Name: Ekstrakcja ligniny o wysokiej zawartości β-O-4 metodą łagodnej ekstrakcji etanolem i jej wpływ na wydajność depolimeryzacji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 18 s
Description: Poznaj metodę łagodnej ekstrakcji ligniny etanolem z biomasy, która zachowuje wysoką zawartość wiązań β-O-4 i zapobiega rekondensacji. Technika ta umożliwia efektywną depolimeryzację do monomerów aromatycznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Praca została sfinansowana przez Unię Europejską (Marie Curie ITN 'SuBiCat' PITN-GA-2013-607044, PJD, KB i JGdV), oprócz wsparcia finansowego od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, ERC Starting Grant 2015 (CatASus) 638076 (AdS i KB) oraz programu badawczego Talent Scheme (Vidi) o numerze projektu 723.015.005 (KB), który jest częściowo finansowany przez Holenderską Organizację Badań Naukowych (NWO).

1. Obróbka wstępna surowca z orzecha włoskiego przed ekstrakcją ligniny
<ol>
	<li>Przygotowanie ciętych skorup orzecha włoskiego
	<ol>
		<li>Wprowadzić skorupy orzecha włoskiego do rozdrabniacza młotkowego w celu ich rozkruszenia. Wyposażyć rozdrabniacz młotkowy w sito o oczkach 5 mm na wylocie. Zebrać rozkruszone skorupy orzecha włoskiego do zlewki szklanej o pojemności 1 L.</li>
		<li>Wprowadzić rozkruszone skorupy do mikro-rozdrabniacza młotkowego w celu uzyskania zmielonych skorup. Wyposażyć mikro-rozdrabniacz młotkowy w sito o oczkach 2 mm na wylocie. Zebrać zmielone skorupy orzecha włoskiego do zlewki szklanej o pojemności 1 L.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ekstrakcja kwasów tłuszczowych ze zmielonych skorup orzecha włoskiego
	<ol>
		<li>Umieścić 150 g ciętych skorup orzecha włoskiego w kolbie okrągłodennej o pojemności 50 mL. Do kolby dodać 20 mL toluenu oraz mieszadło magnetyczne.</li>
		<li>Do kolby okrągłodennej podłączyć chłodnicę zwrotną. Podgrzewać mieszaninę w temperaturze wrzenia (11 ˚C) w kąpieli olejowej przez 2 h przy intensywnym mieszaniu.</li>
		<li>Po 2 h przerwać ogrzewanie i wyjąć kolbę z kąpieli olejowej, aby mieszanina ostygła do temperatury pokojowej.</li>
		<li>Usunąć toluen poprzez filtrację (średnica 185 mm, wielkość porów 10 µm). Odrzucić filtrat z toluenem.</li>
		<li>Usunąć pozostałości toluenu, ogrzewając skorupy orzecha włoskiego przez noc w piecu próżniowym w temperaturze 80 ˚C i pod ciśnieniem 50 mbar.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Mielenie wstępnie ekstrahowanych skorup orzecha włoskiego
	<ol>
		<li>Do moździerza mielącego o pojemności 250 mL wykonanego z ZrO2 włożyć 7 kul mielących z ZrO2 o średnicy 20 mm.</li>
		<li>Wypełnić moździerz 40 g cząsteczek orzecha włoskiego. Dodać do moździerza 60 mL izopropanolu.</li>
		<li>Przeprowadzić mielenie skorup orzecha włoskiego w rotacyjnej młynce kulowej. Mielić w 4 cyklach po 2 min mielenia przy 27 x g, po których następowała 4-minutowa przerwa. Temperatura moździerza musi w każdym momencie pozostawać poniżej 80 ˚C. Przeprowadzić nie więcej niż 3 serie i pozwolić moździerzowi ostygnąć po zakończeniu procesu.</li>
		<li>Zebrać drobno zmielone skorupy orzecha włoskiego do kolby okrągłodennej o pojemności 50 mL. Usunąć izopropanol za pomocą ewaporatora rotacyjnego w temperaturze 40 ˚C i pod ciśnieniem 125 mbar.</li>
		<li>Suszyć skorupy orzecha włoskiego przez noc w piecu próżniowym w temperaturze 50 ˚C i pod ciśnieniem 50 mbar.</li>
		<li>Przesiać drobno zmielone skorupy orzecha włoskiego przez sito o oczkach 1 mm. Cząstki zbyt duże ponownie zmielić w rotacyjnej młynce kulowej.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie surowców drzewnych
<ol>
	<li>Cięcie drewnianych desek
	<ol>
		<li>Umieść drewniane deski pod wiertarką wyposażoną w płaskie wiertło do drewna. Zbierz wióry w zlewce szklanej.</li>
		<li>Umieść wióry w młynku do kawy, aby rozdrobnić je na mniejsze kawałki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ekstrakcja kwasów tłuszczowych z drewna
	<ol>
		<li>Przeprowadź ekstrakcję kwasów tłuszczowych z drewna w dokładnie taki sam sposób, jak opisano dla łupin orzecha włoskiego w kroku 1.2. 
		UWAGA: Nie przeprowadza się mielenia drewna w młynku kulowym, ponieważ warunki opisane w kroku 1.3 nie doprowadziły do zmniejszenia rozmiaru cząsteczek.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Ekstrakcja ligniny organosolw o wysokiej zawartości wiązań β-O-4
<ol>
	<li>Ekstrakcja łagodnym etanolem (Metoda A)
	<ol>
		<li>Włożyć 25 g surowca do kolby okrągło-dennej o pojemności 50 mL. Do kolby dodać mieszaninę etanolu i wody w stosunku 80:20 (20 mL), 4 mL 37% roztworu HCl (0,24 M) oraz magnetyczny mieszadło.</li>
		<li>Do kolby okrągło-dennej podłączyć chłodnicę zwrotną. Mieszaninę ogrzewać w kąpieli olejowej w temperaturze wrzenia przez 5 h przy intensywnym mieszaniu.</li>
		<li>Wyjąć naczynie z kąpieli olejowej i pozwolić mieszaninie ostygnąć do temperatury pokojowej. Mieszaninę przefiltrować (średnica 185 mm, wielkość porów 10 µm), a osad przemyć czterokrotnie 25 mL etanolu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Obróbka i izolacja ligniny
	<ol>
		<li>Zebrać ciecz do kolby okrągło-dennej o pojemności 50 mL. Ciecz zagęścić za pomocą ewaporatora rotacyjnego w temperaturze 40 ˚C i pod ciśnieniem 150 mbar.</li>
		<li>Otrzymaną substancję stałą rozpuścić w 30 mL acetonu. Jeśli substancja nie rozpuści się całkowicie, zastosować kąpiel ultradźwiękową.</li>
		<li>Wytrącić ligninę, dodając mieszaninę do 60 mL wody. Jeśli nie nastąpi wytrącenie, dodać niewielką ilość nasyconego wodnego roztworu Na2SO4, aby doprowadzić do flokulacji ligniny.</li>
		<li>Zebrać ligninę poprzez filtrację (średnica 185 mm, wielkość porów 10 µm). Ligninę przemyć czterokrotnie 25 mL wody. Jeśli analiza frakcji hemicelulozy nie jest wymagana, odrzucić filtrat. Jeśli filtrat jest bardzo mętny, przelać go do probówki wirówkowej i zebrać (stałą) frakcję osadu poprzez wirowanie.</li>
		<li>Pozostawić ligninę do wysuszenia na powietrzu przez noc. Następnie suszyć ligninę w suszarce próżniowej (przez noc w temperaturze 50 ˚C i pod ciśnieniem 50 mbar).</li>
		<li>Wyznaczyć wydajność po wysuszeniu ligniny przez noc w suszarce próżniowej.</li>
		<li>Obliczyć efektywność ekstrakcji ligniny, dzieląc uzyskaną wartość przez całkowistą zawartość ligniny wyznaczoną metodą Klasona24.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ekstrakcja etanolem w wyższej temperaturze (Metoda B)
	<ol>
		<li>Włożyć 15 g surowca do autoklawu o pojemności 250 mL. Dodać mieszaninę etanolu i wody w stosunku 80:20 (120 mL), 2,4 mL HCl (0,24 M) oraz magnetyczne mieszadło.</li>
		<li>Ogrzewać mieszaninę w temperaturze 120 ˚C przez 5 h przy prędkości mieszania 5,2 x g. Następnie schłodzić mieszaninę w kąpieli lodowej.</li>
		<li>Mieszaninę przefiltrować (średnica 185 mm, wielkość porów 10 µm), a osad przemyć czterokrotnie 15 mL etanolu.</li>
		<li>Dalszą obróbkę i izolację przeprowadzić dokładnie tak, jak opisano w Kroku 3.2.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ekstrakcja łupin orzecha włoskiego etanolem w wyższej temperaturze w większej skali (Metoda C*)
	<ol>
		<li>Włożyć 90 g drobno zmielonych łupin orzecha włoskiego do autoklawu wysokociśnieniowego o pojemności 1 L. Dodać mieszaninę etanolu i wody w stosunku 80:20 (750 mL) oraz 6,25 mL H2SO4 (0,12 M).</li>
		<li>Ogrzewać mieszaninę w temperaturze 120 ˚C przez 5 h przy prędkości mieszania 35,8 x g. Po 5-godzinnym czasie reakcji schłodzić mieszaninę do temperatury pokojowej, uruchamiając system chłodzenia reaktora.</li>
		<li>Mieszaninę przefiltrować (średnica 185 mm, wielkość porów 10 µm), a osad przemyć czterokrotnie 75 mL etanolu. 
		UWAGA: Użycie kilku filtrów pozwala znacznie zaoszczędzić czas.</li>
		<li>Zebrać ciecze w dwóch równych partiach. Przeprowadzić obróbkę i izolację zgodnie z opisem w Kroku 3.2, stosując podwójną ilość rozpuszczalników dla obu partii.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Doświadczenia kontrolne do Kroku 3.1. (Metoda A*) i Kroku 3.3. (Metoda B*) (opcjonalnie)
	<ol>
		<li>Zastosować dokładnie te same materiały, co w Kroku 3.1.1, zastępując jednak roztwór HCl ilością 1,67 mL H2SO4 (0,12 M). Pozostała część Kroków 3.1-3.2 jest identyczna z Metodą A.</li>
		<li>Zastosować dokładnie te same materiały, co w Kroku 3.3.1, zastępując jednak roztwór HCl ilością 1,0 mL H2SO4 (0,12 M). Pozostała część Kroku 3.3 jest identyczna z Metodą B.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Deeteryfikacja ligniny (opcjonalnie)
<ol>
	<li>Rozpuścić 10 mg ligniny w 24 mL mieszaniny 1,4-dioksanu z wodą w stosunku 1:1 w kolbie okrągło-dennej o pojemności 10 mL. Do mieszaniny dodać 1 mL 37% roztworu HCl.</li>
	<li>Wprowadzić mieszadło magnetyczne i podłączyć chłodnicę zwrotną do kolby okrągło-dennej. Podgrzewać mieszaninę w łaźni olejowej do 10 ˚C przez 5 h przy intensywnym mieszaniu.</li>
	<li>Wyjąć kolbę z łaźni olejowej i pozwolić mieszaninie ostygnąć do temperatury pokojowej. Wlać mieszaninę do 160 mL wody w celu wytrącenia ligniny.</li>
	<li>zebrać ligninę poprzez filtrację (średnica 185 mm, wielkość porów 10 µm) i przemyć ją 25 mL wody dwa razy. Pozostawić ligninę do wyschnięcia na powietrzu przez noc. Dalsze suszenie ligniny przeprowadzić w suszarce próżniowej (przez noc w temperaturze 50 ˚C i pod ciśnieniem 50 mbar).</li>
</ol>
5. Analiza ligniny
<ol>
	<li>Analiza dwuwymiarowego rezonansu magnetycznego jądra (2D-NMR)
	<ol>
		<li>Rozpuścić 60 mg wysuszonej ligniny w 0,7 mL d6-acetonu. Jeśli lignina nie rozpuści się całkowicie, dodać kilka kropli D2O. Przenieść mieszaninę do probówki NMR i zarejestrować widma dwuwymiarowej heterojądrowej pojedynczej korelacji kwantowej protonów (HSQC) za pomocą spektrometru NMR z następującymi parametrami: (1, -1), (160, -10), nt = 4, ni = 51220.</li>
		<li>Przeanalizować otrzymane widma HSQC. Skorygować widma poprzez ręczną korekcję fazy na obu osiach, aż wszystkie sygnały będą dodatnie, co jest szczególnie istotne dla osi poziomej (f2). Nie wykonywać korekcji linii bazowej. Pozycje wszystkich wiązań podano w krokach 5.1.3 i 5.1.6.</li>
		<li>Zintegrować sygnały w obszarze aromatycznym odpowiadające trzem różnym jednostkom aromatycznym (numeracja protonów zgodnie z Rysunkiem 4). Sygnały te znajdują się w zakresie [(zakres protonów)(zakres węgla)]: 
		S2/6:                [(6,48-6,90)(104-109)] 
		S'2/6:               [(7,17-7,50)(105-109)] 
		Scondensed:       [(6,35-6,65)(106-109)] 
		G2:                 [(6,78-7,14)(1,5-16)] 
		G5:                 [(6,48-7,06)(15-120,5)] 
		G6:                 [(6,65-6,96)(120,5-124,5)] 
		H2/6:               [(7,05-7,29)(128,5-13)] 
		Uwaga: H3/5 nakłada się na sygnał G5 i przyjmuje się, że H2/6 ma taką samą intensywność jak H3/5. Sygnał dla skondensowanego G nakłada się na G5. Brak (lub znikoma obecność) sygnałów G2 i G6 wskazuje na całkowitą kondensację G.</li>
		<li>Obliczyć ilość jednostek aromatycznych według wzoru: 
		Suma aromatycznych = (((S2/6 + S'2/6)/ 2) + Scondensed) + ((G2 + G5 + G6- H2/6) / 3) + (H2/6 / 2)</li>
		<li>Obliczyć procentowy udział jednostek G, H i S według następujących wzorów: 
		Udział S = (((S2/6 + S'2/6)/ 2) + Scondensed): suma aromatycznych x 100% 
		Udział G = ((G2 + G5 + G6- H2/6) / 3) : suma aromatycznych x 10% 
		Udział H = (H2/6 / 2) : suma aromatycznych x 10%</li>
		<li>Zintegrować sygnały w obszarze alifatycznym odpowiadające wiązaniom β-O-4, β-β i β-5 oraz ketonom Hibberta. Znajdują się one w zakresie [(zakres protonów)(zakres węgla)]: 
		β-O-4α                          [(4,76-5,10)(73-7,5)] 
		β'-O-4α                         [(4,4-4,84)(81,5-86)] 
		β-O-4β i β'-O-4β      [(4,03-4,48)(85-90,5)] 
		β-O-4γ i β'-O-4γ       [(3,10-4,0)(58,5-62)] 
		β-5α                              [(5,42-5,63)(8-92)] 
		β-5β                              [(3,36-3,56)(53-54,5)] 
		β-5γ                              [(3,50-4,0)(62-64,5)] 
		β-βα                              [(4,59-4,77)(86,5-89,5)] 
		β-ββ                              [(2,98-3,20)(5,5-59)] 
		β-βγ                              [(3,75-3,96)(72,5-76)] oraz [(4,10-4,31)(72,5-76)] 
		HKγ                               [(4,20-4,30)(6-68)] 
		Uwaga: Protony β wiązań β-O-4 i β'-O-4 nakładają się na siebie. Motywy strukturalne tych wiązań przedstawiono na Rysunku 1.</li>
		<li>Całkowita liczba wiązań na 10 jednostek C9 opiera się na sygnale protonu α tych wiązań. Obliczyć całkowitą liczbę wiązań według następujących wzorów: 
		wiązania β-O-4 = (β-O-4α + β'-O-4α) / suma aromatycznych x 10 
		# wiązań β-5 = β-5α / suma aromatycznych x 10 
		wiązania β-βlinkages = β-βα / suma aromatycznych x 100</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza chromatografii żelowej (GPC)
	<ol>
		<li>Rozpuścić 10 mg wysuszonej ligniny w 1 mL tetrahydrofuranu (THF) (z kroplą toluenu jako standardu wewnętrznego). Przefiltrować mieszaninę przez filtr strzykawkowy 0,45 µm do fiolki autosamplera z wlotem o zredukowanej objętości 0,3 mL. Zamknąć fiolkę autosamplera zakrętką.</li>
		<li>Wstrzyknąć 20 µL próbki do układu THF GPC. Przetworzyć otrzymane dane.</li>
		<li>Skorygować otrzymany sygnał względem sygnału referencyjnego (toluen). Wybrać objętość elucji dla właściwego zakresu (~20-10 Da). Obliczyć rozkład masy za pomocą oprogramowania.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Depolimeryzacja lignin do fenolowych 2-arylmetylo-1,3-dioksolanów (acetali)
<ol>
	<li>Umieść 50 mg wysuszonej ligniny w 20 mL fiolce mikrofalowej z mieszadłem magnetycznym, służącej jako naczynie reakcyjne. Dodaj 0,85 mL 1,4-dioksanu, 50 µL glikolu etylowego w 1,4-dioksanie (0,54 mL/mL) oraz 50 µL oktadekanu (standard wewnętrzny) w 1,4-dioksanie (26 mg/mL).</li>
	<li>Zamknij naczynie reakcyjne i podgrzej roztwór do 140 °C, mieszając przy 3,8 x g.</li>
	<li>Gdy naczynie reakcyjne osiągnie temperaturę 140 °C, dodaj 50 µL Fe(III)OTf3 w 1,4-dioksanie (0,1 g/mL).</li>
	<li>Mieszaj zawartość reaktora przez 15 min.</li>
	<li>Ochłodź reaktor do temperatury pokojowej i pobierz ciecz po depolimeryzacji zgodnie z opisem w kroku 7.1.</li>
</ol>
7. Przeróbka i analiza mieszanin depolimeryzacyjnych
<ol>
	<li>Przefiltruj ciecz przez Celite (przepuszczalność: 2,60-6-50 darcy; wielkość cząstek: 150 mesh Tyler; zatrzymanie na sicie (140 M US): 2,0-25,0%) i zbierz do 2-mililitrowej probówki do wirowania.</li>
	<li>Zagęścić ciecz w ciągu nocy w temperaturze 35 °C w rotacyjnym koncentratorze próżniowym.</li>
	<li>Wyodrębnić końcowy olej/ciało stałe zgodnie z poniższą procedurą:
	<ol>
		<li>Zawiesić i napęcznieć pozostałość w 0,15 ml dichlorometanu (DCM) poprzez intensywne mieszanie (w vorteksie), 15 minut sonikacji oraz 30 minut w automatycznym wytrząsarce kołowej.</li>
		<li>Odwiruj próbki przez maksymalnie 10 s w wirówce stołowej typu minispin, aby upewnić się, że ciecz znajduje się na dnie probówki (prędkość wirowania: 671 x g).</li>
		<li>Dodać 0,75 ml toluenu i wymieszać bardzo dokładnie (za pomocą vortexera oraz 10-minutowej sonikacji).</li>
		<li>Odwirować próbki przez maksymalnie 10 s w wirówce stołowej typu minispin (prędkość wirowania: 671 x g), aby upewnić się, że ciecz znajduje się na dnie probówki.</li>
		<li>Oddziel lekki organiczny płyn od ciała stałego lub gęstej tłustej pozostałości, przefiltruj ten płyn przez wkład z Celite i zbierz go do szklanej fiolki. 
		UWAGA: Procedurę zawieszania/płukania powtarza się trzykrotnie, a podczas ostatniej ekstrakcji należy użyć 0,5 ml toluenu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Skoncentruj połączone fazy organiczne za pomocą rotavapora (40 ˚C, 20 mbar).</li>
	<li>Rozpuścić tłustą pozostałość w 1 ml DCM w celu przeprowadzenia analizy metodą chromatografii gazowej z detektorem jonizacyjnym płomienia (GC-FID).</li>
	<li>Przeprowadź analizę GC-FID przy użyciu chromatografu gazowego wyposażonego w detektor FID, stosując hel jako gaz nośny. Ustawienia standardowe: 1 µL wtryskiwanie, stosunek podziału (split ratio) 50:1, przepływ helu 0,95 ml/min. Wyposażyć aparat GC w kolumnę HP5 (30 m x 0,25 mm x 0.25 µm) i przeprowadzić z profilem temperaturowym, który rozpoczyna się od 5 min 60 °C izoterma. Następnie przeprowadzono 10 °Cpodgrzewanie z szybkością /min przez 20 min do 260 °CUtrzymać tę temperaturę przez 20 min.</li>
	<li>Ręcznie zintegruj piki na widmach. Czasy retencji pików są następujące: oktadekan (21,4 min), acetal H (19,5 min), acetal G (20,8 min), acetal S (23,4 min). Uzyskane wartości wykorzystaj w kroku 7.8 do przeprowadzenia ilościowego oznaczenia.</li>
	<li>Należy przeprowadzić oznaczanie ilościowe acetalu G, w oparciu o krzywą kalibracyjną z wykorzystaniem związku wzorca wyizolowanego przy użyciu standardu wewnętrznego (oktadekanu). 
	UWAGA: Krzywa kalibracyjna: <img alt="Schemat formuły stosunku chemicznego dla oznaczania ilościowego acetalu i oktadekanu, zawierający symbole obliczeniowe." src="/files/ftp_upload/58575/58575eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"> (R2=0,9991) 
	Wydajność acetalu G: <img alt="Stosunek gramów acetalu G do ligniny, formuła dla analizy konwersji, obliczenia chemiczne." src="/files/ftp_upload/58575/58575eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2"> 
	Na podstawie wcześniejszych wyników9,21,23 współczynnik odpowiedzi oszacowano odpowiednio na 2,19 dla acetalu H oraz 1,82 dla acetalu S.</li>
</ol>

<ol><li>Tuck, C. O., Pérez, E., Horváth, I. T., Sheldon, R. A., Poliakoff, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Valorization+of+Biomass%3A+Deriving+More+Value+from+Waste%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Valorization of Biomass: Deriving More Value from Waste.</a> Science. 337, 695-699 (2012).</li>
<li>Ragauskas, A. J., et al. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24833396">Lignin Valorization: Improving Lignin Processing in the Biorefinery.</a> Science. 344, 709-719 (2014).</li>
<li>Sun, Z., Fridrich, B., de Santi, A., Elangovan, S., Barta, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bright+Side+of+Lignin+Depolymerization%3A+Toward+New+Platform+Chemicals%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Reviews%22%5BJournal%5D)">Bright Side of Lignin Depolymerization: Toward New Platform Chemicals.</a> Chemical Reviews. 118 (2), 614-678 (2018).</li>
<li>Schutyser, W., Renders, T., Van den Bosch, S., Koelewijn, S. F., Beckham, G. T., Sels, B. F. <a target="_blank" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs/c7cs00566k#!divAbstract">Chemicals from lignin: an interplay of lignocellulose fractionation, depolymerization, and upgrading.</a> Chemical Society Reviews. 47 (3), 852-908 (2018).</li>
<li>Kärkäs, M. D., Matsuura, B. S., Monos, T. M., Magallanes, G., Stephenson, C. R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transition-metal+catalyzed+valorization+of+lignin%3A+the+key+to+a+sustainable+carbon-neutral+future%5BTitle%5D)+AND+%22Organic+%26+Biomolecular+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Transition-metal catalyzed valorization of lignin: the key to a sustainable carbon-neutral future.</a> Organic & Biomolecular Chemistry. 14 (6), 1853-1914 (2016).</li>
<li>Deuss, P. J., Barta, K. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854515000545">From models to lignin: Transition metal catalysis for selective bond cleavage reactions.</a> Coordination Chemistry Review. 306, 510-532 (2016).</li>
<li>Yokoyama, T. <a target="_blank" href="https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/02773813.2014.881375">Revisiting the Mechanism of β-O-4 Bond Cleavage During Acidolysis of Lignin. Part 6: A Review.</a> Journal of Wood Chemistry and Technology. 35 (1), 27-42 (2014).</li>
<li>Sturgeon, M. R., et al. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/10.1021/sc400384w">A Mechanistic Investigation of Acid-Catalyzed Cleavage of Aryl-Ether Linkages: Implications for Lignin Depolymerization in Acidic Environments.</a> ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2 (3), 472-485 (2014).</li>
<li>Deuss, P. J., Scott, M., Tran, F., Westwood, N. J., de Vries, J. G., Barta, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aromatic+monomers+by+in+situ+conversion+of+reactive+intermediates+in+the+acid-catalyzed+depolymerization+of+lignin%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Aromatic monomers by in situ conversion of reactive intermediates in the acid-catalyzed depolymerization of lignin.</a> Journal of the American Chemical Society. 137 (23), 7456-7467 (2015).</li>
<li>Jastrzebski, R., Constant, S., Lancefield, C. S., Westwood, N. J., Weckhuysen, B. M., Bruijnincx, P. C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tandem+Catalytic+Depolymerization+of+Lignin+by+Water-Tolerant+Lewis+Acids+and+Rhodium+Complexes%5BTitle%5D)+AND+%22ChemSusChem%22%5BJournal%5D)">Tandem Catalytic Depolymerization of Lignin by Water-Tolerant Lewis Acids and Rhodium Complexes.</a> ChemSusChem. 9 (16), 2074-2079 (2016).</li>
<li>Kaiho, A., Kogo, M., Sakai, R., Saito, K., Watanabe, T. <a target="_blank" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/gc/c5gc00130g#!divAbstract">In situ trapping of enol intermediates with alcohol during acid-catalysed de-polymerization of lignin in a nonpolar solvent.</a> Green Chemistry. 17 (5), 2780-2783 (2015).</li>
<li>Huang, X., Zhu, J., Korányi, T. I., Boot, D. B., Hensen, E. J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effective+Release+of+Lignin+Fragments+from+Lignocellulose+by+Lewis+Acid+Metal+Triflates+in+the+Lignin-First+Approach%5BTitle%5D)+AND+%22ChemSusChem%22%5BJournal%5D)">Effective Release of Lignin Fragments from Lignocellulose by Lewis Acid Metal Triflates in the Lignin-First Approach.</a> ChemSusChem. 9 (23), 3262-3267 (2016).</li>
<li>Kaiho, A., Mazzarella, D., Satake, M., Kogo, M., Sakai, R., Watanabe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Construction+of+di%28trimethylolpropane%29+cross+linkage+and+phenylnaphthalene+structure+coupled+with+selective+%CE%B2-O-4+bond+cleavage+for+synthesizing+lignin-based+epoxy+resins+with+controlled+glass+transition+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Green+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Construction of di(trimethylolpropane) cross linkage and phenylnaphthalene structure coupled with selective β-O-4 bond cleavage for synthesizing lignin-based epoxy resins with controlled glass transition temperature.</a> Green Chemistry. 18 (24), 6526-6535 (2016).</li>
<li>Lahive, C. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+model+compounds+for+understanding+acid-catalyzed+lignin+depolymerization%3A+Identification+of+renewable+aromatics+and+a+lignin-derived+solvent%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Advanced model compounds for understanding acid-catalyzed lignin depolymerization: Identification of renewable aromatics and a lignin-derived solvent.</a> Journal of the American Chemical Society. 138 (28), 8900-8911 (2016).</li>
<li>Shuai, L., Saha, B. <a target="_blank" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/gc/c7gc01676j#!divAbstract">Towards high-yield lignin monomer production.</a> Green Chemistry. 19 (16), 3752-3758 (2017).</li>
<li>Rinaldi, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Paving+the+Way+for+Lignin+Valorisation%3A+Recent+Advances+in+Bioengineering%2C+Biorefining+and+Catalysis%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">Paving the Way for Lignin Valorisation: Recent Advances in Bioengineering, Biorefining and Catalysis.</a> Angewandte Chemie International Edition. 55 (29), 8167-8215 (2016).</li>
<li>Schutyser, W., Renders, T., van den Bosch, S., Koelewijn, S. F., Beckham, G. T., Sels, B. F. <a target="_blank" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs/c7cs00566k#!divAbstract">Chemicals from lignin: an interplay of lignocellulose fractionation, depolymerization, and upgrading.</a> Chemical Society Reviews. 47 (3), 852-908 (2018).</li>
<li>Constant, S., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/293824152_New_insights_into_the_structure_and_composition_of_technical_lignins_A_comparative_characterisation_study">New insights into the structure and composition of technical lignins: a comparative characterization study.</a> Green Chemistry. 18 (9), 2651-2665 (2016).</li>
<li>Smit, A., Huijgen, W. <a target="_blank" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/gc/c7gc02379k#!divAbstract">Effective fractionation of lignocellulose in herbaceous biomass and hardwood using a mild acetone organosolv process.</a> Green Chemistry. 19 (22), 5505-5514 (2017).</li>
<li>Lancefield, C. S., Panovic, I., Deuss, P. J., Barta, K., Westwood, N. J. <a target="_blank" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/gc/c6gc02739c#!divAbstract">Pre-treatment of lignocellulosic feedstocks using biorenewable alcohols: towards complete biomass valorization.</a> Green Chemistry. 19 (1), 202-214 (2017).</li>
<li>Deuss, P. J., Lancefield, C. S., Narani, A., de Vries, J. G., Westwood, N. J., Barta, K. <a target="_blank" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/gc/c7gc00195a#!divAbstract">Phenolic acetals from lignins of varying compositions via iron (III) triflate catalysed depolymerization.</a> Green Chemistry. 19 (12), 2774-2782 (2017).</li>
<li>Bauer, S., Sorek, H., Mitchell, V. D., Ibáñez, A. B., Wemmber, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+Miscanthus+giganteus+Lignin+Isolated+by+Ethanol+Organosolv+Process+under+Reflux+Condition%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Agricultural+and+Food+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Characterization of Miscanthus giganteus Lignin Isolated by Ethanol Organosolv Process under Reflux Condition.</a> Journal of Agricultural and Food Chemistry. 60 (33), 8203-8212 (2012).</li>
<li>Deuss, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal+triflates+for+the+production+of+aromatics+from+lignin%5BTitle%5D)+AND+%22ChemSusChem%22%5BJournal%5D)">Metal triflates for the production of aromatics from lignin.</a> ChemSusChem. 9 (2), 2974-2981 (2016).</li>
<li>Nicholson, D. J., Leavit, A. T., Francis, R. C. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/286205558_A_three-stage_klason_method_for_more_accurate_determinations_of_hardwood_lignin_content">A three-stage Klason method for more accurate determinations of hardwood lignin content.</a> Cellulose Chemistry and Technology. 48 (1-2), 53-59 (2014).</li>
<li>Sun, Z., et al. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/s41929-017-0007-z">Complete lignocellulose conversion with integrated catalyst recycling yielding valuable aromatics and fuels.</a> Nature catalysis. 1, 82-92 (2018).</li>
<li>Lancefield, C. S., Ojo, O. S., Tran, F., Westwood, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolation+of+Functionalized+Phenolic+Monomers+through+Selective+Oxidation+and+C-O+Bond+Cleavage+of+the+%CE%B2-O-4+Linkages+in+Lignin%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">Isolation of Functionalized Phenolic Monomers through Selective Oxidation and C-O Bond Cleavage of the β-O-4 Linkages in Lignin.</a> Angewandte Chemie International Edition. 54 (1), 258-262 (2015).</li>
<li>Rahimi, A., Ulbrich, A., Coon, J. J., Stahl, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formic-acid-induced+depolymerization+of+oxidized+lignin+to+aromatics%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Formic-acid-induced depolymerization of oxidized lignin to aromatics.</a> Nature. 515, 249-252 (2014).</li>
<li>Bosque, I., Magallanes, G., Rigoulet, M., Kärkäs, M. D., Stephenson, C. R. J. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscentsci.7b00140">Redox Catalysis Facilitates Lignin Depolymerization.</a> ACS Central Science. 3 (6), 621-628 (2017).</li>
<li>Sette, M., Wechselberger, R., Crestini, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elucidation+of+Lignin+Structure+by+Quantitative+2D+NMR%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry+-+A+European+Journal%22%5BJournal%5D)">Elucidation of Lignin Structure by Quantitative 2D NMR.</a> Chemistry - A European Journal. 17 (34), 9529-9535 (2011).</li>
</ol>

Autorzy nie zgłaszają konfliktu interesów

Wyniki ekstrakcji w różnych warunkach i z różnych źródeł biomasy pokazują, jak optymalne warunki ekstrakcji ligniny o stosunkowo wysokiej zawartości wiązań β-O-4 mogą się różnić w zależności od źródła. Na przykład ekstrakcja orzecha włoskiego w trudniejszych warunkach (metoda B) zapewnia trzykrotny wzrost plonu przy prawie zatrzymaniu ilości jednostek β-O-4, podczas gdy w przypadku buka i cedru plon wzrasta, ale towarzyszy mu znaczny spadek ilości jednostek β-O-4. Z drugiej strony, w przypadku sosny, surowsze warunki ekstrakcji zapewniają bardzo małe korzyści w plonach, a także prowadzą do powstania ligniny o bardzo niskiej ilości jednostek β-O-4. Oznacza to, że zazwyczaj konieczna jest pewna forma optymalizacji, aby uzyskać właściwą równowagę między plonem ligniny a jakością w postaci zatrzymania ilości jednostek β-O-4 w otrzymanym materiale ligniny.
Duży wzrost Mw materiale ligninowym uzyskanym w trudniejszych warunkach ekstrakcji pokazuje, że w tych warunkach można ekstrahować większe fragmenty, zapewniając wyższe plony. Jednak w tych warunkach zachodzi dodatkowa fragmentacja, dostarczająca dodatkowego materiału o niższej masie cząsteczkowej, a tym samym zwiększająca polidyspersyjność, co wyraźnie widać na wykresach GPC orzecha włoskiego (rysunek 5a) i cedru (rysunek 5d) w postaci sygnału o temperaturze ~500 Da.
HSQC NMR jest ważnym narzędziem informacyjnym dostarczającym danych porównawczych na temat jakości różnych lignin. Należy zauważyć, że w tej procedurze przeprowadzany jest standardowy eksperyment HSQC, co świetnie nadaje się do uzyskania danych porównawczych, ale niekoniecznie jest ilościowe ze względu na różnice w czasach relaksacji. Duża liczba wiązań przedstawiona dla niektórych lignin w tabeli 1 jest przeszacowana. Ilościowe eksperymenty HSQC dają lepsze wyniki, ale kosztują znacznie więcej czasu NMR, chociaż istnieją alternatywy29. Z naszego doświadczenia wynika, że liczby w tabeli 1 należy podzielić przez współczynnik 1,3, aby lepiej odzwierciedlić rzeczywistą ilość jednostek β-O-4 na 100 jednostek aromatycznych.
Jak wspomniano wcześniej, przedstawione wyniki wskazują, w jaki sposób znalezienie optymalnych warunków może się różnić w zależności od źródła w celu uzyskania maksymalnej wydajności monomeru. Na przykład, gdy jako materiał wyjściowy stosuje się orzech włoski, ogólny całkowity plon acetali wzrasta około dwukrotnie, jeśli do ekstrakcji ligniny stosuje się surowsze warunki (metoda B). Wynika to jednak głównie z dużej różnicy w wydajności ekstrakcji ligniny, bez wpływu na zawartość β-O-4. W przeciwnym razie, gdy stosuje się sosnę, preferowane są łagodniejsze warunki ekstrakcji (metoda A). W rzeczywistości ekstrakcja ligniny daje bardzo podobną wydajność w obu przypadkach, ale trudniejsze warunki powodują spadek jednostek β-O-4 (zwłaszcza nieeteryfikowanych wiązań β-O-4), co może być przyczyną tak niskiej wydajności monomeru, jak wskazano w poprzednim akapicie. Znaczną utratę nieeteryfikowanych wiązań β-O-4 można również zaobserwować w przypadku buka i cedru, jeśli do ekstrakcji stosuje się warunki (metoda B), które mogą prowadzić do niższego uzysku monomerów. Jednak ogólna wydajność acetalu nie różni się zbytnio w zależności od warunków ekstrakcji. W rzeczywistości obserwuje się około dwukrotny wzrost wydajności ekstrakcji ligniny w przypadku obu źródeł biomasy, które przechodzą z metod A na B, co kompensuje mniej więcej dwukrotny spadek wydajności monomeru.

Aby przemysł chemiczny stał się zrównoważony, odnawialne surowce, takie jak biomasa lignocelulozowa, powinny być używane jako alternatywa dla obecnie dominujących surowców kopalnych1. Aby jednak wykorzystanie takich surowców było ekonomicznie opłacalne, należy poszukiwać zastosowań o wysokiej wartości dla całej ich zawartości. Biomasa lignocelulozowa może zawierać około 30% wag. ligniny, która jest aromatycznym biopolimerem, dla którego obecnie opracowano tylko kilka zastosowań poza jego zastosowaniem jako paliwa o niskiej wartości2. W związku z tym metodologia dotycząca składników aromatycznych o potencjalnie podwyższonej wartości ma duże znaczenie dla zapewnienia sukcesu przyszłych biorafinerii.
Ostatnie badania skupiają się głównie na rozwoju nowatorskich metodologii selektywnego cięcia najliczniejszego wiązania β-O-4 (Rysunek 1a) w ligninie w celu uzyskania specyficznych aromatycznych, zazwyczaj fenolowych, monomerów3,4,5,6. Na przykład zastosowanie kwasów o temperaturze od 80 °C do 180 °C jest bardzo skuteczne w rozszczepianiu wiązania β-O-4 tworzącego fragmenty aldehydu i ketonów7,8. Nasze grupy i inne wykazały niedawno, że kwasoliza w połączeniu z metodologiami stabilizacji i wychwytywania reaktywnych fragmentów jest niezwykle skuteczna w uzyskiwaniu monomerów fenolowych o określonych motywach chemicznych9,10,11,12. Spośród nich, w szczególności wychwytywanie reaktywnych aldehydów przez acetale za pomocą alkoholi w celu otrzymania fenolowych 2-arylometylo-1,3-dioksolanów (acetali) okazało się skuteczne ze względu na stosunkowo proste zastosowanie i zachowanie wysoce funkcjonalizowanego charakteru monomerów ligniny (Rysunek 1b)13,14. Te acetale są otrzymywane w wyniku depolimeryzacji w stosunku odnoszącym się do rozmieszczenia monomerów H, G i S obecnych w macierzystym surowcu ligniny.
Depolimeryzacja katalizowana kwasem, podobnie jak wiele najbardziej eleganckich opracowanych metodologii, jest stosunkowo łagodna i nie rozszczepia silniejszych wiązań C-C, które występują w ligninie15. Jednak wiązania C-C stają się szczególnie obfite, gdy stosowane są surowe warunki frakcjonowania lignocelulozy ze względu na kondensację reaktywnych fragmentów uwalnianych z rozszczepienia słabszych wiązań C-O16,17. Utrata zawartości β-O-4 w wyniku metody przetwarzania biomasy jest wyraźnie wykazana przez analizę szeregu lignin technicznych, które wykazały, że zachowują tylko do 6 wiązań β-O-4 na 100 jednostek aromatycznych18, podczas gdy w lignocelulozie liczby te wahają się od 45 do 90 wiązań na 100 jednostek aromatycznych w zależności od źródła16. Przechodząc do łagodniejszych warunków ekstrakcji, ligniny można uzyskać z rozkładem wiązań, który lepiej odzwierciedla naturalną ligninę. Niemniej jednak wymaga to kompromisu między wydajnością ekstrakcji a jakością uzyskanego materiału ligninowego17. Ma to również pierwszeństwo w ekstrakcji ligniny organosolv, która jest popularną metodą frakcjonowania ligniny. Istnieje wiele odmian tego procesu, przy czym metody te wykorzystują różne temperatury, zawartość kwasów, czasy ekstrakcji i rozpuszczalniki. W tym przypadku stopień ekstrakcji ma bezpośredni wpływ na uzyskaną strukturę ligniny, a tym samym na jej przydatność do dalszej waloryzacji19,20,21. Na przykład lignina organosolv wytwarzana w procesie Alcell na bazie etanolu, działająca przez 5 lat w skali demonstracyjnej, miała stosunkowo niewielką ilość wiązań β-O-4, ponieważ była eksploatowana w stosunkowo wysokiej temperaturze, aby zapewnić wydajną delignifikację w celu uzyskania wysokiej jakości węglowodanów do produkcji bioetanolu. Niemniej jednak preferowane są rozpuszczalniki pochodzenia biologicznego o niewielkim wpływie na środowisko, takie jak etanol, a zatem interesujące są metody ekstrakcji, które skutkują ligninami o wyższej wartości. Rozpuszczalniki alkoholowe są szczególnie interesujące, ponieważ oprócz tego, że są medium ekstrakcyjnym, włączają się również w strukturę ligniny, na przykład β'-O-4 (Rysunek 1a)22, który częściowo "chroni" strukturę przed niepożądanym rozszczepieniem. Odpowiednią metodą byłoby potencjalnie najpierw uzyskanie ligniny o wysokiej zawartości β-O-4, a następnie usunięcie pozostałej części ligniny w celu uzyskania dostępu do celulozy o wysokiej wartości.
W tym manuskrypcie opisujemy prostą i wysoce powtarzalną procedurę ekstrakcji ligniny o wysokiej zawartości β-O-4 za pomocą łagodnej ekstrakcji etanolem. W zależności od źródła biomasy może to prowadzić do stosunkowo wysokiej wydajności ekstrakcji i uzysku. Przedstawiono procedury charakterystyki otrzymanej ligniny, a także sposobu "deprotectingu" eteryfikowanej β'-O-420. Dodatkowo przedstawiono procedurę oceny potencjału tych lignin w procedurach selektywnej depolimeryzacji, które polegają na selektywnym rozszczepianiu wiązań β-O-4. Ocenę tę przeprowadza się przy użyciu depolimeryzacji katalizowanej triflatem żelaza(III) w obecności glikolu etylenowego w celu otrzymania fenolowego 2-arylometylo-1,3-dioksolanowów23, co pokazuje związek między zawartością β-O-4 w materiale ligninowym a monomerem yields21. Wyniki wskazują na równowagę pomiędzy wysoką efektywnością ekstrakcji ligniny a potencjałem otrzymanej ligniny do depolimeryzacji do określonych monomerów aromatycznych.

<table><tbody><tr><td><mocny>Materiały</mocny></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Żelazo (III) triflate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>708801-1G</td><td>czystość: 90%</td></tr> <tr><td>Oktadekan</td><td>Sigma Aldrich</td><td>0652-100G</td><td>czystość: 99%</td></tr> <tr><td>Celite</td><td>Alfa Aesar</td><td>H33152.0B</td><td></td></tr><tr><td>Żel krzemionkowy</td><td>SiliCycle</td><td>R12030B-1KG</td><td>P60 40-63 &mu; </td></tr><tr><td>m Dichlorometan</td><td>Macron Fine Chemicals</td><td>6779-25</td><td></td></tr><tr><td>Łupiny orzecha włoskiego</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Drewno</td><td></td><td></td><td></td>sosnowe</tr><tr><td>Drewno</td><td></td><td></td><td></td>cedrowe</tr><tr><td>Drewno</td><td></td><td></td><td></td>bukowe</tr><tr><td>Etanol</td><td>JT Baker Chemicals</td><td>00832000001</td><td>Etanol absolutny</td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Acros Organics</td><td>149320025</td><td>99,5 + % ekstra czysty</td></tr><tr><td>aceton</td><td>Macron Fine Chemicals</td><td>2440-06</td><td></td></tr><tr><td>Tetrahydrofuran</td><td>Boom BV</td><td>164240025</td><td>stabilizowany BHT</td></tr><tr><td>Toluen</td><td>Macron Fine Chemicals</td><td>8608-02</td><td></td></tr><tr><td>Woda</td><td></td><td></td><td>Demi z wewnętrznego źródła</td></tr><tr><td>zasilania 1,4-Dioksan</td><td>Acros Organics</td><td>408820010</td><td>99+% ekstra czysty</td></tr><tr><td>kwas solny</td><td>Acros Organics</td><td>124620026</td><td>37% roztwór w wodzie</td></tr><tr><td>Kwas siarkowy</td><td>Boom B.V.</td><td>760519081000</td><td>95-97%</td></tr><tr><td>Aceton-d6</td><td>Acros Organics</td><td>325320500</td><td>99,8 atomu% D</td></tr><tr><td>Tlenek deuteru</td><td>Sigma Aldrich</td><td>151882-100G</td><td>99,9 atomu% D</td></tr><tr><td>Filtry</td><td>Munktell</td><td>400303185</td><td>średnica 185 mm, 10 &mu; m wielkość porów</td></tr><tr><td>Mieszadła magnetyczne</td><td>VWR</td><td>442-4525</td><td></td></tr><tr><td>Filtr strzykawkowy</td><td>Sartorius</td><td>17559-Q</td><td>0,45 &mu; m</td></tr><tr><td>filtr Fiolka do automatycznego podajnika próbek (2 ml)</td><td>Brązowa</td><td>151123</td><td></td></tr><tr><td>Wlot o zmniejszonej objętości (0,3 ml)</td><td>Brązowy</td><td>150820</td><td></td></tr><tr><td>Nasadki do automatycznego podajnika próbek (11 mm)</td><td>Brązowy</td><td>151216</td><td></td></tr><tr><td>Zaciskarka</td><td></td><td></td><td></td>do fiolek autosamplera</tr> Strzykawki do <tr><td>kąpieli</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>olejowej (1 ml)</td><td>Henke Sass Wolf</td><td>4010-200V0</td><td></td></tr><tr><td>Blok grzewczy-4 pozycje</td><td>IKA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Micro probówki 2 ml</td><td>Sarstedt</td><td>72691</td><td></td></tr><tr><td>Uszczelki zaciskane-20 mm</td><td>Chromatografia brązowa dostarcza</td><td>151287</td><td>z przegrodami silikonowymi/PTFE</td></tr> <tr><td><mocny>Sprzęt</mocny></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Młyn kulowy</td><td>Fritsch</td><td>06.2000.00</td><td>Laboratoryjny planetarny młyn mono PULVERISETTE 6</td></tr><tr><td>Młyn młotkowy</td><td>Brabender</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Micro Młyn młotkowy</td><td>Brabender</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Piec próżniowy</td><td>Heraeus</td><td></td><td>Heraeus Vacutherm</td></tr><tr><td>Konfiguracja refluksu i inne wyroby szklane</td><td>Dostawcy CBN BV</td><td></td><td>Kondensator zwrotny, kolba okrągłodenna, szkło zlewki i lejki</td></tr><tr><td>Parownik obrotowy</td><td>Autoklaw</td> wysokociśnieniowy IKA <td></td><td></td></tr><tr><td>250 ml</td> Autoklaw <td>wysokociśnieniowy Berghof</td><td></td><td></td></tr><tr><td>1 L</td><td>Medimex</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kąpiel ultradźwiękowa</td><td>Emerson</td><td></td><td>typ Branson 3210</td></tr><tr><td>Przyrząd NMR</td><td>Bruker</td><td></td><td>Ascend 600</td></tr><tr><td>THF-GPC</td><td>Hewlett Packard</td><td></td><td>1100</td></tr><tr><td>series Mieszadło magnetyczne</td><td>SalmenKipp</td><td></td><td>SK861492220263 typ x-1250</td></tr><tr><td>Młynek do kawy</td><td>Profi Cook</td><td>PC-KSW1021</td><td></td></tr><tr><td>Wiertarka</td><td>Solid</td><td></td><td>typ TB 13 S</td></tr><tr><td>GC-FID</td><td>Shimadzu</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BUCHI Reveleris PREP system oczyszczania&nbsp;</td><td>Kolumna Buchi</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BUCHI C18&nbsp;</td><td>Buchi</td><td></td><td>150 mm & czasy; 21,2 mm & czasy; 10 &mu; </td></tr><tr><td>m Fiolki do kuchenek mikrofalowych o pojemności 20 ml</td><td>???</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rotacyjny koncentrator próżniowy Univapo 150 ECH Wirówka</td> stołowa <td>UniEquip</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Eppendorf minispin&nbsp;</td><td>Eppendorf</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SB2 rotator</td><td>Stuart</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vortex</td><td>Wilten</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Processing Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>WinGPC Unichrom</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MestReNova</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

ekstrakcja ligniny o wysokiej zawartości β-o-4 metodą łagodnej ekstrakcji etanolem i jej wpływ na wydajność depolimeryzacji

Extraction of Lignin with High &#946;-O-4 Content by Mild Ethanol Extraction and Its Effect on the Depolymerization Yield

Strategie waloryzacji ligniny są kluczowym czynnikiem dla osiągnięcia bardziej konkurencyjnych ekonomicznie biorafinerii opartych na biomasie lignocelulozowej. Większość pojawiających się eleganckich procedur otrzymywania określonych produktów aromatycznych opiera się na substracie ligniny o wysokiej zawartości łatwo rozszczepialnego wiązania β-O-4, obecnego w natywnej strukturze ligniny. Zapewnia to niedopasowanie do typowych lignin technicznych, które są wysoce zdegradowane i dlatego mają niską zawartość wiązań β-O-4. Dlatego wydajność ekstrakcji i jakość otrzymanej ligniny mają ogromne znaczenie dla dostępu do nowych szlaków waloryzacji ligniny. W niniejszym artykule przedstawiono prosty protokół otrzymywania ligniny o wysokiej zawartości β-O-4 poprzez stosunkowo łagodną ekstrakcję etanolem, którą można zastosować do różnych źródeł lignocelulozy. Ponadto przedstawiono procedury analityczne mające na celu określenie jakości lignin wraz z protokołem depolimeryzacji, w wyniku którego otrzymuje się specyficzne fenolowe 2-arylometylo-1,3-dioksolany, które można wykorzystać do oceny otrzymanych lignin. Przedstawione wyniki wskazują na związek między jakością ligniny a potencjałem depolimeryzacji ligniny do określonych monomerycznych aromatycznych substancji chemicznych. Ogólnie rzecz biorąc, ekstrakcja i depolimeryzacja wykazują kompromis między wydajnością ekstrakcji ligniny a zachowaniem natywnej struktury eteru arylowego, a tym samym potencjałem ligniny do wykorzystania jako substrat do produkcji chemikaliów do zastosowań o wyższej wartości.

Tutaj prezentujemy protokół do przeprowadzenia ekstrakcji etanolem ligniny z kilku źródeł biomasy. Przedstawiono wpływ warunków ekstrakcji na uzysk ligniny i zawartość β-O-4. Na otrzymanych ligninach przeprowadza się selektywną depolimeryzację w celu uzyskania produktów o wysokiej zawartości monomerów aromatycznych.

Ekstrakcja ligniny o wysokiej zawartości β-O-4 metodą łagodnej ekstrakcji etanolem i jej wpływ na wydajność depolimeryzacji

Lignin valorization strategies are a key factor for achieving more economically competitive biorefineries based on lignocellulosic biomass. Most of the ...

Metoda ta odpowiada na kilka kluczowych pytań w dziedzinie wykorzystania zasobów odnawialnych dotyczących ligniny, kluczowego składnika biomasy lignocelulozowej. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala na uzyskanie ligniny o dobrej jakości strukturalnej z różnych źródeł biomasy. Ta odnotowana metodologia jest ukierunkowana w szczególności na powiązanie beta 04.Jednocześnie zapobiega procesom rekondensacji. Jest to bardzo ważne, ponieważ zapobiega tworzeniu się zwęglenia. Za pomocą tej metody można ustalić zależności między procedurą ekstrakcji ligniny a wydajnością depolimeryzacji.Ogólnie rzecz biorąc, każdy z nas, kto jest nowy w tych metodach, zmaga się z procedurami treningowymi, a także z analizą czterech lignin i mieszaniny produktów depolimeryzacji. Aby wyprodukować pocięte łupiny orzecha włoskiego, wyposaż nóż młotkowy w pięciomilimetrowy siv na wylocie i włóż łupiny orzecha włoskiego do noża młotkowego, zbierając połamane łupiny w litrowej szklanej zlewce. Aby wytworzyć małe fragmenty łupin orzecha włoskiego potrzebne do mielenia, należy wprowadzić połamane łupiny do mikro frezu młotkowego wyposażonego w 2-milimetrowy nóż na wylocie, zbierając zmielone łupiny w nowej szklanej zlewce o pojemności jednego litra.Aby usunąć ekstrakty ze zmielonych łupin orzecha włoskiego, dodaj 150 gramów próbki łupiny do 500-milimetrowej kolby okrągłodennej zawierającej mieszadło i dodaj 200 mililitrów toluenu do kolby. Podłączyć kondensator refleksyjny do kolby i podgrzać mieszaninę do temperatury refluksu 111 stopni Celsjusza w łaźni olejowej, energicznie mieszając. Po dwóch godzinach wyjąć kolbę z kąpieli, aby mieszanina ostygła do temperatury pokojowej, a następnie przecedzić mieszaninę przez filtr o średnicy 185 milimetrów i porach dziesięciu mikrometrów w celu usunięcia toluenu.Po całonocnym podgrzaniu w piecu próżniowym w temperaturze 80 stopni Celsjusza i ciśnieniu 50 milibarów, dodaj 40 gramów cząstek łupin orzecha włoskiego poddanych działaniu toluenu do 250-mililitrowej miski mielącej dwutlenek cyrkonu zawierającej siedem kul szlifierskich z dwutlenku cyrkonu o średnicy 20 milimetrów. Do miski mielącej dodaje się 60 milimetrów izopropanolu. Umieść miskę mielącą w młynku z misą obrotową.Zmielić cząstki skorupy w czterech cyklach po dwie minuty, mieląc 27 razy g, a następnie cztery minuty odpoczynku na cykl. Po czwartym cyklu mielenia przenieś drobno zmielone łupiny orzecha włoskiego do kolby okrągłodennej o pojemności 500 mililitrów i usuń izopropanol przez obrotowe odparowanie w temperaturze 40 stopni Celsjusza i ciśnieniu 125 milibarów. Następnie wysusz łupiny orzechów włoskich w piekarniku próżniowym przez noc w temperaturze 50 stopni Celsjusza i ciśnieniu 50 milibarów.Aby otrzymać ligninę etanomolu o najwyższej zawartości beta 04, dodaj 25 gramów surowca do nowej 500-mililitrowej kolby okrągłodennej i dodaj 200 mililitrów 80 do 20 etanolu do roztworu wodnego, cztery mililitry 37% roztworu chlorowodorku i mieszadło magnetyczne do kolby. Podłączyć chłodnicę zwrotną do kolby i podgrzewać mieszaninę w łaźni olejowej w temperaturze 80 stopni Celsjusza przez pięć godzin, energicznie mieszając. Po schłodzeniu mieszaniny do temperatury pokojowej, przefiltrować roztwór przez sitko o średnicy 185 milimetrów i porach o średnicy dziesięciu mikrometrów do nowej kolby okrągłodennej o pojemności 500 mililitrów, przemłukując pozostałość czterokrotnie 25 mililitrami etanolu na pranie.Zebrany płyn należy zagęścić przez obrotowe odparowanie w temperaturze 40 stopni Celsjusza i ciśnieniu 150 milibarów, a następnie rozpuszczenie otrzymanego ciała stałego w 30 mililitrach acetonu. Aby wytrącić ligninę, dodaj mieszaninę do 600 mililitrów wody i zbierz wytrąconą ligninę w sitku o średnicy 185 milimetrów i porach wielkości dziesięciu mikrometrów, przemywając ligninę cztery razy 25 mililitrami wody na pranie. Ligninę suszyć na powietrzu przez noc w temperaturze pokojowej w filtrze, a następnie suszyć przez noc w piecu próżniowym w temperaturze 50 stopni Celsjusza i ciśnieniu 50 milibarów w szklanej fiolce.Następnie określ wydajność wyekstrahowanej ligniny na wadze. W celu analizy struktury ligniny za pomocą dwuwymiarowego magnetycznego rezonansu jądrowego lub analizy NMR należy rozpuścić 60 miligramów wysuszonej ligniny w 0,7 mililitra deuterowanego acetonu i dodać tę mieszaninę do probówki NMR. Dodaj tę rurkę NMR do spektrofotometru NMR i ustaw żądane parametry, aby uzyskać odpowiednie widmo koherencji heterojądrowej protonów 2D.W celu depolimeryzacji ligniny dodaj 50 miligramów suszonej ligniny do 20-mililitrowej fiolki reakcyjnej do kuchenki mikrofalowej wyposażonej w mieszadło magnetyczne i dodaj 0,85 mililitra 1,4 dioksanu, 50 mikrolitrów glikolu etylenowego w 1,4 dioksanie i 50 mikrolitrów oktadekanu w 1,4 dioksanu do fiolki. Po zamknięciu naczynia podgrzej roztwór do 140 stopni Celsjusza mieszając. Gdy naczynie reakcyjne osiągnie temperaturę docelową, dodaj 50 mikrolitrów siarczanu żelaza i trzech trifluorometanosiarczanu w 1, 4 dioksanach do naczynia i mieszaj reakcję przez dodatkowe 15 minut.Po schłodzeniu reakcji do temperatury pokojowej przefiltrować ciecz przez kelit do dwumililitrowej probówki wirówkowej. Następnie zagęszczaj zebraną ciecz przez noc w temperaturze 35 stopni Celsjusza w rotacyjnym koncentratorze próżniowym. Aby wyekstrahować produkty o niskiej masie cząsteczkowej, zawiesić i spęcznić pozostałość w 0,15 mililitra dichlorometanu przez wirowanie, 15 minut sonikacji i 30 minut w automatycznym kole.Aby przeprowadzić wydajną ekstrakcję monomerów, kluczowe jest najpierw odpowiednie spęcznienie otrzymanego oleju w chlorometanie. Następnie ważne jest, aby dodać odpowiednią ilość toluenu, aby selektywnie wytrącić oligomery znajdujące się pod spodem. Wytrącić oligomery za pomocą 0,75 mililitra toluenu, a następnie wirować i dziesięć minut sonikacji.Odwirować próbki przez dziesięć sekund przy prędkości 5000 obr./min i oddzielić lekką ciecz organiczną od stałej, gęstej, oleistej pozostałości i przefiltrować ciecz przez korek z kalitu do szklanej fiolki. Następnie zagęścić połączone fazy organiczne przez odparowanie obrotowe w temperaturze 40 stopni Celsjusza i ciśnieniu 20 milibarów. I rozpuść oleistą pozostałość w jednym mililitrze dichlorometanu do analizy metodą chromatografii gazowej.Ligniny otrzymane po każdej ekstrakcji wykazują szeroki zakres kolorów i wielkości cząstek, przy czym polimery uzyskane w wyniku łagodnych zabiegów wykazują typowo czerwono-różowy kolor i małe płatki materiału. W przypadku stosowania ostrzejszych warunków uzyskane ligniny wykazują barwę od brązowej do brązowo-żółtej, przy ogólnym wzroście plonu materiału, przy czym efekt ten był znacznie głębszy w przypadku drewna orzechowego, bukowego i cedrowego w porównaniu z drewnem sosnowym. Analiza NMR różnych lignin określa stosunek SGH i ilość wiązań wyekstrahowanych polimerów, w szczególności ilość wiązań beta 04.Na przykład ligniny ekstrahowane w łagodniejszych warunkach zazwyczaj dają większe ilości wiązań. Reakcje acetolizy z siarczanem trifluorometanosiarczanu żelaza w obecności glikolu etylenowego dają trzy różne acetale fenolowe, które odnoszą się do jednostek S, G i H obecnych w ligninach, przy czym wyższą łączną wydajność acetalu fenolowego obserwuje się dla lignin ekstrahowanych w łagodnych warunkach. Wyraźna tendencja jest widoczna, gdy weźmie się pod uwagę całkowitą zawartość beta 04, przy czym wyższa zawartość beta 04 zazwyczaj skutkuje wyższą wydajnością acetalu.Po połączeniu wydajności ekstrakcji ligniny i późniejszej wydajności depolimeryzacji uzyskuje się ogólny uzysk acetalu ze źródła biomasy, który wykazuje wyraźne różnice między różnymi źródłami biomasy. Podczas wykonywania ekstrakcji ligniny ważne jest, aby zrównoważyć wydajność ekstrakcji z jakością strukturalną otrzymanej ligniny. Jeśli więc zastosujesz się do opisanej metody depolimeryzacji, możesz faktycznie uzyskać aromaty o wartości dodanej o wysokiej selektywności.Techniki te pomogą innym badaczom uzyskać dostęp do produktów o wartości dodanej z frakcji ligniny zawartej w biomasie celulozowej ligniny z dobrymi plonami.

extraction-lignin-with-high-o-4-content-mild-ethanol-extraction-its

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Biomasa roślinna jest głównym neutralnym węglowo zasobem odnawialnym, który może być wykorzystany do produkcji biopaliw. Biomasa roślinna składa się głównie ze ścian komórkowych, które są strukturalnie złożonym materiałem kompozytowym zwanym lignocelulozą. W niniejszej pracy opisujemy protokół kompleksowej analizy zawartości i składu ligniny polifenolowej.

Kompleksowa analiza składu ścian komórkowych roślin (biomasa lignocelulozowa) Część I: Lignina

Technika dwuniciowej interferencji RNA (dsRNAi) jest stosowana do obniżania poziomu genu reduktazy cynamoylokoenzymu A (ZmCCR1) w kukurydzy w celu obniżenia zawartości ligniny roślinnej. Regulacja w dół ligniny ze ściany komórkowej jest wizualizowana za pomocą analiz mikroskopowych i określana ilościowo metodą Klasona. Analizowane są zmiany składu hemicelulozy i celulozy krystalicznej.

Regulacja ligniny w dół Zea mays za pomocą dsRNAi i analizy ligniny Klason

Struktura ściany komórkowej roślin i cechy chemiczne są oceniane w celu zidentyfikowania idealnych surowców do produkcji biopaliw i biomateriałów. Standardowe metody mają ograniczenia, gdy są stosowane do dużych zestawów danych. Te wysokoprzepustowe metody obróbki wstępnej, scukrzania enzymatycznego i pirolizy ze spektrometrią mas wiązki molekularnej porównują dużą liczbę próbek biomasy przy skróconym czasie i kosztach eksperymentu.

Wysokoprzepustowe badania przesiewowe zmian oporności biomasy lignocelulozowej: lignina całkowita, monomery ligniny i enzymatyczne uwalnianie cukru

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.

Wstępna obróbka biomasy lignocelulozowej za pomocą tanich cieczy jonowych

Przedstawiamy protokół syntezy cukrów C5 (ksylozy i arabinozy) z odnawialnej niejadalnej biomasy lignocelulozowej (tj. juty) z obecnością kwaśnych cieczy jonowych Brønsted (BAILs) jako katalizatora w wodzie. Katalizator BAILs wykazywał lepsze parametry katalityczne niż konwencjonalne katalizatory z kwasów mineralnych (H2,SO4 i HCl).

Nowatorska metoda analizy pentozanu obecnego w biomasie juty i jej konwersji na monomery cukrowe przy użyciu kwaśnej cieczy jonowej

OrganoCat to metoda wstępnej obróbki i frakcjonowania lignocelulozy w łagodnych warunkach na ligninę, cukry fermentacyjne i miazgę celulozową. W biogennym, dwufazowym układzie rozpuszczalnikowym składającym się z wody i 2-metylotetrahydrofuranu z kwasem 2,5-furankarboksylowym jako katalizatorem, produkty OrganoCat są rozdzielane in situ w celu łatwego odzyskania produktu.

Frakcjonowanie biomasy lignocelulozowej w procesie OrganoCat

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

Ultraszybka ekstrakcja ligniny z nietypowych śródziemnomorskich pozostałości lignocelulozowych

Tutaj prezentujemy zmodyfikowaną metodę TGA do szacowania zawartości ligniny w biomasie roślin zielnych. Metoda ta szacuje zawartość ligniny poprzez tworzenie specyficznych wiązań tioeterowych z ligniną i ma przewagę nad metodą Klasona, ponieważ wymaga stosunkowo małej próbki do oszacowania zawartości ligniny.

Oznaczanie zawartości ligniny w biomasie roślinnej przy użyciu kwasu tioglikolowego (TGA)

31P NMR to potężne narzędzie do strukturalnego wyjaśniania polifenoli. Ta szybka, łatwa, precyzyjna, ilościowa i wysoce odtwarzalna procedura analityczna, która pozwala na kwantyfikację i różnicowanie różnych typów grup hydroksylowych, fenolowych i karboksylowych w ligninach i garbnikach, stała się obecnie rutynowym narzędziem analitycznym.

Ilościowa analiza 31P NMR ligniny i garbników

Przedstawiono tu procedurę izolacji EOB-DTPA i późniejszej kompleksacji z naturalnym Ga(III) i 68Ga, a także dokładną analizę wszystkich związków i badania nad skutecznością znakowania, stabilnością in vitro i współczynnikiem dystrybucji n-oktanol/woda w radioznakowanym kompleksie.

Badania kompleksu Ga(III) EOB-DTPA i jego analogu znakowanego radioizotopowo o masie 68Ga

Poznaj metodę łagodnej ekstrakcji ligniny etanolem z biomasy, która zachowuje wysoką zawartość wiązań β-O-4 i zapobiega rekondensacji. Technika ta umożliwia efektywną depolimeryzację do monomerów aromatycznych.

Ekstrakcja ligniny o wysokiej zawartości β-O-4 metodą łagodnej ekstrakcji etanolem i jej wpływ na wydajność depolimeryzacji

Przeglądaj więcej filmów