Introduction
회의 인류의 에너지 수요는 지속적으로 우리의 문명이 직면 한 가장 큰 도전 과제 중 하나입니다. 에너지 사용은 화석 연료 자원에 큰 부담을 가하고, 향후 50 년 동안 두 배로 예상된다. 1 CO 2의 연소에서 생성 된 넓은 확산 화석 연료의 사용을 통해 대기 중 온실 가스 (GHG)의 축적은, 특히 문제가 화석 연료는 인위적 온실 효과의 50 %에 대한 책임이있다.이 때문에, 재생 및 탄소 중립 기술 대규모 애플리케이션 세대의 증가 된 에너지 및 재료의 요구를 충족 필수적이다. 1,3
이 열, 전기뿐만 아니라, 탄소 계 화학 물질과 연료를 생산하는데 사용될 수있는 플랜트의 바이오 매스가 가장 다양한 재생 가능한 자원이다. 다른 바이오 매스 유형을 통해 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스의 주요 장점은 높은 수율의 체육에 대한 풍부한 잠재력이다토양 탄소의 높은 유지를 포함 토지와 종종 훨씬 더 높은 CO 2 배출량 절감의 연구 영역. 4, 바이오 매스를 사용하여 5 추가 혜택은 지역의 가용성, 에너지 바이오 매스를 변환하는 낮은 자본 요구 사항 및 토양 침식 방지를 포함한다. (8)
리그 노 셀룰로오스 원료의 주요 생산자는 산림 산업과 농업 분야뿐만 아니라 폐기물 관리입니다. (6) 리그 노 셀룰로즈 생산 삼림 벌채를 제한하고 식량 작물과 잠재적 오염 물질의 방출의 교체를 방지에 마음으로 확대 될 가능성이있다. (7) 액체 수송 연료 및 화학 물질의 가능한 광범위한 소스가 될 신 재생 바이오 매스의 경우, 그 처리는 화석 연료 변환 기술과 경제적 경쟁력을해야합니다. (9), (10)이 달성의 핵심이 감소하면서 수율 및 바이오 매스 유래 중간체의 질을 향상하는 것입니다 비용. </ P>
리그 노 셀룰로즈는 촉매 및 미생물의 전환을 통해 연료 및 화학 물질로 변환 할 수있는 설탕의 높은 비율을 포함한다. (11)이 당은 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 등의 고분자 형태의 리그 노 셀룰로즈 존재한다. 이들은 글루코스 및 다른 당 단량체를 가수 분해 한 후 에탄올 및 기타 생물 유래의 화학 물질과 용매의 제조에 사용될 수있다. (12)
셀룰로스 당에 액세스하기 위해, 바이오 전처리는 물리적, 화학적, 또는 혼합 과정을 통해 필요하다. (4) 전처리 틀림 목질 바이오 매스 가치화에서 가장 고가의 공정이다. 개선 된 전처리 공정에 따라서 연구가 필수적이다.
다양한 전처리 기술을 사용할 수 있습니다. 특히 관심 셀룰로오스 (fractionative 전처리)로부터 리그닌을 분리하는 것들이다. 리그닌, 세 번째 주요 구성 요소리그 노 셀룰로즈, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스에 에이전트를 가수 분해의 액세스를 제한하고 원료의 톤 당 설탕 수율을 감소시킨다. (11)이 적합한 품질에 고립되어있는 경우 분리 된 리그닌이 중간에 추가 바이오 리파이너리로 활용 될 수있다. (13) 하나 fractionative 프로세스가 크래프트 과정이다 종이 / 셀룰로오스 생산을위한 가장 일반적인 전처리이다. 크라프트 펄프에 목재 칩을 높은 압력 하에서 약 170 ℃의 상승 된 온도에서 수산화 나트륨 황화 나트륨 가열 혼합하여 배치되어있다. (14) 알칼리 반응 핵성 통해 짧은 단편 아래로 중합체를 끊어서 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 제거하고 및 페놀 성 수산기 / 알콜 기의 탈 양성자 화를 통해 리그닌 단편 용해 염기 촉매. 또 다른 일반적인 탈 리그닌 프로세스는 조각 및 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 용해 Organosolv 프로세스입니다. 오히려 알칼리 aqueo를 사용하는 것보다미국 용액, 에탄올 및 아세트산과 같은 유기 용매 5-30 줄에서 160-200 ℃로와 압력 사이의 범위 고온에서 사용된다. Organosolv 전처리가 덜 공기와 수질 오염을 생산하는 것을 펄프 화 크래프트를 통해 몇 가지 장점이있다.보다는 화학 물질과 연료의 생산에 사용하는 경우 15 두 프로세스가 어떤 경제 문제를 가지고 셀룰로오스. 16 Ionosolv 전처리는 염 이온 성 액체를 사용하는 그들의 강력한 쿨롱 상호 작용이 매우 낮은 증기압의 결과로서, 100 ℃ 이하의 융점을 가지며. (17)이 전처리 공정으로 공기 오염을 제거하고, 또는 대기압 근처의 처리를 가능하게한다.
대부분의 IL이 힘들고, 다단계 합성에서 생성되지만, 프로톤의 IL들을 저렴하게 범용 화학에서 단일 단계 공정에서 합성 될 수있다; 일부의 IL은 벌크 규모로 생산 될 수있는 것으로 추정된다아세톤, 톨루엔. 18 상대적으로 낮은 온도와 압력에서 작동하는 과정에서 이러한 사용자 정의 대한 IL 재활용 및 재사용 할 수있는 기능 등의 일반적인 유기 용매에 필적 kg 당 $ 1.24의 가격은 더 양성 대체하고 경제적으로 매력적인 후보이 있습니다 바이오 정제합니다.
상세한 영상 프로토콜 목질 바이오 매스 셀룰로오스 풍부한 펄프의 최종 효소 당화뿐만 아니라 고순도 무취 리그닌의 회수의 탈 리그닌 대한 Ionosolv 처리의 실험실 규모의 버전을 나타낸다. 19
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Protocol
주 : 일부 또는 시판 될 수도 있지만, 공정에 사용되는 프로톤 이온 성 액체는, 우리 실험실에서 합성된다. 생성 된 이온 성 액체는 산성 및 부식성 및 (사용 아민에 따라 다름) 아마 피부 / 눈 자극하고, 따라서 치료 입고 적절한 PPE (실험실 코트, 안전 사양, 내 화학성 장갑)을 처리해야합니다.
1. 준비
- 준비 및 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스를 저장
- 5kg에 예를 100g 업에 대한 충분한 양의 실험을하기 전에 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스를 가져옵니다.
참고 : 각 실험은 바이오 매스의 최소 3g (1g 세중의 각)가 필요합니다. - 곧 수확 후 수분 함량을 줄이고 실험실에서 공기 - 건조 형태로 매스 저장한다. 테이블이나 벤치에 바이오 매스를 확산하고 2 주 또는 건조 나타날 때까지를 떠나하여 바이오 매스를 공기 - 건조. 이동 t 동안 바이오 매스를 돌려그 시간은 프로세스를 가속화한다. 수확의 년 이내에 분류 실험을 수행합니다.
참고 : 공기 건조 바이오 매스, 더 안정 5-12 중량 %의 수분을 포함하는 동안 직접 수확 한 후, 목질 바이오 매스, 최대 50 중량 %의 수분을 함유 할 수있다. - 분쇄 및 선별 입도 범위로 바이오 매스 체. 비닐 봉투 또는 사용할 때까지 다른 적절한 용기에 건조 된 바이오 매스를 저장합니다.
참고 :이 프로토콜에서 처리 작은 샘플의 경우, 감소 된 입자 크기는 예를 180-850 μm의를 위해 좋습니다.
- 5kg에 예를 100g 업에 대한 충분한 양의 실험을하기 전에 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스를 가져옵니다.
- 20합니다 (NREL 프로토콜에 따라), 바이오 매스의 수분 함량을 결정
- 바이오 매스의 수분 함량을 결정하기 위해 분석 밸런스에 알루미늄 호일 (크기 대략 5cm X 5cm)의 조각을 preweigh 호일 (m 박)의 중량을 기록한다. 알루미늄 호일에 공기 건조 바이오 매스 중 약 100 mg의 무게를 측정하고 정확한 공기 DRI를 기록에드 무게 (m의 ADW).
- (적어도 4 시간 동안)을 밤새 105 ℃에서 팬 보조 오븐 패킷과 장소를 만들기 위해 알루미늄 박을 접어.
- 밖으로 패킷을 타고 5 분 동안 데시 케이 터에 즉시 배치, 즉시 패킷의 무게와 오븐 건조 중량 플러스 포일 (m의 ODW + 호일)의 정확한 무게를 기록한다. 수학 식 1에 따른 바이오 엠씨의 BM (%)에서 수분 함량을 계산한다 :
식. 1
m의 ODW + 호 오븐 건조 패킷 (오븐 건조 바이오 매스 플러스 호)의 중량이고, m 포일은 포일의 중량이며 ADW m은 매스의 공기 건조 중량이다. 모든 중량은 g 또는 밀리그램에 하나 있어야합니다.
- 이온 성 액체의 합성
- 흄 후드 또는 배출 인클로저에서 1 몰의 무게자기 교반 막대로 1 L 둥근 바닥 플라스크에 아민 (트리 에틸 아민)의. 자기 교반기 접시에 얼음 용기에 플라스크를 배치했다. 아민의 증발을 최소화하기 위해 즉시 250 ml를 첨가 깔때기를 추가합니다.
주 : 적절한 산을 보장 :베이스 비율은 전처리 실험의 재현성을 달성하기위한 높은 중요하다. - (예 5 몰 / L)에서 알려진 농도의 용액 및 부피 플라스크 (200 ㎖)을 사용하여, 황산 1 몰을 측정한다. 첨가 깔때기에 황산을 전송하고 탈 이온수로 첨가 깔때기로 메스 플라스크의 벽에 부착 된 임의의 산을 헹군다.
- 격렬하게 교반하면서 아민 황산 적가. 이 아민과베이스에 산의 부정확 한 비율의 비등으로 이어질 것 같은 솔루션은 가열하지 않습니다 있는지 확인하십시오. 정량적 전사 산성을 보장하기 위해, 탈 이온수를 이용하여 첨가 깔때기 내부를 헹구어.
노트: 이온 성 액체 용액의 대형 회분 아민 및 황산의 양뿐만 아니라 따라서 플라스크 부피를 증가시킴으로써 이루어질 수있다. - 회전 증발기를 사용하여 대부분의 물을 증발시켰다. 수분 함량은 전처리에 필요한 수분 함량보다 낮아야한다.
주 : 완전 이온 성 액체를 건조 할 필요가 없다. 이는 트리 에틸 암모늄 수소 설페이트 등 일부 말린 이온 성 액체로서, 실온에서 고체이며, 이온 성 액체에 물을 남겨 유리할 수있다. 동결 건조기는 또한 수분 함량을 낮추기 위해 사용될 수있다.
- 흄 후드 또는 배출 인클로저에서 1 몰의 무게자기 교반 막대로 1 L 둥근 바닥 플라스크에 아민 (트리 에틸 아민)의. 자기 교반기 접시에 얼음 용기에 플라스크를 배치했다. 아민의 증발을 최소화하기 위해 즉시 250 ml를 첨가 깔때기를 추가합니다.
- 확인 및 IL 용액의 수분 함량을 조절
주 : 수분 함량은 중요한 실험 변수이다. 전처리 혼합물 중의 물로부터 발생할 수 있다는 세 가지 소스가있다. 그들 모두 고려되어야한다 : (1) 합성 또는 산 이온 성 액체 용액 (2) 물에 함유 된 물이 t에 포함그 공기 건조 바이오 매스 및 원하는 최종 수분 함량을 달성하기 위해 피펫 첨가 (3) 임의의 물.- 적정 제조자에 의해 발행 명령에 따라 체적 칼 피셔 적정에 의해 합성 된 이온 성 액체 또는 구매 용액의 수분 함량을 결정한다. 미리 칭량 주사기를 이용한 적정에 IL 몇 방울을 추가한다. 적정 장치에 추가 액체의 무게를 입력하고 적정는 판독이 표시 될 때까지 기다립니다. 수분을 기록한다.
- 바이오 매스 전처리 물 함량을 결정. 이 실험에서, 20 중량 %를 사용합니다. 회전 증발기를 사용하여 5 중량 %의 바람직한 수분 함유량 아래의 물 함량을 감소 및 1.4.1에 설명 된 칼 피셔 적정에 의해 새로운 수분 함량을 확인.
주 : 좋음 결과는 20 중량 %의 물을 얻을 수있다; 그러나 이것은 항상 전처리에 대한 최적되지 않을 수 있습니다. 높은 수분 함량이 용매 비용을 감소시키기 위해 이하의 점도로 선택 될 수있다.
<리> 실험에 대한 계산. - 이온 성 액체 솔루션 m 졸, 최종 바이오 매스 - 투 - 용매 비율 BM / 졸 최종의 양을 결정합니다. 여기서, 20 중량 %의 물을 1:10 g / g의 매스 대 용매 비를 함유하는 이온 성 액체 용액 10 g을 사용한다.
주 : 비, 용매 매스 1:10 (중량 / 중량) 인 경우에는이 프로토콜에서 사용되는 튜브를 IL 용액 18g까지에 맞게 할 수있다. 높은 바이오 매스 - 투 - 용매 비율 (최대 1 : 2 또는 1 : 1) 경제적 관점에서 유리한하지만 작은 규모로 전처리 효능을 손상시킬 수 있습니다. - 다음 식 (2)에있어서 각 샘플에 대한 요구 (물이없는) 이온 성 액체의 양을 결정 :
식. 이
여기서 m의 IL은 최종의 g의 이온 성 액체 용액의 정량 및 WC 최종 g의 이온 성 액체, m 졸의 요구량이다 </ 서브> 이온 성 액체 용액 (%)에 원하는 수분 함량이다. - 다음에, 다음 수학 식 3에 따라 각각의 압력 튜브에 첨가되도록 합성 또는 산 이온 성 액체 용액의 양을 계산한다 :
식. 삼
m 졸 용액의 양 (그램) 각각의 압력 튜브에 첨가 될 수이고, m의 IL은 이온 성 액체의 필요한 양 (g 단위)이고, WC 졸 (% 단위) 이온 성 액체 용액의 수분 함량이고 카를 피셔 적정에 의해 측정. - 수학 식 4를 이용하여 이온 성 액체 용액에 첨가되는 바이오 매스 (오븐 건조 중량 기준)의 양을 결정한다. 이 실험에서, 압력 튜브 당 오븐 건조 억새 바이오 매스의 1g을 사용합니다.
식. 4
ODW 부가되는 바이오 매스의 양이고(g)에서 각 압력 튜브, m 졸에 에드 최종 이온 성 액체 (g)에서 용액의 목적하는 양을 졸 BM / 최종 생물량 대 이온 성 액체 용액의 바람직한 비율이다. - 하기 식 (5)를 사용하여 튜브에 첨가 할 필요가 공기 - 건조 바이오 매스의 무게를 결정
식. (5)
ADW는 바이오 매스의 공기 건조 중량, ODW은 (그램 1.5.4 결정) 실험에 필요한 바이오 매스의 무게를 오븐 - 건조 (그램) 튜브에 첨가 할 수 있고 MC 여기서 BM이 값은 1.2.3 결정. - 다음 수학 식 6에 따라 원하는 최종 수분 함량을 달성하기 위해 피펫으로 첨가 할 필요가 물의 양 계산 :
식. 6
여기서 m 물 양이다물을 최종 WC는 전처리 액 (여기에서는 20 중량 %)의 원하는 수분 함량이며, 추가 될 M 개의 sol.final 용매 (여기 10g)의 양이고, MC BM 공기 건조 바이오 매스의 수분 함량은 , m BM 추가되는 공기 건조 바이오 매스의 양이고, WC 졸 합성 또는 구매 이온 성 액체 용액의 수분 함량이고, m 졸 이온 성 액체 용액의 양이다.
식. 1 
식. 이 
식. 삼 
식. 4 
식. (5) 
식. 6 2. 전처리
주 : 프로세스 (며칠) 또는 (장기간 동안) 냉장고에 실온에서 샘플을 떠나는 모든 지점에서 중단 될 수있다.
- 테프론 모자와 실리콘 O 링 세 15 ml의 압력 튜브를 미리 무게. 시각들이 균열이나 결함이 없는지 확인 압력 튜브를 검사한다.
주 : 필요한 경우보다 이온 성 액체 매스 피팅 큰 압력 튜브가 사용될 수 있지만 전처리 결과 못해다른 유리 병 크기에 치료 샘플 간의 직접 비교합니다. 우리는 더 나은 밀봉을 위해 전면 밀봉 캡의 사용을 권장합니다. - 10 ml의 피펫 스케일에 압력관로 서, 이온 성 액체 용액의 요구량을 추가한다. 튜브 서 위로를 유지하기 위해 코르크 링을 사용합니다. 이온 성 액체 용액의 중량을 기록하여 첨가. 1g / ㎖로 물의 밀도를 가정, 피펫을 사용하여 1.5.6에서 결정된 용액에 물을 필요한 양을 추가합니다.
- , 균형에 알루미늄 호일 (크기 3cm × 8 CM)의 조각을 배치 균형을 테어 링 (taring)과 바이오 매스를 무게에 의해 공기 건조 리그 노 셀룰로즈의 필요한 양을 추가합니다. 균형을 용기와 튜브에 바이오 매스를 추가합니다. 다시 균형의 빈 호일을 놓고 차이를 기록한다.
참고 : 또는 대전 계량 보트가 사용될 수있다. - 실리콘 O 링과 테플론 캡 뚜껑을 닫습니다. 오버 체결하지 않고 좋은 도장을 확인합니다. 는 P의 중량을 녹음바이오 매스 및 이온 성 액체를 포함 ressure 튜브. 바이오 매스의 모든 이온 성 액체와 접촉 할 때까지 소용돌이 교반기를 사용하여 튜브의 내용물을 혼합한다.
주 : 모든 O 링 재료는 고온에서 이온 성 액체와 접촉하는 견딜. 우리는 실리콘이 잘 작동 것으로 나타났습니다. - 원하는 온도로 미리 가열 된 팬 보조 오븐에서 압력 튜브를 놓습니다. 예를 들어, 120 ℃ 또는 150 ℃에서 1 시간 동안 8 시간 동안 튜브를 떠난다.
참고 : 시간과 온도는 중요한 실험 변수입니다. 다른 시간 - 온도의 조합이 사용될 수있다. - 오븐 장갑을 사용하여 오븐에서 튜브를 제거하고 실내 온도에이 식도록 흄 후드에 배치합니다. 물이 요리하는 동안 탈출하지 보장하기 위해 냉각 후 유리 병의 무게를 확인합니다.
3. 펄프 워시
- 앱솔루트 40 mL로하여 50 mL의 원심 분리 튜브로 각 튜브의 내용물을 전송전자 에탄올. 잘 혼합하고, 적어도 1 시간 동안 실온에서 튜브를 떠나 1 분 동안 소용돌이 교반기를 이용하여 관을 흔들어.
주 : 분리도하지만, 낮은 정확도 제안 샘플 크기에 대해 관찰 될 수 있고, 여과를 이용하여 수행 될 수있다. - 다음 2000 x g에서 50 분 동안 튜브를 원심 분리하여, 다시 30 초 동안 소용돌이 교반기를 이용하여 관을 흔들어. 별도의 액체 및주의 디캔팅에 의해 고체. 교반 막대와 둥근 바닥 플라스크 깨끗한 250 ml의 액체를 수집합니다.
- 50 ML 튜브를 반복 단계에 40 ml의 3.2 세 번 신선한 에탄올을 추가합니다.
- 라운드를 배치하여 이온 액으로부터 에탄올을 제거는 가열 블록 플라스크 바닥. 콜드 트랩 진공 펌프에 각각 연결합니다. 드라이 아이스와 트랩을 작성하고 40 ° C까지 가열을 설정합니다. 교반 펌프에 전환합니다.
참고 :이 실험은 병렬 합성 설정에 따라 집에서 만든 병렬 증발기 설정을 사용합니다. 병렬 증발기는 purchas 수 있습니다기성 에드. 대안 적으로, 회전 증발기를 사용할 수있다.
- 라운드를 배치하여 이온 액으로부터 에탄올을 제거는 가열 블록 플라스크 바닥. 콜드 트랩 진공 펌프에 각각 연결합니다. 드라이 아이스와 트랩을 작성하고 40 ° C까지 가열을 설정합니다. 교반 펌프에 전환합니다.
펄프 4. 속 슬렛 추출
- 셀룰로오스 골무에 젖은 세척 펄프를 전송하고 연필을 사용하여 각 골무 레이블을 붙입니다.
- 교반 막대와 플라스크 둥근 바닥 깨끗한 250 ml의에 150 ml의 무수 에탄올을 입력합니다. , 40 ml의 속 슬렛 추출기에 샘플 함유 골무를 삽입 콘덴서를 추가하고 재순환 냉각 장치에 연결된 병렬 추출기 워크 스테이션에 모든 것을 설치합니다.
주 : 에탄올 펄프를 전송하기 위해 사용 된 경우, 둥근 바닥 플라스크에 150 ml의 유일한 차이를 추가한다. - 모든 샘플이로드 될 때, 저어, (온도가 18 ° C를 설정) 135 ° C까지 온도를 설정하고 순환기의 전원을 켭니다. 총 20 시간 동안 펄프 샘플을 추출합니다.
- 환류가 정지에 올 수 있도록 난방을 끄십시오. 그런 다음 두 교반 및 냉각 전환합니다. 속 슬레 추출기 밖으로 골무를 타고핀셋을 사용하고 흄 후드의 골무 하룻밤에 젖은 펄프 건조를 할 수 있습니다.
- 바이오 매스 세척에서 액체로 속 슬렛 추출에서 액체를 추가하고 병렬 증발기 또는 40 ° C에서 회전 증발기와 바이오 매스 세척에서 에탄올을 증발 계속합니다.
- , 분석 밸런스에 칭량 한 알루미늄 호일 조각 상 골무에서 공기 건조 펄프 전송 추출 된 펄프의 공기 건조 중량을 기록하고, 표지 된 플라스틱 백에 옮긴다. 벽 떨어져 골무 재료를 긁어하지 않으면 서 모든 것을 회복하려고합니다.
- (단계 140에서 이전에 도시 된 바와 같이)을 오븐 건조 된 수율을 계산하기 위해 바로 펄프의 수분 함량을 결정한다.
5. 리그닌 분리
- 모든 에탄올이 증발되면, 30 ml의 물을 사용하여 50 ㎖ 원심 분리 튜브로 둥근 바닥 플라스크에서 이온 성 액체를 전사함으로써 리그닌을 침전. 현탁액을 혼합하고 적어도 1 시간 동안 둡니다.2,000 XG에 20 분 동안 원심 분리기 및 경사에 의해 고체에서 솔루션을 분리합니다.
참고 :이 프로토콜에서, 물 3 당량 안티 솔벤트로 사용됩니다. 원한다면 이하 안티 솔벤트가 사용될 수있다. 세척이 제거 된 물과 반복 사용하기 위해 회수 된 이온 성 액체를 회수 할 수있다. - 원심 분리 관내 리그닌 펠렛에 증류수 30 ㎖를 추가한다. 1 시간 원심 분리를 위해 혼합, 배양를 반복합니다. 3 리그닌 세척 총에 대해이 단계를 반복합니다.
- 진공 오븐에서 밤새 45 ° C에서 관통 덮개를 사용하여 원심 분리 관 내부의 리그닌을 건조. 무게 포장용, 리그닌 수율을 결정 균형을 알루미늄 호일 조각을 배치 오븐에서 리그닌 추가 즉시 중량을 기록한다. 저장을위한 유리 병에 리그닌을 전송합니다.
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Representative Results
리그닌 제거 및 리그닌 침전의 정확한 양은 펄프 및 글루코오스 수율 사용한 미생물의 종류에 따라 달라 회복 처리가 실행되는 온도 및 처리 시간. 높은 온도에서 셀룰로오스를 가수 분해 및 분해에 이르는, 이온 성 액체의 불안정 동안 짧은 전처리 시간과 낮은 온도가 불완전 전처리로 이어집니다. 선택된 이온 성 액체는 또한 분류 과정의 결과에 중요한 역할을한다.
도 1은 120 ° C (조성 분석은 NREL 프로토콜에 따라 수행 하였다)에서 8 시간 동안 트라이 에틸 HSO 4 전처리 후의 치료 억새 (잔디), 소나무 (연질) 및 억새 소나무 펄프의 구성을 도시한다. (21) 이 그림에서 분명 그 일에 Ionosolv 전처리양반 조건은 바이오 매스의 두 가지 유형에 대해 서로 다른 결과를 얻었다. 연목 전처리 주로 헤미셀룰로오스 및 리그닌 소량만을 제거하면서 잔디 매스 경우, 리그닌 및 헤미셀룰로오스의 대부분을 제거 하였다. 회수 된 펄프를 효소 적 당화을 실시 할 때 전처리의 결과의 차이는 동일 발음 하였다. 이론적 글루코스 방출하면서 22 77 %가 억새 얻은 후, 소나무는 13 %를 수득 하였다. 리그닌 추출의 차이는 리그닌 수율에 반영된다 : 20 % 초기 매스 중량의 5 %를 각각 억새위한 리그닌 소나무으로서 회수 하였다.
둘 사이의 원료 예비 처리 결과의 차이는 잔디와 침엽수의 리그닌 본의 종류에 기인한다; 침엽수의 G 형 리그닌 잔디보다 리그닌 제거에 더 분해성 더 어렵다.
그림 1. 억새의 구성 및 소나무 전에 120 ° C에서 8 시간 동안 [트리 에틸] [HSO 4] 20 중량 %의 물을 전처리 후.이 NREL 성분 분석 절차에 의해 결정되었다. (21)가에 대한 참조 (21)을 참조하십시오 자세한 프로토콜입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
리그닌은 새로운 CC 결합 형성 동안 에테르 결합이 전처리시 분해되어 도시 이핵 양자 결맞음 (HSQC) NMR 분석에 의해 특성화 될 수있다. (19)이 추가로 도시 한 GPC에 의해 추정 할 수있는 분자량이 많은 것을 천연 리그닌보다 낮은. 이상 전처리 때때로 분자량 축합 반응으로 인해 증가한다. 황 함량의 한계 증가와 시간에 따른 리그닌의 질소 함유량의 증가없이 의해 입증되는 바와 같이, 이온 성 액체와의 리그닌과의 반응을 최소화한다.
또한 분석은 관심있는 경우 수행 될 수있다. 회수 된 셀룰로스 펄프의 XRD 분석은 일반적으로 높은 결정화도를 나타낸다. 회수 된 이온 성 액체를 용해 액 당 및 이들의 분해 생성물을 검출하기 위해 HPLC로 분석 될 수있다 (17). (23)
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Discussion
여기에 제시된 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스의 분류에 대한 기술은 셀룰로오스가 풍부한 펄프 및 리그닌을 생산하고 있습니다. 헤미셀룰로오스 대부분의 이온 성 액체에 용해시키고 가수 분해하지만 회복되지 않는다. 헤미셀룰로오스 당이 요구되는 경우, Ionosolv 탈 리그닌 화에 앞서 헤미셀룰로오스 예비 추출 단계가 필요할 수있다. 지금까지 이온 성 액체 액에서 발견 분해 생성물, 리그닌 따른 특히 사람을 식별하고 정량화 할 수 없다로 완전히 바이오 매스에 대한 질량 균형을 닫을 수 없었다. 재활용과 물질 수지에 대한 자세한 연구가 진행되고 곧 발표 될 것으로 예상된다.
잔여 이온 성 액체하여 실험실 규모의 분석을 바이어 싱하는 동안 당화 효소의 활성을 줄일 수있는 펄프의 표면에 부착로서 에탄올 세척 양호한 분리를 달성하기 위해 작은 규모로 필요하다. 그것은 주목해야한다이 프로토콜에서 소비 세척 에탄올 볼륨 규모 확대와 호환되지 않으며 프로세스가 상업적 규모로 작동 할 경우, 아마도 필요하지 않다.
설정이 실험은 물질 전달을 용이하게하기 위해 대류에 전적으로 의존하고있다. 그러나 교반하여 반응을 용이하게하기 위해 예상되는 잠재적으로 필요한 반응 시간 리그닌 추출 효율을 변경할 수있다.
전체적으로 제시 바이오 전처리 프로토콜은 목질 계 바이오 매스의 분별에 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다. 수성 및 기계 화학적 (즉, 증기 폭발) 프로세스를 통해 주요 이점은 개선 된 선택, 즉, 깨끗한 셀룰로오스 펄프 및 정제 리그닌이다. 또 다른 장점은 공정이 수행 될 수있는 아래의 비교적 온화한 조건이다. 다른 리그닌 용 매화 과정을 통해 장점 (즉, 크래프트 펄프 또는 Organosolv 전처리)는 간단한 9월 있습니다자본 투자 감소로 인해 IL의 비 휘발성에 arations 및 용매 회수. 분리 된 리그닌은 냄새 무료입니다. 제시된 Ionosolv 프로세스는 산성화 함수 에탄올 수용액을 사용 Organosolv 과정과 매우 유사하다. 이온 성 액체는 증기압을 무시할 (대기쪽으로 프로세스 압력 저감)가 그러나, 용매의 재활용은 다른 노광 최소화 증기를 용매.
매우 높은 당화 수율을 얻었다 이러한 decrystallized 셀룰로스 펄프 결과, 1- 에틸 -3- 메틸이 미다 졸륨 아세테이트 또는 1- 부틸 -3- 메틸이 미다 졸륨 클로라이드 등의 무수 염기성 이온 성 액체를 사용하여 이온 성 액체 프로세스에 비해, 여기에서 사용되는 프로세스는 범 약간 낮은 혈당 수율 상승. (24) 그러나, 본 발명의 방법은 수분을 허용하므로 필요하지 않은 에너지 집약적 건조하고, 이온 더욱 쉽게 합성 액체 때문에 E를 사용훨씬 적은 비용으로 xpected.
이온 성 액체의 응용 프로그램에서와 같이, 주요 장점들 중 하나를 조정할 수있는 가능성이 미다 졸리움에서 암모늄, 그리고 수, 길이, 대칭의 알킬 쇄의 치환을 변화시킴으로써까지 양이온 코어를 변화시켜 이온 성 액체의 속성은 양이온.이 프로토콜에서 사용되는 프로톤 이온 성 액체의 특별한 경우 (25), 산 염기의 비율 및 물의 함량은 용매를 설계 할 수있다. (26) (27)이 극성 광범위한 용매를 일으킨다, 산도, 점도 등 물리적 특성.
조정할 수있는 다른 매개 변수 바이오 매스로드, 전처리 온도 및 시간, 및 첨가제를 포함한다. 또한, 용매, 장비, 에너지 입력과 관련된 비용이 전처리 옵션 상업 환경에서 사용될 경우, 고려 및 최적화 될 필요가있을 것이다.
등의 다양한 특성을 가진 Ionosolv 리그닌의 분리, 또는 셀룰로오스 또는 당 유도 물질 및 화학 물질의 생산을 포함한다. 프로토콜은 더 교반 반응기 또는 연속 유동 반응기를 이용하여, 예를 들어 변형 된 프로토콜을 고안하는 기초로서 이용 될 수있다. 이러한 실험 연구의 결과는이 이온 성 액체 기반 분류 과정의 테크노 경제적 분석을 위해 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 아무것도 없어.
Acknowledgments
저자는 소나무 전처리에 대한 실험 데이터를 제공하기위한 기후 변화와 환경, 기후 KIC와 EPSRC (EP / K038648 / 1 EP / K014676 / 1) 자금 조달 및 피에르 부비에 대한 랜덤 연구소 인정합니다.
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
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