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

Artykuł metodologiczny

Ultraszybka ekstrakcja ligniny z nietypowych śródziemnomorskich pozostałości lignocelulozowych

7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61997

⸱

9 marca 2021

 ,  , 
1Laboratory of Biomass and Green Technologies, University of Liege (Gembloux Agro-Bio Tech Campus)

W tym artykule

Podsumowanie

Głęboka eutektyczna obróbka wstępna na bazie rozpuszczalnika, wspomagana mikrofalami, to ekologiczny, szybki i wydajny proces frakcjonowania lignocelulozy i odzyskiwania ligniny o wysokiej czystości.

Streszczenie

Wstępna obróbka jest nadal najdroższym etapem w procesach biorafinacji lignocelulozowej. Musi być opłacalny poprzez minimalizację wymagań chemicznych, a także zużycia energii i ciepła oraz stosowanie przyjaznych dla środowiska rozpuszczalników. Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES) są kluczowymi, ekologicznymi i tanimi rozpuszczalnikami w zrównoważonych biorafineriach. Są to mieszaniny transparentne charakteryzujące się niskimi temperaturami krzepnięcia wynikającymi z co najmniej jednego donora wiązań wodorowych i jednego akceptora wiązań wodorowych. Chociaż DES są obiecującymi rozpuszczalnikami, konieczne jest połączenie ich z ekonomiczną technologią ogrzewania, taką jak napromieniowanie mikrofalowe, aby uzyskać konkurencyjną rentowność. Naświetlanie mikrofalowe jest obiecującą strategią skracania czasu nagrzewania i przyspieszania frakcjonowania, ponieważ może szybko osiągnąć odpowiednią temperaturę. Celem pracy było opracowanie jednoetapowej, szybkiej metody frakcjonowania biomasy i ekstrakcji ligniny przy użyciu taniego i biodegradowalnego rozpuszczalnika.

W tym badaniu, wspomagana mikrofalami obróbka DES została przeprowadzona przez 60 s przy 800 W, przy użyciu trzech rodzajów DES. Mieszaniny DES przygotowano z chlorku choliny (ChCl) i trzech donorów wiązań wodorowych (HBD): kwasu monokarboksylowego (kwas mlekowy), kwasu dikarboksylowego (kwas szczawiowy) i mocznika. Tę obróbkę wstępną zastosowano do frakcjonowania biomasy i odzyskiwania ligniny z pozostałości morskich (liście Posidonia i aegagropile), produktów ubocznych przemysłu rolnospożywczego (łupiny migdałów i wytłoki z oliwek), pozostałości leśnych (szyszki) i wieloletnich traw lignocelulozowych (Stipa tenacissima). Przeprowadzono dalsze analizy w celu określenia wydajności, czystości i rozkładu masy cząsteczkowej odzyskanej ligniny. Ponadto wpływ DES na chemiczne grupy funkcyjne w wyekstrahowanej ligninie określono za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR). Wyniki wskazują, że mieszanina ChCl-kwasu szczawiowego zapewnia najwyższą czystość ligniny i najniższą wydajność. Niniejsze badania pokazują, że proces mikrofalowy DES jest ultraszybką, wydajną i konkurencyjną kosztowo technologią frakcjonowania biomasy lignocelulozowej.

Wprowadzenie

Zrównoważone procesy biorafineryjne obejmują przetwarzanie biomasy, jej frakcjonowanie na cząsteczki będące przedmiotem zainteresowania oraz ich przekształcanie w produkty o wartości dodanej1. W biorafinacji drugiej generacji obróbka wstępna jest uważana za niezbędną do frakcjonowania biomasy na jej główne składniki2. Tradycyjne metody obróbki wstępnej wykorzystujące strategie chemiczne, fizyczne lub biologiczne są szeroko stosowane3. Jednak taka obróbka wstępna jest uważana za najdroższy etap biorafinacji i ma inne wady, takie jak długi czas przetwarzania, wysokie zużycie ciepła i energii oraz zanieczyszczenia rozpuszczalnikiem4. Ostatnio DES-y, których właściwości są podobne do właściwości cieczy jonowych3, pojawiły się jako zielone rozpuszczalniki ze względu na takie zalety, jak biodegradowalność, przyjazność dla środowiska, łatwość syntezy i odzysk po obróbce5.

DES są mieszaninami co najmniej jednego HBD, takiego jak kwas mlekowy, kwas jabłkowy lub kwas szczawiowy, oraz akceptora wiązań wodorowych (HBA), takiego jak betaina lub chlorek choliny (ChCl)6. Interakcje HBA-HBD umożliwiają mechanizm katalityczny, który umożliwia rozszczepienie wiązań chemicznych, powodując frakcjonowanie biomasy i separację ligniny. Wielu badaczy donosiło o wstępnej obróbce surowców lignocelulozowych za pomocą DES, takich jak ChCl-glicerol na kolbach kukurydzy i słomianych7,8, ChCl-mocznik i ChCl-kwas szczawiowy na słomie pszennej9, ChCl-kwas mlekowy na trocinach eukaliptusowych10 i ChCl-kwas octowy11 i ChCl-glikol etylenowy na drewnie11. Aby poprawić wydajność DES, obróbka wstępna powinna być połączona z obróbką mikrofalową, aby przyspieszyć frakcjonowanie biomasy5. Wielu badaczy donosiło o takiej połączonej obróbce wstępnej (DES i mikrofalowej) drewna8 oraz słomy kukurydzianej, proso rózgowatego i miskanta5, co dostarcza nowych informacji na temat zdolności DES do frakcjonowania lignocelulozy i ekstrakcji ligniny w jednym prostym kroku w krótkim czasie.

Lignina jest makrocząsteczką fenolową waloryzowaną jako surowiec do produkcji biopolimerów i stanowi alternatywę dla produkcji substancji chemicznych, takich jak aromatyczne monomery i oligomery12. Ponadto lignina ma działanie przeciwutleniające i absorpcyjne w ultrafiolecie13. Kilka badań wykazało zastosowanie ligniny w produktach kosmetycznych14,15. Jego integracja z komercyjnymi produktami ochrony przeciwsłonecznej poprawiła współczynnik ochrony przeciwsłonecznej (SPF) produktu z SPF 15 do SPF 30 z dodatkiem tylko 2% wagowych ligniny i do SPF 50 z dodatkiem 10 % wag. ligniny16. W artykule opisano ultraszybkie podejście do rozszczepiania ligniny i węglowodanów, wspomagane przez połączoną wstępną obróbkę biomasy śródziemnomorskiej DES i mikrofalową. Biomasa ta składa się z produktów ubocznych pochodzenia rolno-spożywczego, w szczególności z wytłoków z oliwek i łupin migdałów. Inne badane biomasy to biomasy pochodzenia morskiego (liście Posidonia i aegagropile) oraz te pochodzące z lasu (szyszki i dzikie trawy). Celem tego badania było przetestowanie tanich zielonych rozpuszczalników w celu oceny wpływu tej połączonej obróbki wstępnej na frakcjonowanie surowców, zbadanie jej wpływu na czystość ligniny i wydajność oraz zbadanie jej wpływu na masy cząsteczkowe i chemiczne grupy funkcyjne w wyekstrahowanej ligninie.

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

Protokół

1. Przygotowanie biomas

  1. Suszenie biomasy
    1. Umieścić liście Posidonii oraz kule aegagropile (Posidonia oceanica), zebrane z plaż Morza Śródziemnego, w piekarniku w temperaturze 40 °C na 72 h.
    2. Umieścić łupiny migdałów (Prunus dulcis), pochodzące z przemysłu spożywczego, oraz wypraski oliwne (Olea europaea L.), uzyskane z tłoczni oliwy, w piekarniku w temperaturze 40 °C na 72 h.
    3. Umieścić szyszki sosny (Pinus halepensis), zebrane w lesie, oraz liście trawy alfa (Stipa tenacissima), zebrane z południowego basenu Morza Śródziemnego, w piekarniku w temperaturze 40 °C na 72 h.
      UWAGA: Jeśli biomasa zawiera piasek, należy ją wypłukać wodą destylowaną przed umieszczeniem w piekarniku. Biomasy przedstawiono na Rysunku 1A-F.
  2. Mielenie biomasy
    1. Umieścić 20 g każdej biomasy w rozdrabniaczu młotkowym wyposażonym w sito o oczkach 1 mm. Zebrany proszek przelać do zlewki o pojemności 0.25 L, a następnie poddać dalszemu rozdrabnianiu w młotkowym rozdrabniaczu wyposażonym w sito o oczkach 0.5 mm. Proszek zebrać do zlewki o pojemności 0.25 L.

2. Ultraszybka ekstrakcja ligniny wspomagana mikrofalowo

  1. Przygotowanie głębokich rozpuszczalników eutektycznych (DES)
    1. Przygotować DES1 (ChCl-kwas szczawiowy) w stosunku molowym 1:1, mieszając 174 g ChCl z 126 g dwuwodnianego kwasu szczawiowego w kolbie okrągłodennej o pojemności 500 mL i topiąc je w łaźni w temperaturze 70 °C przez 4 h, aż do utworzenia jednorodnej i przezroczystej cieczy.
    2. Przygotować DES2 (ChCl-kwas mlekowy) w stosunku molowym 1:1, mieszając 174 g ChCl z 90 g kwasu mlekowego w kolbie okrągłodennej o pojemności 500 mL i topiąc je w łaźni w temperaturze 70 °C przez 4 h, aż do utworzenia jednorodnej i przezroczystej cieczy.
    3. Przygotować DES3 (ChCl-mocznik) w stosunku molowym 1:12, mieszając 174 g ChCl z 120 g mocznika w kolbie okrągłodennej o pojemności 500 mL i topiąc je w łaźni w temperaturze 70 °C przez 4 h, aż do utworzenia jednorodnej i przezroczystej cieczy.
      UWAGA: Mieszaniny należy mieszać nieprzerwanie za pomocą mieszadła magnetycznego z prędkością 500 rpm.
  2. Kombinowana obróbka mikrofalowo-DES
    1. Umieścić 5 g surowca w zamkniętym reaktorze z politetrafluoroetylenu w kuchence mikrofalowej. Dodać 50 mL DES i umieścić w próbce mieszadło magnetyczne. Zamknąć pojemnik mikrofalowy odpowiednią zatyczką i przymocować czujnik temperatury.
    2. Umieścić pojemnik mikrofalowy na krawędzi tacy obrotowej, zapewniając jego stałe mieszanie. Ustawić moc mikrofal na 800 W przez 1 min. Używając odpowiednich rękawic, wyjąć pojemnik z kuchenki mikrofalowej i pozostawić mieszaninę do ochłodzenia. Powtórzyć tę procedurę z użyciem trzech rodzajów DES dla każdej próbki biomasy.
      ​UWAGA: Należy sprawdzić i upewnić się, że sonda temperatury jest prawidłowo umieszczona, a pojemnik mikrofalowy ma jednorodną temperaturę.
  3. Izolacja ligniny
    1. Przygotować jednorodny roztwór antysolwentu, mieszając etanol i wodę w stosunku 50:50 (v:v). Dodać 50 mL roztworu antysolwentu do przetworzonego surowca, umieścić mieszaninę w naczyniu do wirowania (250 mL) i wirować przez 5 min przy 3,000 × g.
    2. Po wirowaniu odfiltrować nadsącz (frakcję bogatą w ligninę), używając szklanego tygla filtrującego (porowatość 4, 10-16 μm, średnica 10 mm). Przemyć pozostałą pozostałość celulozową zebraną po wirowaniu 25 mL roztworu antysolwentu.
    3. Wirować przy 3,000 × g przez 5 min po każdym przemyciu. Powtórzyć przemywanie 4x, a następnie zebrać i przefiltrować wody z przemywania przez szklany tygiel filtrujący (porowatość N 4, 10-16 μm, średnica 10 mm).
    4. Dodać przefiltrowaną frakcję bogatą w ligninę z kroku 2.3.2 do przefiltrowanych wód z przemywania z kroku 2.3.3 w kolbie okrągłodennej o pojemności 500 mL. Odparować etanol za pomocą wirówki rotacyjnej w temperaturze 50 °C i pod ciśnieniem 110 mbar.
    5. Dodać 150 mL wody dejonizowanej do zagęszczonego roztworu (frakcji bogatej w ligninę) i wytrącić ligninę poprzez wirowanie. Zebrać ligninę w postaci osadu i przemyć ją 25 mL wody destylowanej; powtórzyć przemywanie 4x. Ligninę liofilizować lub suszyć w suszarce w temperaturze 40 °C.
      ​UWAGA: W razie potrzeby przemyć ligninę >4x, aby usunąć sole z rozpuszczalników.
    6. W celu wyznaczenia wydajności zastosować następujący wzór:
      Wzór obliczania wydajności ligniny; równanie pokazujące procentową wydajność osadu ligniny.
      UWAGA: Ekstrakcję ligniny przeprowadzono również z użyciem dwóch innych DES: chlorku choliny + rezorcyny oraz chlorku choliny + kwasu masłowego przez 1 min. Jednak ilość odzyskanej ligniny przy użyciu tych DES była niezwykle mała (i nieodzyskiwalna) w porównaniu z ilościami uzyskanymi przy użyciu trzech pozostałych DES.

3. Wyznaczanie czystości wyekstrahowanej ligniny metodą Klasona

  1. Przygotowanie próbek do hydrolizy metodą Klasona
    1. Tygiel filtrujący (porowatość 4, średnica 4,5 mm) umieścić w piecu muflowym w temperaturze 550 °C na 4 h (rampa 2 h, od 25°C). Tygiel wyjąć, gdy piec ostygnie do 150 °C, umieścić w eksyكاتهrze w celu schłodzenia, a następnie zważyć.
    2. Do probówki z borokrzemianowego szkła (patrz Tabela materiałów) dodać około 30 mg ligniny i zapisać masę próbki. Do próbki dodać 1 mL 72% kwasu siarkowego (H2SO4), umieścić próbkę w kąpieli wodnej o temperaturze 30 °C na 60 min i mieszać co 10 min za pomocą wstrząsarki vortex.
    3. Próbkę wyjąć, przelać do szklanej butelki o pojemności 100 mL i dodać 28 mL wody destylowanej, aby rozcieńczyć kwas do stężenia 4%. Butelkę umieścić w autoklawie w temperaturze 121 °C na 60 min. Butelkę wyjąć i pozostawić do ostygnięcia.
  2. Analiza ligniny nierozpuszczalnej w kwasie
    1. Hydrolizat przefiltrować przez tygiel pod próżnią. Wszystkie substancje stałe zebrać do szklanej butelki zawierającej wodę dejonizowaną. Tygiel przepłukać 50 mL wody dejonizowanej.
    2. Tygiel z pozostałościami stałymi wysuszyć w suszarce w temperaturze 105 °C przez 16 h. Tygiel wyjąć z suszarki, umieścić w eksykatorze i pozostawić do ostygnięcia. Zważyć próbkę.
    3. Tygiel umieścić w piecu muflowym w temperaturze 550 °C na 4 h (rampa 2 h). Wyjąć i umieścić w eksykatorze. Zważyć próbkę.
    4. Do obliczenia procentowej zawartości pozostałości nierozpuszczalnej w kwasie (AIR) użyć następującego wzoru:
      Równanie procentowej pozornej retencji wewnątrzkomórkowej (%AIR) dla obliczeń analizy komórkowej.
      WCSA: masa tygla + próbki po wyjęciu z suszarki
      WC: masa tygla
      WCSMF: masa tygla po wyjęciu z pieca muflowego
      ODW: masa próbki po wysuszeniu w suszarce
  3. Analiza ligniny rozpuszczalnej w kwasie
    1. Absorbancję filtratu otrzymanego w kroku 3.2.1 zmierzyć spektrofotometrem przy 205 nm, używając kuwet kwarcowych. Jako próbkę ślepą zastosować wodę destylowaną.
    2. Do obliczenia procentowej zawartości pozostałości rozpuszczalnej w kwasie (ASL) użyć następującego wzoru:
      Równanie równowagi statycznej; obliczenie %ASL; absorpcja UV; wzór dla analizy filtratu; wynik wykresu.
      UWAGA: Absorbancja powinna mieścić się w zakresie od 0,2 do 0,7. W razie potrzeby rozcieńczyć próbkę.
      UVabs: absorbancja przy 205 nm
      Pathlength: droga optyczna kuwety pomiarowej (w cm)
      ε: współczynnik absorpcji biomasy przy danej długości fali

4. Zawartość azotu w wyekstrahowanej ligninie

  1. Przygotowanie roztworu zasadowego
    1. Do kolby miarowej o pojemności 2,5 L odważ 1 kg wodorotlenku sodu (NaOH) i doprowadź poziom wodą dejonizowaną do kreski. Włóż do kolby mieszadło magnetyczne i mieszaj do całkowitego rozpuszczenia NaOH.
  2. Przygotowanie roztworu kwasu siarkowego
    1. Do kolby miarowej o pojemności 5 L odmierz 0,1 N H2SO4 (patrz Tabela materiałów), uzupełnij wodą dejonizowaną do kreski 5 L, włóż mieszadło magnetyczne i mieszaj do czasu rozpuszczenia zawartości.
  3. Przygotowanie roztworu przyjmującego
    1. W kolbie miarowej o pojemności 5 L rozpuść 100 g H3BO3 (kwasu borowego) w wodzie dejonizowanej i doprowadź objętość do kreski.
    2. Do kolby miarowej o pojemności 100 mL odważ 100 mg zieleni bromokrezolowej i uzupełnij metanolem technicznym do kreski.
    3. Do kolby miarowej o pojemności 100 mL odważ 100 mg czerwieni metylowej i uzupełnij metanolem technicznym do kreski.
    4. Do naczynia wlej 5 L roztworu H3BO3 z kroku 4.3.1, 100 mL roztworu zieleni bromokrezolowej z kroku 4.3.2, 70 mL roztworu czerwieni metylowej z kroku 4.3.3 oraz 5 L wody dejonizowanej. Dobrze wstrząsaj roztworem przyjmującym przez 30 min.
      UWAGA: Końcowy kolor roztworu musi być zielony. Jeśli kolor nie jest zielony, dodać 50 mL 1 N roztworu NaOH.
  4. Przygotowanie próbek
    1. Do probówki Kjeldahla wprowadź 100 mg ligniny odważonej na papierze bezazotowym, dodaj tabletkę Kjeldahla (1,5 g siarczanu potasu (K2SO4) + 0,045 g pięciowodnego siarczanu miedzi (CuSO4.5H2O) + 0,045 g dwutlenku tytanu (TiO2)) oraz dodaj 7,2 mL stężonego H2SO4.
      UWAGA: Jako próby ślepe należy wykorzystać cztery probówki zawierające wyłącznie papier bezazotowy (bez próbek).
  5. Mineralizacja próbek
    1. Włączyć termostat w mineralizatorze z wyprzedzeniem 1 h, ustawiając temperaturę 360 °C.
    2. Umieścić probówki z próbkami w statywie, cztery probówki ślepe ustawiając w rogach statywu, a pozostałe wolne miejsca w statywie wypełnić pustymi probówkami.
    3. Włożyć statyw do rozgrzanego mineralizatora, zakryć system odciągu i uruchomić pompę wodną.
      UWAGA: Należy uważać, aby uniknąć wydzielania się oparów; w razie pojawienia się oparów zwiększyć przepływ wody.
    4. Po 2 h wyłączyć ogrzewanie, wyjąć próbki i umieścić je na metalowym wsporniku. Pozostawić statyw do ostygnięcia przez około 40 min przy włączonym systemie odciągu.
  6. Procedura destylacji metodą Kjeldahla
    1. Włączyć aparat do destylacji Kjeldahla. Pozostawić włączone Autotestowanie aż do pojawienia się komunikatu Wybór na ekranie. Przełączyć na tryb Ręczny, włożyć pustą probówkę i zamknąć przesuwną klapę.
    2. Przepłukać biuret z titrantem (0,02 N H2SO4) (podnieść pokrywę), kilka razy naciskając go od dołu i od góry, oraz usunąć pęcherzyki powietrza z przewodów, ściskając probówkę z butelką H2SO4. Zamknąć osłonę.
    3. Przepłukać roztwór przyjmujący H3BO3 3 razy.
    4. Dodać wodę 3 razy i przełączyć na Aktywna para (10 min). Wybrać program Analiza Kjeldahl 1. Wprowadzić wartość Blanco za pomocą strzałek na poziomie linii wyniku.
    5. Włożyć probówkę. Rozpocząć od czterech prób ślepych i obliczyć ich średnią. Wprowadzić wartość w linii Blanco.
      UWAGA: Po włożeniu probówki urządzenie automatycznie i kolejno dodaje 30 mL H2O, 30 mL H3BO3 oraz 40 mL 10 N NaOH.
    6. Przełączyć na mL titrantu w linii wyniku. Włożyć probówkę i odnotować ilość zużytego H2SO4.
      UWAGA: W celu sprawdzenia działania aparatu do destylacji Kjeldahla przyjąć, że 50 mg gliceryny odpowiada 18,60% ± 5% % N. Po każdym miareczkowaniu urządzenie automatycznie opróżnia i czyści probówkę.
    7. Obliczyć procentową zawartość N.
      Wzór na procentową zawartość azotu; %N=((Vs.a(mL)×Ts.a(N)×0,014)/S(g))×100; równanie analizy chemicznej.
      V s.a : Objętość kwasu siarkowego
      T s.a : 0,02 N H2SO4
      S: masa próbki

5. Zawartość popiołu w wyekstrahowanej ligninie

  1. Suszyć tygle ceramiczne przez 1 h w temperaturze 105 °C. Pozostawić je do ostygnięcia w eksykatorku.
  2. Zważyć tygiel i zapisać jego numer. Dodać około 1 g sproszkowanej próbki. Umieścić tygiel w piecu muflowym zgodnie z następującym programem: wzrost temperatury do 575 °C przez 2 h; utrzymywanie temperatury 575 °C przez 4 h.
  3. Pozostawić piec do ostygnięcia do 100 °C. Wyjąć tygle, umieścić je w eksykatorku i zważyć.

6. Zawartość węglowodanów

  1. Przygotowanie roztworu borowodorku sodu (NaBH4)/dimetylosulfotlenku (DMSO)
    1. Wprowadzić 2 g NaBH4 do kolby miarowej o pojemności 100 mL i dopełnić DMSO do kreski. Podgrzać do 100 °C w łaźni olejowej (Mayor's bath) i mieszać roztwór aż do całkowitego rozpuszczenia.
  2. Przygotowanie roztworu MIX
    1. Wprowadzić po 20 mg ksylozy, arabinozy, ramnozy, glukozy, galaktozy, mannozy oraz 2-deoksyglukozy do kolby miarowej o pojemności 100 mL i dopełnić do kreski 100 mL wodą dejonizowaną.
  3. Hydroliza próbki
    1. Odważyć 50 mg próbki ligniny do probówki z borokrzemianowego szkła, dodać 3 mL 1 M H2SO4 i ogrzewać mieszaninę przez 3 h w temperaturze 100 °C.
    2. Ostudzić próbkę, dodać 1 mL 15 M wodorotlenku amonu (NH4OH) i sprawdzić pH, aby upewnić się, że jest ono obojętne lub zasadowe. Do każdej próbki dodać dokładnie 1 mL standardu wewnętrznego (2-deoksyglukozy).
      UWAGA: Dodanie 2-deoksyglukozy jako standardu wewnętrznego umożliwia ilościowe oznaczenie każdej dawki obecnej w próbce.
  4. Redukcja i acetylacja monosacharydów do octanów alditolu
    1. Pobrać 400 µL roztworu z kroku 6.3.2 i przenieść do specjalnych probówek. Pobrać 400 µL kontrolnego roztworu MIX i przenieść do specjalnych probówek.
      UWAGA: Zastosowanie roztworu MIX ułatwia obliczenie czynników odpowiedzi (RF) i procentowej zawartości monosacharydów.
    2. Dodać 2 mL roztworu NaBH4/DMSO przygotowanego w sekcji 6.1. Zamknąć probówkę i inkubować przez 90 min w temperaturze 40 °C w łaźni wodnej. Wyjąć probówkę z łaźni wodnej i dodać 0,6 mL octanu lodowatego.
      UWAGA: Ponieważ jest to reakcja egzotermiczna, mogą pojawić się pęcherzyki powietrza i dym.
    3. Dodać około 0,4 mL 1-metyloimidazolu i około 4 mL bezwodnika octowego. Po 15 min dodać 10 mL wody destylowanej, ostudzić i dodać ~3 mL dichlorometanu (CH2Cl2).
    4. Po upływie co najmniej 2 h pobrać ~1 mL dolnej (organicznej) fazy i wstrzyknąć do chromatografu gazowego wyposażonego w kolumnę kapilarną z detektorem jonizacji płomieniowej, HP1-metylosiloksan (30 m (długość) x 320 µm (średnica wewnętrzna), 0,25 µm (grubość warstwy)). Przeanalizować dane.
    5. Do obliczenia czynnika odpowiedzi (RF) zastosować następujący wzór:
      Wzór równowagi statycznej: RF=A×M 2DG/A×M monosacharydu; schemat; analiza chromatograficzna.
      A m. p: Średnia powierzchnia piku monosacharydu w roztworze MIX
      M a. h of 2 - deoxy glucose: Masa 2-deoksyglukozy po hydrolizie
      A 2dg. p: Średnia powierzchnia piku 2-deoksyglukozy w roztworze MIX
      M a. h of the monosaccharide: Masa monosacharydu po hydrolizie
      UWAGA: Korekcja anhydro wynosi 0,8 dla ramnozy, 0,88 dla arabinozy i ksylozy oraz 0,9 dla mannozy, glukozy i galaktozy. Masa po hydrolizie = korekcja anhydro x masa (g) monosacharydu użytego w roztworze MIX.
    6. Do obliczenia masy monosacharydu zastosować następujący wzór:
      Wzór na masę monosacharydu: (AP.M × M.IS) / (AP.2 × RF), równanie analizy chemicznej.
      AP.M: Powierzchnia piku monosacharydu w analizowanej próbce
      M. IS: Masa dodanego standardu wewnętrznego; tutaj C SI=1 mg/mL
      AP.2: Powierzchnia piku 2-deoksyglukozy w próbce
      RF: czynnik odpowiedzi
    7. Obliczyć procentową zawartość każdego monosacharydu, stosując następujący wzór:
      Wzór na procentową zawartość monosacharydu: masa monosacharydu podzielona przez początkową masę próbki w formacie równania.

7. Funkcje chemiczne w wyekstrahowanej ligninie (spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera)

  1. Aby zidentyfikować grupy funkcyjne w wyekstrahowanej ligninie, należy użyć spektrometru FT-IR wyposażonego w moduł osłabionego całkowitego odbicia (ATR). Otwórz oprogramowanie do spektroskopii i ustaw parametry: rozdzielczość 4 cm-1, czas skanowania próbki 32, czas skanowania tła 16, zapis danych od 4000 do 400 cm-1, wynik widma jako transmitancja.
  2. Bez dodawania próbki naciśnij background single channel. Następnie umieść 1 mg próbki na kryształe i naciśnij sample single channel. Przetwórz uzyskane widma.

8. Masa cząsteczkowa wyekstrahowanej ligniny (chromatografia żelowa)

  1. Przygotuj roztwór dimetyloformamidu (DMF) z 0,5% chlorkiem litu (LiCl). Odważ 5 g LiCl do kolby miarowej o pojemności 1 l, dopełnij DMF do kreski pomiarowej i mieszaj zawartość do uzyskania jednorodnej cieczy.
  2. Rozpuścić 3 mg próbki ligniny w 3 ml DMF z dodatkiem 0,5% LiCl. Odwiruć w probówce wirówkowej o pojemności 10 ml, a następnie przenieść frakcję rozpuszczalną do fiolki.
  3. Rozpuścić 3 mg standardu polistyrenu o masach 1 kDa, 2 kDa, 3 kDa, 10 kDa, 20 kDa i 30 kDa w roztworze DMF z dodatkiem 0,5% LiCl. Odwir {ować} w borokrzemianowych probówkach o pojemności 10 ml, a następnie przenieść frakcję rozpuszczalną do fiolki.
  4. Przygotuj system wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) z detektorem UV.
    1. Uruchom system gromadzenia danych i sprawdź detektor UV.
    2. Przepłucz system wodą destylowaną. Umieść tłok w eluentcie (DMF z 0,5% LiCl). Otwórz zawór płukania i przepłucz linię z szybkością przepływu 1 ml/min przez 15 min. Zatrzymaj przepływ i zamknij zawór płukania.
    3. Ustaw szybkość przepływu na 1 ml/min przez 10 min, aby oczyścić drogę eluentu do detektora. Zatrzymaj przepływ.
    4. Zainstaluj kolumnę poprzedzoną kolumną ochronną (patrz na Tabela materiałów). Włączyć podgrzewacz kolumny w 45 °Cwłączyć detektor UV i stopniowo ustawiać szybkość przepływu, aż do osiągnięcia wartości 0,6 mL/min.
    5. Wstrzyknąć 30 µL każdej próbki przez 40 min przy długości fali 270 nm. Przetworzyć otrzymane dane i obliczyć rozkład masy, korzystając z linii kalibracyjnej.
    6. Oblicz średnią liczbową masę cząsteczkową (Mn), średnią wagową masę cząsteczkową (Mw) oraz indeks polidyspersyjności (PDI).
      Wzór na średnią liczbową masę cząsteczkową Mn=ΣNiMi/ΣNi, obliczenia w chemii polimerów.
      Wzór na masę cząsteczkową stosowany w analizie polimerów.
      Wzór na dyspersyjność polimeru PDI=Mw/Mn; równanie to obrazuje rozkład masy cząsteczkowej.
      Mi: masa cząsteczkowa łańcucha
      Ni: liczba łańcuchów o danej masie cząsteczkowej

9. Obróbka danych i analizy statystyczne

  1. Wszystkie eksperymenty analityczne należy przeprowadzić w trzech powtórzeniach, a wyniki wyrazić jako % suchej masy.
  2. Należy przeprowadzić jednoczynnikową analizę wariancji (ANOVA) i porównać średnie za pomocą testu wielokrotnych porównań Tukeya.
  3. Należy przeprowadzić analizę głównych składowych (PCA).

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

Wyniki

Rysunek 2A-C przedstawia wydajność ekstrakcji ligniny z sześciu surowców, pokazanych na Rysunku 1A-F, po połączonej wstępnej obróbce mikrofalowej i DES. Wyniki wykazują, że wydajność ligniny uzyskana przy użyciu DES1 (ChCl-kwas szczawiowy) (Rysunek 2A) była niższa niż wydajności uzyskane przy użyciu DES2 (ChCl-kwas mlekowy) i DES3 (ChCl-mocznik) (

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

Dyskusja

Badanie to miało wiele celów; Pierwszym z nich było przygotowanie i użycie tanich zielonych rozpuszczalników o właściwościach zarówno cieczy jonowych, jak i rozpuszczalników organicznych. Drugim celem było frakcjonowanie biomasy i ekstrakcja ligniny w jednym etapie, bez konieczności wykonywania czynności wstępnych, takich jak ekstrakcja substancji ekstrahowalnych za pomocą Soxhleta lub hemicelulozy przy użyciu rozpuszczalników alkalicznych, technik podstawowych lub termofizycznych. Trzecim celem było odzyskanie ligniny p...

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

Oświadczenia

Autorzy nie zgłaszają konfliktu interesów.

Podziękowania

MK i TB dziękują Haithamowi Ayebowi za analizy statystyczne i przygotowanie danych liczbowych, Regionowi Walonii (Europejski Rozwój Regionalny-VERDIR) oraz Ministrowi Szkolnictwa Wyższego i Badań Naukowych (Taoufik Bettaieb) za dofinansowanie.

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

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Chromatografia żelowa HPLCAgilent 1200 seria
1 metylomadazolAcros organics
(wzorzec wewnętrzny)Sigma Aldrich (St. Louis, USA)
Bezwodnik octowySigma Aldrich (St. Louis, USA)
Pipety
ekstrahowana alkaliami alkaliczna
(99%)Sigma Aldrich (St. Louis, USA)
AutoklawCERTO CLAV (model CV-22-VAC-Pro)
Kąpiel wodna o temperaturze 70 &; C
Kwas borowySigma Aldrich (St. Louis, USA)
BromocrezolSigma Aldrich (St. Louis, USA)
KatalizatorCTQ (kodowany A22) (1,5 g K2SO4 + 0,045 g CuSO4,5 H2O + 0,045 g TiO2)Wirowanie Merck
pojemnik
WirówkaBECKMAN COULTERAvanti J-E Wirówka
Tygle ceramiczne Chlorek
choliny 99%Acros organics Kolumna
Agilent PLGel Mieszany C (alfa 3,000 (4,6 &; razy 250 mm, 5 &mikro; m) poprzedzony kolumną ochronną (TSK żel alfa kolumna ochronna 4,6 mm i razy; 50 mm, 5 &mikro; m)
KolumnaHP1-metylosioksan (30 m, 0,32 mm, 0,25 mm)
Porowatość tygla N° 4 ( Tygiel filtrujący)Shott Duran Niemcyboro 3.3
Woda
Eksykator
DimetyloformamidVWR BDH Chemikalia
DimetylosulfotlenekAcros organics
Niemcy)
Tygle filtracyjne, protelaina
Kolby
Fourrier Transformed Inra- RedVertex 70 Aparatura Brukera
wyposażona w moduł tłumionego całkowitego współczynnika odbicia (ATR).
Widma zarejestrowano w 4,000– 400 cm− Zakres 1 z 32 skanami
w rozdzielczości 4,0 cm− 1
Galactose (98%Sigma Aldrich (St. Louis, USA)
Gaz ChromatographyAgilent (seria 7890)
Szklana butelka 100 ml
Szklane probówki (borokrzemianowe) z teflonowymi nakrętkami 10 ml
Glukoza (98%Sigma Aldrich (St. Louis, USA)
Golves
Butla miarowa 50 ml / 100 ml
H2SO4 Titrisol (0,1 N)Merck (Darmstadtt, Niemcy)
H2SO4 (95-98%)Sigma Aldrich (St. Louis, USA)BUCHI R-114)
Nóż Hummer wyposażony w sito 1 mm i 0,5 mmMłyn Ttecator (Szwecja)Cyclotec 1093
IndulinSurowa kontrola ligniny
Destylator KjeldahlKjeltec 2300 (Foss)
Rurka KjeldahlaFOSS
Stojak
Fermentator KjeldhalKjeltec 2300 (Foss)
System
Lab Chem Station OprogramowanieAnaliza danych GC
KwasmlekowyMerck (Darmstadtt, Niemcy)
Chlorek litu LiClSigma Aldrich (St. Louis, USA)
Mannoza (98%)Sigma Aldrich (St. Louis, USA)
Czerwień
Kuchenka mikrofalowaROZPOCZNIJ SYNTEZATOR KAMIEŃ MILOWY Mikrofalowy system
Mikrofalowa sonda
kuchenki mikrofalowej
Piec
NaOHMerck (Darmstadtt, Niemcy)
Bez azotu - papier
Oprogramowanie do spektroskopiiOpus
OvenGmbH Memmert SNB100Memmert SNB100
Kwas szczawiowyVWR BDH Chemicals
P 1000Lignina przetworzona sodą
pH papierowa
waga
Spektroskopia
Kuweta
Ramnoza (98%)Sigma Aldrich (St. Louis, USA)
Obrotowa wyparka próżniowaBucher
Kolba okrągłodenna 500 ml
borowodorku sodu NaBH4
Butelkaszklana butelka
Probówki SovirelsovirelProbówki ze szkła borokrzemianowego
Szpatułka
Specjalna tubka
SpektrofotometrUV-1800 Shimadzu
wskaźnikowa sterylizacji
Mieszadło w teflonie
Płytka mieszająca
Borowodorek soduSigma Aldrich (St. Louis, USA)
TitrisolMerckMerck 1099840,1 N H2SO4
MocznikVWR BDH Chemicals
Fiolki
Kolba objętościowa 2,5 l /5 LBucher
Vortex
Xylose (98%)Sigma Aldrich (St. Louis, USA)
2-deoksy-D-glukoza Kwas octowy Sigma Aldrich (St. Louis, USA)regulowane Lignina arabinoza odonizowana Kolba Erlenmeyera Etanol Merck (Darmstadtt,filtracyjneKjeldhalssący Kjeldhalmetylowalaboratoryjny temperaturyPojemnik do muflowyprecyzyjnaw podczerwieniQuatz Schotta Taśma Strzykawki

Bibliografia

  1. Kammoun, M., et al. Hydrothermal dehydration of monosaccharides promoted by seawater fundamentals on the catalytic role of inorganic salts. Frontiers in Chemistry. 7, 132(2019).
  2. Kammoun, M., Ayeb, H., Bettaieb, T., Richel, A. Chemical characterisation and technical assessment of agri-food residues, marine matrices, and wild grasses in the South Mediterranean area: A considerable inflow for biorefineries. Waste Management. 118, 247-257 (2020).
  3. Zhang, C. W., Xia, S. Q., Ma, P. Facile pretreatment of lignocellulosic biomass using deep eutectic solvents. Bioresource Technology. 219, 1-5 (2016).
  4. Mora-Pale, M., Meli, L., Doherty, T. V., Linhardt, R. J., Dordick, J. S. Room temperature ionic liquids as emerging solvents for the pretreatment of lignocellulosic biomass. Biotechnology and Bioengineering. 108 (6), 1229-1245 (2011).
  5. Chen, Z., Wan, C. Ultrafast fractionation of lignocellulosic biomass by microwave-assisted deep eutectic solvent pretreatment. Bioresource Technologie. 250, 532-537 (2018).
  6. Francisco, M., Van Den Bruinhorst, A., Kroon, M. C. New natural and renewable low transition temperature mixtures ( LTTMs ): screening as solvents for lignocellulosic biomass processing. Green Chemistry. 14 (8), 2153-2157 (2012).
  7. Liu, Y. C., et al. Efficient cleavage of lignin - carbohydrate complexes and ultrafast extraction of lignin oligomers from wood biomass by microwave-assisted treatment with deep eutectic solvent. Chem sus chem. 10, 1692-1700 (2017).
  8. Xu, G. C., Ding, J. C., Han, R. Z., Dong, J. J., Ni, Y. Enhancing cellulose accessibility of corn stover by deep eutectic solvent pretreatment for butanol fermentation. Bioresource Technologie. 203, 364-369 (2016).
  9. Jablonský, M., Andrea, Š, Kamenská, L., Vrška, M., Šima, J. Deep eutectic solvents fractionation of wheat straw deep eutectic solvents fractionation of wheat straw. Bioresources. 10 (4), 8039-8047 (2015).
  10. Shen, X. J., et al. Facile fractionation of lignocelluloses by biomass-derived deep eutectic solvent (DES) pretreatment for cellulose enzymatic hydrolysis and lignin valorization. Green Chemistry. 21, 275-283 (2019).
  11. Alvarez-Vasco, C., et al. Unique low-molecular-weight lignin with high purity extracted from wood by deep eutectic solvents (DES): a source of lignin for valorization. Green Chemistry. 18, 5133-5141 (2016).
  12. Banu, J. R., et al. A review on biopolymer production via lignin valorization. Bioresource Technologie. 290, 121790(2019).
  13. Gordobil, O., Olaizola, P., Banales, J. M., Labidi, J. Lignins from agroindustrial by-products as natural ingredients for cosmetics chemical structure and in vitro sunscreen and cytotoxic activities. Molecules. 25 (5), 1131(2020).
  14. Lee, C. S., Thu Tran, T. M., Weon Choi, J., Won, K. Lignin for white natural sunscreens. International Journal of Biological Macromolecules. 122, 549-554 (2019).
  15. Widsten, P. Lignin-based sunscreens-state-of-the-art, prospects and challenges. Cosmetics. 7, 85(2020).
  16. Qian, Y., Qiu, X., Zhu, S. Lignin: a nature-inspired sun blocker for broad-spectrum sunscreens. Royal Society of Chemistry. 17, 320-324 (2015).
  17. Zijlstra, D. S., et al. Extraction of lignin with high β-O-4 content by mild ethanol extraction and its effect on the depolymerization yield. Journal of Visualized Experiments. (143), e58575(2019).

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

Przedruki i uprawnienia

Tagi

G boki rozpuszczalnik eutektycznywspomagane mikrofalowofrakcjonowanie biomasyczysto ligninyspektroskopia FTIRwysokosprawna chromatografia cieczowali cie Posidoniaskorupki migda wwycinki oliwne
Ultraszybka ekstrakcja ligniny z nietypowych śródziemnomorskich pozostałości lignocelulozowych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.