Extraktionsqualität und -ausbeute geklärt wird.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der Vorbehandlung von Biomasse, der Lösungsmittel-Extraktion und analytischen Methoden wie 2D-NMR und GC.
- Basiert auf Standardlaborgeräten wie Rotationsverdampfern, Vakuumöfen, Mikrowellenreaktoren und Zentrifugationsanlagen.
- Setzt eine abgestimmte Zusammenarbeit zwischen den Bereichen Biomasseverarbeitung, analytische Chemie und Katalyse voraus, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
- Erfordert Anpassungen, wenn das Protokoll auf unterschiedliche lignocellulosehaltige Rohstoffe mit variabler Ligninzusammensetzung ausgeweitet wird.
- Zu den praktischen Einschränkungen gehört der Kompromiss zwischen Extraktionsausbeute und Erhaltung der β-O-4-Bindungen, da strengere Bedingungen die Ausbeute erhöhen, jedoch die Depolymerisationseffizienz verringern.
