Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Wstępna obróbka biomasy lignocelulozowej za pomocą tanich cieczy jonowych

17.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54246

⸱

10 sierpnia 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Chemical Engineering, Imperial College London

W tym artykule

Podsumowanie

Pokazano wstępną obróbkę biomasy lignocelulozowej za pomocą protonowych, tanich płynów jonowych, w wyniku czego powstaje deligtynizowana miazga bogata w celulozę i oczyszczona lignina. Miazga powoduje wysoką wydajność glukozy po scukrzaniu enzymatycznym.

Streszczenie

Ostatnio rośnie zainteresowanie wieloma cieczami jonowymi (IL) o ekonomicznie atrakcyjnych kosztach produkcji jako podłoża do delignifikacji różnych surowców lignocelulozowych. Tutaj pokazujemy zastosowanie tych tanich protycznych IL w dekonstrukcji biomasy lignocelulozowej (obróbka wstępna Ionosolv), dając celulozę i oczyszczoną ligninę. W najbardziej ogólnym procesie ciecz jonowa protonowa jest syntetyzowana przez dokładne połączenie kwasu wodnego i zasady aminowej. Następnie dostosowuje się zawartość wody. W celu delignifikacji biomasę umieszcza się w naczyniu z roztworem IL w podwyższonych temperaturach w celu rozpuszczenia ligniny i hemicelulozy, pozostawiając miazgę bogatą w celulozę gotową do scukrzania (hydrolizy do cukrów fermentujących). Lignina jest później wytrącana z IL przez dodanie wody i odzyskiwana w postaci stałej. Usunięcie dodanej wody regeneruje ciecz jonową, która może być wielokrotnie wykorzystywana. Protokół ten jest przydatny do zbadania znaczącego potencjału protycznych IL do stosowania w komercyjnej obróbce wstępnej biomasy/frakcjonowaniu ligniny do produkcji biopaliw lub odnawialnych chemikaliów i materiałów.

Wprowadzenie

Zrównoważone zaspokojenie zapotrzebowania ludzkości na energię jest jednym z największych wyzwań, przed którymi stoi nasza cywilizacja. Przewiduje się, że zużycie energii podwoi się w ciągu najbliższych 50 lat, co jeszcze bardziej obciąży zasoby paliw kopalnych. 1 Nagromadzenie gazów cieplarnianych (GHG) w atmosferze w wyniku powszechnego stosowania paliw kopalnych jest szczególnie problematyczne, ponieważ CO2 powstający w wyniku spalania paliw kopalnych odpowiada za 50 % antropogenicznego efektu cieplarnianego. 2 W związku z tym zastosowanie na szeroką skalę technologii odnawialnych i neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla ma zasadnicze znaczenie dla zaspokojenia zwiększonych potrzeb energetycznych i materialnych przyszłych pokoleń. 1, 3

Biomasa roślinna jest najbardziej wszechstronnym zasobem odnawialnym, ponieważ może być wykorzystywana do produkcji ciepła, elektryczności, a także chemikaliów, materiałów i paliw opartych na węglu. Głównymi zaletami biomasy lignocelulozowej w porównaniu z innymi rodzajami biomasy są jej obfitość, potencjał do uzyskania wysokich plonów z powierzchni gruntu i często znacznie większe ograniczenie emisji CO2 , co obejmuje wysoką retencję węgla w glebie. 4, 5 Dodatkowe korzyści płynące z wykorzystania biomasy to lokalna dostępność, niskie wymogi kapitałowe w zakresie przekształcania biomasy w energię oraz zapobieganie erozji gleby. 8

Głównymi producentami surowców lignocelulozowych są przemysł leśny i sektor rolniczy, a także gospodarka odpadami komunalnymi. 6 Produkcja lignocelulozy może zostać rozszerzona w celu ograniczenia wylesiania i uniknięcia zastępowania upraw spożywczych oraz uwalniania potencjalnych zanieczyszczeń. 7 Aby biomasa odnawialna stała się opłacalnym i powszechnym źródłem płynnych paliw transportowych i chemikaliów, jej przetwarzanie musi stać się ekonomicznie konkurencyjne w stosunku do technologii konwersji paliw kopalnych. 9, 10 Kluczem do osiągnięcia tego celu jest zwiększenie wydajności i jakości produktów pośrednich pochodzących z biomasy przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.

Lignoceluloza zawiera dużą ilość cukrów, które mogą być przekształcane w paliwa i chemikalia poprzez przemiany katalityczne i mikrobiologiczne. 11 Cukry te są obecne w lignocelulozie w postaci polimerowej jako celuloza i hemiceluloza. Można je hydrolizować do glukozy i innych monomerów cukru, a następnie wykorzystać do produkcji bioetanolu i innych chemikaliów i rozpuszczalników pochodzenia biologicznego. 12

Aby uzyskać dostęp do cukrów celulozowych, konieczne jest wstępne przetwarzanie biomasy poprzez procesy fizyczne, chemiczne lub kombinowane. 4 Obróbka wstępna jest prawdopodobnie najbardziej kosztownym etapem waloryzacji biomasy lignocelulozowej. W związku z tym konieczne są badania nad ulepszonymi procesami obróbki wstępnej.

Dostępne są różne technologie obróbki wstępnej. Szczególnie interesujące są te, które oddzielają ligninę od celulozy (frakcjonowana obróbka wstępna). Lignina, trzeci główny składnik lignocelulozy, ogranicza dostęp środków hydrolizujących do celulozy i hemicelulozy oraz zmniejsza wydajność cukru na tonę surowca. 11 Oddzielona lignina może być wykorzystana jako dodatkowy produkt pośredni w biorafinerii, jeśli zostanie wyizolowana w odpowiedniej jakości. 13 Jednym z procesów frakcjonacyjnych jest proces Krafta, który jest najpowszechniejszą obróbką wstępną w produkcji papieru i celulozy. W przypadku roztwarzania Kraft zrębki drzewne umieszcza się w mieszaninie wodorotlenku sodu i siarczku sodu i podgrzewa w podwyższonej temperaturze około 170 °C pod wysokim ciśnieniem. 14 Reakcje alkaliczne usuwają hemicelulozę i ligninę poprzez rozbicie polimerów na krótkie fragmenty za pomocą katalizy nukleofilowej i zasadowej oraz przez rozpuszczenie fragmentów ligniny poprzez deprotonację grup fenolowo-hydroksylowych/alkoholowych. Innym powszechnym procesem delignifikacji jest proces Organosolv, który również rozdrabnia i rozpuszcza ligninę i hemicelulozę. Zamiast alkalicznego roztworu wodnego, stosuje się rozpuszczalniki organiczne, takie jak etanol i kwas octowy, w wysokich temperaturach w zakresie 160-200 °C i ciśnieniu od 5 do 30 barów. Obróbka wstępna Organosolv ma pewne zalety w porównaniu z roztwarzaniem Kraft, ponieważ powoduje mniejsze zanieczyszczenie powietrza i wody. 15 Oba procesy wiążą się z pewnymi wyzwaniami ekonomicznymi, jeżeli są wykorzystywane do produkcji chemikaliów i paliw, a nie celulozy. 16 Obróbka wstępna Ionosolv wykorzystuje ciecze jonowe, czyli sole o temperaturze topnienia poniżej 100 °C, a w wyniku ich silnych oddziaływań kulombowskich bardzo niską prężność pary. 17 Eliminuje to zanieczyszczenie powietrza w procesie obróbki wstępnej i umożliwia przetwarzanie pod ciśnieniem atmosferycznym lub zbliżonym do ciśnienia atmosferycznego.

Podczas gdy większość IL jest tworzona w pracochłonnych, wieloetapowych syntezach, protic ILs mogą być syntetyzowane w jednoetapowym procesie z surowców chemicznych, co czyni je tańszymi; szacuje się, że niektóre IL mogą być produkowane na masową skalę za cenę $1.24 za kg, która jest porównywalna z popularnymi rozpuszczalnikami organicznymi, takimi jak aceton i toluen. 18 Możliwość recyklingu i ponownego wykorzystania tych konfigurowalnych IL w procesie, który działa w stosunkowo niższych temperaturach i ciśnieniach, sprawia, że jest to bardziej łagodna alternatywa i ekonomicznie atrakcyjny kandydat do biorafinacji.

Ten szczegółowy protokół wideo demonstruje laboratoryjną wersję procesu Ionosolv do delignifikacji biomasy lignocelulozowej i ewentualnego enzymatycznego scukrzania miazgi bogatej w celulozę, jak również odzyskiwania bezwonnej ligniny o wysokiej czystości. Rozdział 19

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Uwaga: Protyczne ciecze jonowe wykorzystane w procesie zostały zsyntetyzowane w naszym laboratorium, choć niektóre z nich mogą być lub staną się dostępne w sprzedaży. Powstałe ciecze jonowe są kwasowe i korozyjne oraz prawdopodobnie drażnią skórę i oczy (w zależności od użytej aminy), w związku z czym należy z nimi obchodzić się ostrożnie, stosując odpowiednie środki ochrony indywidualnej (fartuch laboratoryjny, okulary ochronne, rękawice odporne na chemikalia).

1. Przygotowanie

  1. Przygotowanie i przechowywanie biomasy lignocelulozowej
    1. Przed eksperymentem należy pozyskać biomasę lignocelulozową w odpowiedniej ilości, na przykład od 100 g do 5 kg.
      Uwaga: Każdy eksperyment wymaga co najmniej 3 g biomasy (po 1 g w trzech powtórzeniach).
    2. Krótko po zbiorach należy obniżyć zawartość wilgoci i przechowywać biomasę w formie wysuszonej na powietrzu w laboratorium. Biomasę suszy się na powietrzu, rozkładając ją na stole lub blacie na 2 tygodnie lub do momentu, aż wyda się sucha. W tym czasie biomasę należy przesuwać i obracać, aby przyspieszyć ten proces. Eksperymenty z frakcjonowaniem należy przeprowadzić w ciągu roku od zbiorów.
      Uwaga: Bezpośrednio po zbiorach biomasa zdrewniała może zawierać do 50% wag. wilgoci, podczas gdy biomasa wysuszona na powietrzu, która jest bardziej stabilna, zawiera 5-12% wag. wilgoci.
    3. Biomasę należy zmielić i przesiać do wybranego zakresu wielkości cząstek. Wysuszoną biomasę przechowuje się w plastikowych workach lub innych odpowiednich pojemnikach do momentu użycia.
      Uwaga: Dla małych próbek stosowanych w tym protokole zaleca się zmniejszoną wielkość cząstek, na przykład 180-850 µm.
  2. Wyznaczanie zawartości wilgoci w biomasie (zgodnie z protokołem NREL)20
    1. Aby wyznaczyć zawartość wilgoci w biomasie, należy zważyć kawałek folii aluminiowej (o rozmiarze około 5 cm x 5 cm) na wadze analitycznej i zapisać masę folii (mfoil). Na folię aluminiową należy odważyć około 100 mg biomasy wysuszonej na powietrzu i zapisać dokładną masę suchej masy powietrznej (mADW).
    2. Folię aluminiową należy złożyć w paczkę i umieścić w suszarce z wymuszonym obiegiem powietrza w temperaturze 105 °C przez noc (przynajmniej przez 4 h).
    3. Paczkę należy wyjąć i natychmiast umieścić w eksykatorze na 5 minut, a następnie niezwłocznie zważyć i zapisać dokładną masę biomasy wysuszonej w suszarce wraz z folią (mODW+foil). Zawartość wilgoci (w %) biomasy mcBM oblicza się zgodnie z równaniem 1:
      Równanie równowagi statycznej; wzór na obliczanie masy; analiza badawcza; zwięzłe słowa kluczowe do celów edukacyjnych.        Równ. 1
      Gdzie mODW+foil to masa paczki wysuszonej w suszarce (biomasa wysuszona w suszarce plus folia), mfoil to masa folii, a mADW to masa biomasy wysuszonej na powietrzu. Wszystkie masy powinny być podane w g lub mg.
  3. Synteza cieczy jonowej
    1. W dygestorium lub zamkniętej komorze wentylacyjnej należy odważyć 1 mol aminy (trietyloaminy) do kolby okrągłodennej o pojemności 1 L z magnetycznym mieszadłem. Kolbę należy umieścić w łaźni lodowej na mieszalniku magnetycznym. Należy natychmiast założyć lejek rozdzielczy o pojemności 250 ml, aby zminimalizować odparowanie aminy.
      Uwaga: Zapewnienie prawidłowego stosunku kwasu do zasady jest bardzo ważne dla uzyskania powtarzalności eksperymentów z obróbką wstępną.
    2. Należy odmierzyć 1 mol kwasu siarkowego, używając roztworu o znanym stężeniu (w tym przykładzie 5 mol/L) i kolby miarowej (200 ml). Kwas siarkowy należy przenieść do lejka rozdzielczego, a resztki kwasu przylegające do ścianek kolby miarowej wypłukać do lejka rozdzielczego wodą dejonizowaną.
    3. Kwas siarkowy należy dodawać kroplowo do aminy przy intensywnym mieszaniu. Należy dopilnować, aby roztwór się nie nagrzał, ponieważ mogłoby to doprowadzić do wrzenia aminy i nieprawidłowego stosunku kwasu do zasady. Wnętrze lejka rozdzielczego należy wypłukać wodą dejonizowaną, aby zapewnić ilościowe przeniesienie kwasu.
      Uwaga: Większe partie roztworu cieczy jonowej można przygotować poprzez odpowiednie zwiększenie ilości aminy i kwasu siarkowego, a także objętości kolby.
    4. Większość wody należy odparować za pomocą rotacyjnego odparowacza. Zawartość wody powinna być niższa niż zawartość wody wymagana do obróbki wstępnej.
      Uwaga: Całkowite osuszenie cieczy jonowej nie jest konieczne. Pozostawienie pewnej ilości wody w cieczy jonowej może być korzystne, ponieważ niektóre wysuszone ciecze jonowe, w tym wodorosiarczan trietyloamoniowy, są w temperaturze pokojowej ciałami stałymi. Do obniżenia zawartości wody można również użyć liofilizatora.
  4. Potwierdzenie i regulacja zawartości wody w roztworze cieczy jonowej (IL)
    Uwaga: Zawartość wody jest ważną zmienną eksperymentalną. Woda w mieszaninie do obróbki wstępnej może pochodzić z trzech źródeł, które wszystkie należy wziąć pod uwagę: (1) woda zawarta w zsyntetyzowanym lub kupionym roztworze cieczy jonowej (2) woda zawarta w biomasie wysuszonej na powietrzu oraz (3) woda dodana pipetą w celu uzyskania końcowej pożądanej zawartości wody.
    1. Zawartość wody w zsyntetyzowanym lub kupionym roztworze cieczy jonowej należy wyznaczyć metodą wolumetrycznego miareczkowania Karla Fischera zgodnie z instrukcjami producenta miareczkownika. Za pomocą wcześniej zważonej strzykawki należy dodać kilka kropli cieczy jonowej do miareczkownika. Należy wprowadzić masę cieczy dodanej do miareczkownika i poczekać, aż urządzenie wyświetli wynik. Następnie należy zapisać zawartość wody.
    2. Należy określić zawartość wody dla obróbki wstępnej biomasy. W tym eksperymencie należy zastosować 20% wag. Należy obniżyć zawartość wody o 5% wag poniżej pożądanej wartości za pomocą rotacyjnego odparowacza i potwierdzić nową zawartość wody metodą miareczkowania Karla Fischera, jak opisano w punkcie 1.4.1.
      Uwaga: Dobre wyniki uzyskuje się przy zawartości wody 20% wag; jednak nie zawsze jest to wartość optymalna dla obróbki wstępnej. Wyższa zawartość wody może zostać wybrana w celu zmniejszenia kosztów rozpuszczalnika lub obniżenia lepkości.
  5. Obliczenia do eksperymentu.
    1. Należy określić masę roztworu cieczy jonowej msol,final oraz stosunek biomasy do rozpuszczalnika BM/solfinal. W tym przypadku należy użyć 10 g roztworu cieczy jonowej zawierającego 20% wag wody i stosunek biomasy do rozpuszczalnika 1:10 g/g.
      Uwaga: Probiówki używane w tym protokole mogą pomieścić do 18 g roztworu cieczy jonowej, jeśli stosunek biomasy do rozpuszczalnika wynosi 1:10 (wag/wag). Wysoki stosunek biomasy do rozpuszczalnika (do 1:2 lub nawet 1:1) jest korzystny z punktu widzenia ekonomicznego, ale może obniżyć skuteczność obróbki wstępnej w małej skali.
    2. Ilość (bezwodnej) cieczy jonowej wymaganej dla każdej próbki wyznacza się zgodnie z poniższym równaniem 2:
      Równanie do obliczania masy: m_IL = m_sol,final * (100% - wc_final)      Równ. 2
      Gdzie mIL to wymagana ilość cieczy jonowej w gramach, msol,final to pożądana ilość roztworu cieczy jonowej w gramach, a wcfinal to pożądana zawartość wody (w %) w roztworze cieczy jonowej.
    3. Następnie należy obliczyć ilość zsyntetyzowanego lub kupionego roztworu cieczy jonowej, który należy dodać do każdej probówki ciśnieniowej, zgodnie z poniższym równaniem 3:
      Równanie przedstawiające wzór obliczania masy substancji rozpuszczonej dla stężenia roztworu w analizie chemicznej.      Równ. 3
      Gdzie msol to ilość roztworu dodawanego do każdej probówki ciśnieniowej (w gramach), mIL to wymagana ilość cieczy jonowej (w gramach), a wcsol to zawartość wody w roztworze cieczy jonowej (w %), wyznaczona metodą miareczkowania Karla Fischera.
    4. Ilość biomasy (w przeliczeniu na masę suchą z suszarki) do dodania do roztworu cieczy jonowej wyznacza się za pomocą równania 4 poniżej. W tym eksperymencie należy użyć 1 g biomasy Miscanthus wysuszonej w suszarce na probówkę ciśnieniową.
      Równanie równowagi statycznej \(ODW = m_{sol, final} - \frac{BM}{sol_{final}}\) do obliczeń.      Równ. 4
      Gdzie ODW to ilość biomasy dodawana do każdej probówki ciśnieniowej (w gramach), msol,final to pożądana ilość roztworu cieczy jonowej (w gramach), a BM/solfinal to pożądany stosunek biomasy do roztworu cieczy jonowej.
    5. Masę biomasy wysuszonej na powietrzu, którą należy dodać do probówki, wyznacza się za pomocą poniższego równania 5:
      Równanie ADW do obliczania suchej masy z suszarki w badaniach biomasy, przedstawione jako wzór matematyczny.      Równ. 5
      gdzie ADW to masa biomasy wysuszonej na powietrzu dodawana do probówki (w gramach), ODW to masa biomasy wysuszonej w suszarce wymagana do eksperymentu (wyznaczona w punkcie 1.5.4 w gramach), a mcBM to wartość wyznaczona w punkcie 1.2.3.
    6. Ilość wody, którą należy dodać pipetą w celu uzyskania pożądanej końcowej zawartości wody, oblicza się zgodnie z poniższym równaniem 6:
      Równanie bilansu wodnego dla procesu chromatografii; wzór: m_water = WC_final * m_sol,final - m_CB_M * m_BM - WC_sol * m_sol.      Równ. 6
      Gdzie mwater to ilość wody do dodania, wcfinal to pożądana zawartość wody w mieszaninie do obróbki wstępnej (tutaj 20% wag), msol.final to ilość rozpuszczalnika (tutaj 10 g), mcBM to zawartość wilgoci w biomasie wysuszonej na powietrzu, mBM to ilość biomasy wysuszonej na powietrzu do dodania, wcsol to zawartość wody w zsyntetyzowanym lub kupionym roztworze cieczy jonowej, a msol to ilość roztworu cieczy jonowej.

2. Obróbka wstępna

Uwaga: Proces można przerwać w dowolnym momencie, pozostawiając próbki w temperaturze pokojowej (na kilka dni) lub w lodówce (na dłuższy czas).

  1. Zważ wcześniej trzy probówki ciśnieniowe o pojemności 15 ml z zakrętkami teflonowymi i silikonowymi pierścieniami O-ring. Obejrzyj probówki ciśnieniowe, aby upewnić się, że nie mają pęknięć ani wad.
    Uwaga: Jeśli jest to pożądane, można zastosować większe probówki ciśnieniowe mieszczące więcej cieczy jonowej i biomasy, jednak wyniki obróbki wstępnej nie będą bezpośrednio porównywalne między próbkami traktowanymi w naczyniach o różnych rozmiarach. Zalecamy stosowanie zakrętek z przednim uszczelnieniem dla lepszej szczelności.
  2. Za pomocą pipety 10 ml dodaj wymaganą ilość roztworu cieczy jonowej do probówki ciśnieniowej stojącej na wadze. Użyj pierścieni korkowych, aby utrzymać probówkę w pionie. Zapisz masę dodanego roztworu cieczy jonowej. Do roztworu określonego w punkcie 1.5.6 dodaj pipetą wymaganą ilość wody, przyjmując gęstość wody jako 1 g/ml.
  3. Dodaj wymaganą ilość wysuszonej na powietrzu lignocelulozy, kładąc kawałek folii aluminiowej (wymiary 3 cm x 8 cm) na wadze, tarując wagę i odważając biomasę. Taruj wagę i przenieś biomasę do probówki. Połóż pustą folię z powrotem na wadze i zapisz różnicę.
    Uwaga: Alternatywnie można stosować antystatyczne łódeczki wagowe.
  4. Zamknij naczynie zakrętką teflonową z silikonowym pierścieniem O-ring. Sprawdź szczelność, unikając nadmiernego dokręcania. Zapisz masę probówek ciśnieniowych zawierających biomasę i ciecz jonową. Wymieszaj zawartość probówki za pomocą vorteクサ, aż cała biomasa znajdzie się w kontakcie z cieczą jonową.
    Uwaga: Nie wszystkie materiały pierścieni O-ring są odporne na kontakt z cieczami jonowymi w podwyższonej temperaturze. Stwierdziliśmy, że silikon sprawdza się dobrze.
  5. Umieść probówki ciśnieniowe w piekarniku z wymuszonym obiegiem powietrza, który został uprzednio podgrzany do pożądanej temperatury. Na przykład pozostaw probówki przez 8 hr w 120 °C lub przez 1 hr w 150 °C.
    Uwaga: Czas i temperatura są istotnymi zmiennymi eksperymentalnymi. Można zastosować inne kombinacje czasu i temperatury.
  6. Wyjmij naczynia z piekarnika za pomocą rękawicy ochronnej i umieść je w dygestorium, aby ostygły do temperatury pokojowej. Po ochłodzeniu sprawdź masę naczyń, aby upewnić się, że w czasie grzania nie wyparowała woda.

3. Płukanie miazgi

  1. Przenieś zawartość każdej probówki do probówki wiriówkowej o pojemności 50 ml, używając 40 ml etanolu absolutnego. Mieszaj probówkę za pomocą voreksu przez 1 min, aby dokładnie wymieszać zawartość, a następnie pozostaw probówkę w temperaturze pokojowej przez co najmniej 1 hr.
    Uwaga: Rozdzielenie można przeprowadzić również poprzez filtrację, jednak przy sugerowanej wielkości próbki może być zaobserwowana mniejsza dokładność.
  2. Mieszaj probówkę za pomocą voreksu przez kolejne 30 sec, a następnie wiruj probówkę przez 50 min przy 2,000 x g. Oddziel ciecz od fazy stałej poprzez ostrożne zlanie. Zbierz ciecz do czystej kolby okrągłodnej o pojemności 250 ml z mieszadełkiem magnetycznym.
  3. Dodaj 40 ml świeżego etanolu do probówki 50 ml i powtórz krok 3.2 trzy razy.
    1. Usuń etanol z cieczy jonowej, umieszczając kolby okrągłodenne na bloku grzewczym. Podłącz każdą z nich do pompy próżniowej z pułapką chłodzącą. Wypełnij pułapkę suchym lodem i ustaw ogrzewanie na 40 °C. Włącz mieszanie oraz pompę.
      Uwaga: W tym doświadczeniu wykorzystano własnoręcznie wykonany układ równoległego odparowywania oparty na zestawie do syntezy równoległej. Można również nabyć gotowe urządzenia do odparowywania równoległego. Alternatywnie można zastosować rotawapور.

4. Ekstrakcja pulpy metodą Soxhleta

  1. Przenieś wilgotną, wypłukaną pulpę do koszyczków celulozowych i opisz każdy koszyczek za pomocą ołówka.
  2. Wlej 150 ml absolutnego etanolu do czystej kolby okrągłodennej o pojemności 250 ml z mieszadłem magnetycznym. Włóż koszyczek z próbką do ekstraktora Soxhleta o pojemności 40 ml, podłącz chłodnicę i zainstaluj cały układ na stanowisku z ekstraktorami równoległymi podłączonymi do chłodzenia recyrkulacyjnego.
    Uwaga: Jeśli do przenoszenia pulpy użyto etanolu, do kolby okrągłodennej należy dolać tylko ilość potrzebną do osiągnięcia 150 ml.
  3. Po załadowaniu wszystkich próbek rozpocznij mieszanie, ustaw temperaturę na 135 °C i włącz recyrkulator (ustawienie temperatury 18 °C). Ekstrahuj próbki pulpy przez łącznie 20 hr.
  4. Wyłącz ogrzewanie, aby zatrzymać proces refluksu. Następnie wyłącz mieszanie i chłodzenie. Wyjmij koszyczki z ekstraktora Soxhleta za pomocą pęsety i pozostaw wilgotną pulpę do wyschnięcia w koszyczku przez noc w dygestorium.
  5. Połącz ciecz z ekstrakcji Soxhlet z cieczą z płukania biomasy i kontynuuj odparowywanie etanolu z płuczki biomasy za pomocą ewaporatora równoległego lub ewaporatora obrotowego w temperaturze 40 °C.
  6. Przenieś wysuszoną na powietrzu pulpę z koszyczka na zważoną wcześniej folię aluminiową na wadze analitycznej, zanotuj masę wysuszonej na powietrzu pulpy po ekstrakcji i przełóż ją do opisanej plastikowej torebki. Postaraj się odzyskać cały materiał, nie zdrapując ścianek koszyczka.
  7. Niezwłocznie określ zawartość wilgoci w pulpie, aby obliczyć wydajność po suszeniu w suszarce (zgodnie z wcześniejszym krokiem 1.4).

5. Izolacja ligniny

  1. Po odparowaniu całego etanolu wytrącić ligninę, przenosząc ciecz jonową z kolby okrągłodennej do probówki wirówkowej o pojemności 50 ml przy użyciu 30 ml wody. Wymieszać zawiesinę i pozostawić na co najmniej 1 hr. Wirować przez 20 min przy 2,000 x g, a następnie oddzielić roztwór od osadu poprzez dekantację.
    Uwaga: W tym protokole 3 ekwiwalenty wody są wykorzystywane jako antysolwent. W razie potrzeby można zastosować mniejszą ilość antysolwentu. Roztwory z przemywania można zebrać, odparować wodę i odzyskać ciecz jonową do ponownego użycia.
  2. Do osadu ligniny w probówce wirówkowej dodać 30 ml wody destylowanej. Powtórzyć mieszanie, inkubację przez 1 hr oraz wirowanie. Powtórzyć ten krok, aby łącznie przeprowadzić 3 przemycia ligniny.
  3. Ligninę w probówce wirówkowej wysuszyć w suszarce próżniowej z perforowaną zakrętką w temperaturze 45 °C przez noc. Aby określić wydajność ligniny, umieścić kawałek folii aluminiowej na wadze, wytarować ją, dodać ligninę z suszarki i niezwłocznie zapisać masę. Przenieść ligninę do fiolki w celu przechowywania.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Dokładna ilość usuniętej i wytrąconej ligniny, odzyskana miazga oraz wydajność glukozy zależą od rodzaju zastosowanej biomasy, temperatury prowadzenia procesu oraz czasu trwania obróbki. Krótki czas wstępnej obróbki i niskie temperatury prowadzą do niepełnego przetworzenia, natomiast w wyższych temperaturach celuloza staje się niestabilna w cieczy jonowej, co prowadzi do hydrolizy i degradacji. Wybrana ciecz jonowa odgrywa również istotną rolę w końcowym efekcie procedury frakcjonowania.<...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Przedstawiona tu technika frakcjonowania biomasy lignocelulozowej pozwala na uzyskanie miazgi bogatej w celulozę i ligniny. Większość hemiceluloz rozpuszcza się w cieczy jonowej i hydrolizuje, ale nie jest odzyskiwana. Jeśli pożądane są cukry hemicelulozowe, może być konieczny etap wstępnej ekstrakcji hemicelulozy przed delignifikacją Ionosolv. Do tej pory niemożliwe było całkowite zamknięcie bilansu masy biomasy, ponieważ nie jest możliwe zidentyfikowanie i ilościowe określenie wszystkich produktów degradacji występując...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują Grantham Institute for Climate Change and the Environment, Climate-KIC i EPSRC (EP/K038648/1 i EP/K014676/1) za finansowanie oraz Pierre'owi Bouvierowi za dostarczenie danych eksperymentalnych dotyczących wstępnych zabiegów sosny.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Suszarka próżniowa
Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
IL synthesisKolba
okrągłodenna, ze standardowym szlifem 24/29 NS, 1,000 mlLenz3 0024 70VWR kod produktu 271-1309
250 ml Lejek do dodawania, z podziałką, 29/26 Wielkość złącza, 0-4  mm Zawór PTFEGPECG-1714-16
Kolba Dewara w kształcie talerza, SCH 31 CAL KGW-Isotherm1197
Kolba miarowa, 200 mlVWR612-3745 
Pierścienie korkowe, pipety i smoczek Pasteura, butelka do mycia z wodą dejonizowaną, duże mieszadło
Redukcja wielkości biomasy
Heavy Duty Młyn tnący SM2000 Retsch WycofaneZastąpione przez Młyn tnący SM 200 (20.728.0001) 
Sita denne (10 kwadratowych oczek otworów, dla wielkości cząstek < 2 mm)Retsch 03.647.0318Część młyna tnącego
Wytrząsarka analityczna AS 200Retsch 30.018.0001Część przesiewacza
Sito testowe 200 mm i Oslash; x 50 mm wysokość ISO 3310/1 (180 &mikro; m)Retsch 60.131.000180Część przesiewacza
Sito testowe 200 mm i Oslash; x 50 mm wysokość ISO 3310/1 (850 &mikro; m)Retsch 60.131.000850Część przesiewacza
Miska zbiorcza, stal nierdzewna, 200  mm Ø, wysokość 50 mmRetsch 69.720.0050Część przesiewacza
Parownik obrotowy
Parownik obrotowy (Rotavapor R-210)Buchi WycofaneZastąpione przez Rotavapor R-300
Łaźnia wodna (Łaźnia grzewcza B-491)Buchi 48201Część recyrkulatora parownika obrotowego
 JulaboF25Część parownika obrotowego
Pompa próżniowa (MPC 101 Z)Ilmvac GmbH412522Część parownika obrotowego
Regulator podciśnienia (skrzynka kontrolna podciśnienia VCB 521)Ilmvac GmbH600053Część parownika
Parownik równoległy
StarFish Base Plate 135  mm (dla Radleys & IKA)RadleysRR95010Część parownika równoległego
Monoblok na 5 x 250  ml KolbyRadleysRR95130 Część parownika równoległego
Teleskopowy 5-drożny zacisk z rzepamiRadleysRR95400Część parownika równoległego
Kolektor gazowo-próżniowy ze złączamiRadleysRR95510 Część parownika równoległego
650  mm PrętRadleysRR95665 Część parownika równoległego
Szybkozłączka męska, R/A z zadziorami 6.4  mm + Wyłącznik (3,2  mm ID)RadleysRR95520Część parownika równoległego
Mieszadło/płyta grzejnaRadleysRR98072Część ekstraktora Soxhlet
Regulator temperaturyRadleysRR98073Część ekstraktora Soxhlet
Mieszadło eliptyczne 15  mm Radleys ziem rzadkichRR98097 Część parownika równoległego
Zimna wymrażarka próżniowa, powlekana tworzywem sztucznym, kurek z PTFEChemglassCG-4519-01Część parownika równoległego
Pompa próżniowa (MPC 101 Z)Ilmvac GmbH412522Część parownika równoległego
Tygon rurka E-3603, 6.40  mm (wewnętrzna) 12.80  mm (zewnętrzny)Saint-Gobain/VWR228-1292 Część parownika równoległego
Równoległy ekstraktor Soxhlet
StarFish Base Plate 135  mm (dla Radleys & IKA)RadleysRR95010 Część ekstraktora Soxhlet
Monoblok na 5 x 250  ml KolbyRadleysRR95130 Część ekstraktora Soxhlet
Teleskopowy 5-kierunkowy zacisk z rzepamiRadleysRR95400 Część ekstraktora Soxhlet
Teleskopowy 5-kierunkowy zacisk z silikonowym paskiem i długim uchwytemRadleysRR95410 Część ekstraktora Soxhlet
Kolektor wodny z króćcamiRadleysRR95500 Część ekstraktora Soxhlet
650  mm PrętRadleysRR95665 Część ekstraktora Soxhlet
Szybkozłączka męska, R/A z zadziorami 6.4  mm + Wyłącznik (3,2  mm ID)RadleysRR95520 Część ekstraktora Soxhlet
Skraplacze wężownic ze standardowymi szlifowanymi złączami 29/32 NSLenz5.2503.04 Część ekstraktora Soxhlet
Ekstraktor Soxhlet 40  ml szkło borokrzemowe 29/32 nasadka 24/29 stożekQuickfitEX5/43 Część ekstraktora Soxhlet
Mieszadło/płyta grzejnaRadleysRR98072Część ekstraktora Soxhlet
Regulator temperaturyRadleysRR98073Część ekstraktora Soxhleta
RecyrkulatorGrantLTC1Część ekstraktora Soxhleta
Naparstek do ekstrakcji celulozyWhatman2280-228
PęsetaExcelta20A-S-SE
Suszarka próżniowaBinderVD 23Część pieca próżniowego
Naczynie Dewara 2  L 100  x  290  mm z uchwytemKGW-Isotherm10613Część pieca próżniowego
Syfon próżniowyGPECG-4532-01 Część pieca próżniowego
Inny sprzęt
Waga analitycznaA& DGH-252dokładność do ± 0,1 mg
Miarkometryczny titrator Karla FischeraMettler ToledoV20
10 ml pipeta jednorazowaCorning IncCostar 4101 10 mL Pipeta
Eppendorf Research plus, zmienna objętość, objętość 100-1,000  μ lEppendorf3120000062
EksykatorJenconsJENC250-028BOM
Typ tulei rury ciśnieniowej Ace, uszczelka przednia, objętość 15  mlAce Glass8648-04 
O-ringi Ace, silikonowe, 2.6  mm, średnica wewnętrzna 9.2  mm Ace Glass7855216O-ring do rury ciśnieniowej
Wytrząsarka VortexVWR International444-1378 (UK)
Piec konwekcyjny z wentylatoremThermoScientificHeraTherm OMH60
Rękawica kuchenna (Crusader Flex)Ansel Edmont42-325
250 ml Kolba okrągłodenna z pojedynczą szyjką ze szlifem 24/29 (Pyrex)Quickfit FR250/3S
Adapter kurka Rotaflo ze stożkiem 24/29Rotaflo EnglandMF11/2/SC
50 ml Probówka FalconHeraeus/KendroWirówka 76002844
(Mega Star 3.0)VWR 521-1751
Odczynniki
Ethanol absoluteVWR20820.464
TriethylamineSigma-AldrichT0886
Kwas siarkowy 5 mol/L (10  N) AVS TITRINORM roztwór wolumetryczny Butelka bezpieczna 2,5  LVWR191665V
Woda oczyszczona (15 MΩ rezystancja)ElgaCENTRA R200
biomasa lignocelulozowa
Miskant X gigantheus
Pinus sylvestris
w kolorze magentycznym obrotowego<td colspan="4">paskowataHERA

Bibliografia

  1. 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).
  2. Dincer, I. Renewable energy and sustainable development: a crucial review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 4 (2), 157-175 (2000).
  3. Zweibel, K., Mason, J., Fthenakis, V. A solar grand plan. Sci. Am. 298 (1), 64-73 (2008).
  4. Lee, J. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. J. Biotechnol. 56 (1), 1-24 (1997).
  5. Carrott, P., Ribeiro Carrott, M. Lignin-from natural adsorbent to activated carbon: A review. Bioresour.Technol. 98 (12), 2301-2312 (2007).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Hoogwijk, M., et al. Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy. Biomass Bioenergy. 25 (2), 119-133 (2003).
  9. Goldemberg, J. Ethanol for a sustainable energy future. Science. 315 (5813), 808-810 (2007).
  10. Himmel, M. E., et al. Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production. Science. 315 (5813), 804-807 (2007).
  11. Mosier, N., et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresour.Technol. 96 (6), 673-686 (2005).
  12. 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).
  13. Hu, F., Ragauskas, A. Suppression of pseudo-lignin formation under dilute acid pretreatment conditions. RSC Advances. 4 (9), 4317-4323 (2014).
  14. Chakar, F. S., Ragauskas, A. J. Review of current and future softwood kraft lignin process chemistry. Ind Crop Prod. 20 (2), 131-141 (2004).
  15. 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).
  16. Zhao, X., Cheng, K., Liu, D. Organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic hydrolysis. Appl. Microbiol. Biotechnol. 82 (5), 815-827 (2009).
  17. Brandt, A., Gräsvik, J., Hallett, J. P., Welton, T. Deconstruction of lignocellulosic biomass with ionic liquids. Green Chem. 15, 550(2012).
  18. Chen, L., et al. Inexpensive ionic liquids:[HSO 4]−-based solvent production at bulk scale). Green Chem. 16 (6), 3098-3106 (2014).
  19. 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).
  20. Sluiter, A., et al. NREL/TP-510-42621. Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples. , (2008).
  21. Sluiter, A., et al. NREL/ TP - 510 - 42618Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. , (2011).
  22. Resch, M. G., Baker,, Decker, S. R. NREL/TP-5100-63351. Low Solids Enzymatic Saccharificatin of Lignocellulosic Biomass. , (2015).
  23. 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).
  24. 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).
  25. George, A., et al. Design of low-cost ionic liquids for lignocellulosic biomass pretreatment. Green Chem. 17 (3), 1728(2015).
  26. 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).
  27. Brandt, A., et al. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Protyczne ciecze jonoweobróbka wstępna biomasyizolacja ligninyekstrakcja celulozymiareczkowanie Karla Fischeraekstrakcja Soxhletasuszarka próżniowaprobówka do wirówki
Wstępna obróbka biomasy lignocelulozowej za pomocą tanich cieczy jonowych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.