Ekstrakcja ligniny o wysokiej zawartości β-O-4 metodą łagodnej ekstrakcji etanolem i jej wpływ na wydajność depolimeryzacji
7 stycznia 2019
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.
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.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia metodę ekstrakcji ligniny z różnych źródeł biomasy przy użyciu etanolu, koncentrując się na wydajności oraz jakości strukturalnej ekstrahowanej ligniny. Protokół kładzie nacisk na selektywną depolimeryzację ligniny w celu uzyskania produktów o wysokiej zawartości monomerów aromatycznych, zapobiegając jednocześnie rekondensacji.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Wykorzystanie biomasy
- Ekstrakcja ligniny
- Zasoby odnawialne
Wstęp
- Lignina jest głównym składnikiem biomasy lignocelulozowej.
- Wydajne metody ekstrakcji mają kluczowe znaczenie dla zastosowań w ramach zasobów odnawialnych.
- Wiązania Beta-O-4 są celem działań w celu poprawy jakości ligniny.
- Zapobieganie rekondensacji jest niezbędne, aby uniknąć powstawania karbonizatu.
Cel badania
- Opracowanie wiarygodnego protokołu ekstrakcji ligniny z biomasy.
- Analiza zależności między warunkami ekstrakcji a jakością ligniny.
- Ułatwienie produkcji wysokowartościowych monomerów aromatycznych.
Zastosowane metody
- Przygotowanie próbek biomasy poprzez mielenie i ekstrakcję.
- Roztwór etanolowo-wodny stosowany do ekstrakcji ligniny.
- Charakterystyka struktury ligniny przy użyciu analizy NMR.
- Depolimeryzacja ligniny w celu otrzymania produktów monomerowych.
Główne wyniki
- Skuteczna ekstrakcja ligniny o wysokiej zawartości wiązań beta-O-4.
- Ustalenie optymalnych warunków ekstrakcji dla uzyskania najwyższej wydajności ligniny.
- Produkcja monomerów aromatycznych poprzez selektywną depolimeryzację.
- Analiza zależności między efektywnością ekstrakcji a efektywnością depolimeryzacji.
Wnioski
- Metoda ta zapewnia niezawodne podejście do ekstrakcji ligniny.
- Zwiększa ona potencjał wykorzystania ligniny w zastosowaniach odnawialnych.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tych wynikach w celu optymalizacji przetwarzania ligniny.
Najczęściej zadawane pytania
Zastosowanie w przemyśle
Ta metoda rozwiązuje krytyczny problem w procesie waloryzacji ligniny, umożliwiając jej ekstrakcję z zachowaniem wiązań β-O-4, które są niezbędne dla wysokowydajnej depolimeryzacji do aromatycznych monomerów o wysokiej wartości dodanej. Poprzez powiązanie warunków ekstrakcji z integralnością strukturalną i późniejszą wydajnością chemiczną, metoda ta wspiera podejmowanie świadomych decyzji w początkowej fazie rozwoju procesów biorafineryjnych. Podejście to zwiększa pewność prognostyczną w wyborze surowców biomasowych i parametrów ekstrakcji dla linii produkcyjnych odnawialnych chemikaliów.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia ocenę jakości strukturalnej ligniny jako wskaźnika potencjału depolimeryzacji w celu syntezy związków aromatycznych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalny protokół ekstrakcji w celu uzyskania spójnych substratów ligniny do badań mechanistycznych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Umożliwia przygotowanie próbek ligniny o mierzalnej zawartości wiązań β-O-4 do standaryzowanych testów depolimeryzacji.
- Wartość operacyjna: Ustanawia schemat postępowania łączący wydajność ekstrakcji z ilością otrzymanych monomerów, co pozwala na porównawowy screening źródeł biomasy.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera ocenę ligniny jako odnawialnego surowca do zrównoważonej produkcji związków fenolowych istotnych dla zastosowań w obszarze zielonej chemii.
- Wartość operacyjna: Demonstruje, w jaki sposób łagodne warunki ekstrakcji pozwalają zrównoważyć wydajność i jakość w celu optymalizacji efektywności późniejszej konwersji chemicznej.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w wczesną fazę odkrywania sposobów waloryzacji ligniny, w której dobór surowca i optymalizacja obróbki wstępnej poprzedzają depolimeryzację katalityczną oraz oczyszczanie monomerów.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących wpływu intensywności ekstrakcji na zachowanie natywnych wiązań ligniny oraz jej reaktywność chemiczną.
- Screening: Dostarcza zestandaryzowane ekstrakty ligniny do oceny wydajności depolimeryzacji dla różnych źródeł lignocelulozowych.
- Analityka: Wykorzystuje ilościowe oznaczanie monomerów metodami NMR i GC w celu uzyskania informacji strukturalnych i funkcjonalnych niezbędnych do oceny procesu.
- Badania translacyjne: Łączą jakość ekstrakcji z produkcją określonych monomerów aromatycznych, które mogą służyć jako bloki budulcowe dla materiałów pochodzenia biologicznego.
- Zastosowania przemysłowe: Oferują skalowalny protokół ekstrakcji, który można dostosować do wielu rodzajów biomasy, zapewniając spójny wsad do procesów waloryzacji.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność w powiązaniu struktury ligniny z wydajnością chemiczną, redukując ryzyko niepowodzenia w późniejszych etapach konwersji.
- Wartość operacyjna: Dostarcza solidną, powtarzalną metodę izolacji ligniny, która minimalizuje rekondensację i powstawanie karbonizatów.
- Wartość strategiczna: Umożliwia oparty na danych wybór surowca i procesu w celu poprawy efektywności kapitałowej w operacjach biorafineryjnych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera skorygowany o ryzyko rozwój ścieżek konwersji ligniny do chemikaliów poprzez wyjaśnienie kompromisu między jakością ekstrakcji a wydajnością.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga doświadczenia w zakresie wstępnej obróbki biomasy, ekstrakcji rozpuszczalnikowej oraz technik analitycznych, takich jak 2D NMR i GC.
- Zależy od standardowego wyposażenia laboratoryjnego, w tym rotacyjnych odparowaczy, suszarek próżniowych, reaktorów mikrofalowych i systemów wirowania.
- Wymaga współpracy międzyzespołowej w obszarze przetwarzania biomasy, chemii analitycznej i katalizy w celu uzyskania powtarzalnych wyników.
- Uwzględnia kwestie adaptacji przy rozszerzaniu protokołu na różnorodne surowce lignocelulozowe o zróżnicowanym składzie ligniny.
- Ograniczenia praktyczne obejmują kompromis między wydajnością ekstrakcji a zachowaniem wiązań β-O-4, gdzie bardziej rygorystyczne warunki zwiększają wydajność, ale zmniejszają efektywność depolimeryzacji.
