Introduction
la demanda de energía de la humanidad satisfacer de manera sostenible es uno de los mayores retos a los que se enfrenta nuestra civilización. El uso de energía se prevé que se duplique en los próximos 50 años, poniendo mayor presión sobre los recursos de combustibles fósiles. 1 La acumulación de gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera a través de toda la extensión uso de combustibles fósiles es particularmente problemático, ya que el CO 2 generado a partir de la combustión de combustibles fósiles es responsable del 50% del efecto invernadero antropogénico. 2 por lo tanto, la aplicación a gran escala de las tecnologías renovables y neutrales de carbono es esencial para satisfacer las crecientes necesidades de energía y materiales de las generaciones futuras. 1, 3
La biomasa vegetal es el recurso renovable más versátil, ya que puede ser utilizado para producir calor, electricidad, así como productos químicos, materiales y combustibles a base de carbono. principales ventajas de la biomasa lignocelulósica con respecto a otros tipos de biomasa son su abundancia, el potencial de altos rendimientos peárea de r de la tierra y, a menudo mucho más alto ahorro de emisiones de CO 2, que incluye una alta retención de carbono en el suelo. 4, 5 beneficios adicionales del uso de biomasa incluyen la disponibilidad local, bajos requerimientos de capital para convertir biomasa en energía, y la prevención de la erosión del suelo. 8
La principal producción de materias primas lignocelulósicas son la industria forestal y el sector agrícola, así como la gestión de los residuos municipales. 6, la producción de lignocelulosa tiene el potencial de ser ampliado, con una mente para limitar la deforestación y evitar la sustitución de los cultivos de alimentos y liberación de contaminantes potenciales. 7 para la biomasa renovable para convertirse en una fuente extendida viable de transporte de combustibles líquidos y productos químicos, que su tratamiento debe ser económicamente competitiva con las tecnologías de conversión de combustibles fósiles. 9, 10 una clave para lograr esto es para aumentar el rendimiento y la calidad de los productos intermedios derivados de la biomasa, mientras que la reducción costo. </ P>
Lignocelulosa contiene una alta proporción de azúcares que se pueden convertir en combustibles y productos químicos a través de conversiones catalíticas y microbianas. 11 Estos azúcares están presentes en lignocelulosa en forma polimérica como la celulosa y la hemicelulosa. Pueden ser hidrolizados en monómeros de glucosa y otra de azúcar y luego utilizados para la producción de bioetanol y otros productos químicos bio-derivado y disolventes. 12
Con el fin de acceder a los azúcares celulósicos, el pretratamiento de la biomasa es necesario a través de procesos combinados física, química o. 4 El tratamiento previo es posiblemente el paso más costoso en la valorización de la biomasa lignocelulósica. Por lo tanto la investigación en la mejora de los procesos de pretratamiento es imprescindible.
Varias tecnologías de pretratamiento están disponibles. De particular interés son los que separan la lignina de la celulosa (pretratamiento fractionative). La lignina, el tercer componente importante enlignocelulosa, limita el acceso de los agentes a la celulosa y la hemicelulosa hidrolizar y reduce el rendimiento de azúcar por tonelada de materia prima. 11 La lignina separada puede ser utilizado como una biorrefinería adicional intermedio si se encuentra aislado en calidad adecuada. 13 Un proceso fractionative es el proceso Kraft que es el pretratamiento más común para la producción de papel / celulosa. En reducción a pasta Kraft, virutas de madera se colocan en una mezcla de hidróxido de sodio y sulfuro de sodio y se calienta a temperaturas elevadas de alrededor de 170 ° C bajo alta presión. 14 Las reacciones alcalinas eliminar hemicelulosa y lignina rompiendo los polímeros a fragmentos cortos a través de nucleófilo y catálisis básica, y mediante la disolución de los fragmentos de lignina a través de-la protonación de los grupos hidroxilo / alcohol fenólicos. Otro proceso de deslignificación común es el proceso Organosolv que también fragmentos y se disuelve la lignina y la hemicelulosa. En lugar de utilizar un aqueo alcalinasolución nosotros, disolventes orgánicos tales como etanol y ácido acético se utiliza a altas temperaturas que oscilan entre 160 a 200 ° C y presiones de 5 a 30 bar. Organosolv pretratamiento tiene algunas ventajas sobre el proceso kraft ya que produce menos contaminación del aire y el agua. 15 Ambos procesos tienen algunos retos económicos, si se utiliza para la producción de productos químicos y combustibles en lugar de celulosa. 16 El pretratamiento Ionosolv utiliza líquidos iónicos, que son sales que tienen puntos de fusión por debajo de 100 ° C y, como resultado de sus poderosas interacciones de Coulomb, las presiones de vapor muy bajas. 17 Esto elimina la contaminación del aire en el proceso de pretratamiento, y permite el procesamiento en o cerca de la presión atmosférica.
Aunque la mayoría de líquidos iónicos se crean en, síntesis de múltiples pasos laboriosos, ILs próticos se pueden sintetizar en un procedimiento en una etapa a partir de productos químicos básicos, que los hace menos costoso; se estima que algunos líquidos iónicos podrían producirse a escala mayor para unaprecio de $ 1,24 por kg, que es comparable a los disolventes orgánicos comunes tales como acetona y. tolueno 18 La capacidad de reciclar y reutilizar estos ILs personalizables en un proceso que opera a temperaturas y presiones relativamente bajas hace que este una alternativa más benigna y un candidato atractivo económicamente de biorrefinería.
Este protocolo de vídeo detallada demuestra una versión a escala de laboratorio del proceso Ionosolv para la deslignificación de biomasa lignocelulósica y la sacarificación enzimática eventual de la pasta de celulosa rica, así como la recuperación de una lignina libre de olores de alta pureza. 19
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Protocol
Nota: Los líquidos iónicos próticos utilizados en el proceso son sintetizados en nuestro laboratorio, aunque algunos pueden ser o convertirse en disponible en el mercado. Los líquidos iónicos resultantes son ácidas y, probablemente, los irritantes de la piel / ojos (dependiendo de la amina utilizada) y corrosiva, y por lo tanto deben ser manipulados con cuidado el uso del PPE apropiado (bata de laboratorio, características de seguridad, guantes resistentes).
1. Preparación
- La preparación y el almacenamiento de la biomasa lignocelulósica
- Obtener la biomasa lignocelulósica antes del experimento en cantidades suficientes, por ejemplo 100 g hasta 5 kg.
Nota: Cada experimento requiere al menos 3 g de biomasa (1 g cada uno por triplicado). - Reducir el contenido de humedad poco después de la cosecha y almacenar la biomasa en forma seca al aire en el laboratorio. El aire seco de la biomasa mediante la difusión de la biomasa en una mesa o banco y lo deja durante 2 semanas o hasta que su aspecto seco. Mover y girar la biomasa durante tsu tiempo para acelerar el proceso. Realizar los experimentos de fraccionamiento dentro de un año de la cosecha.
Nota: Directamente después de la cosecha, la biomasa de madera puede contener hasta 50% en peso de humedad, mientras que la biomasa se secó al aire, que es más estable, contiene 5-12% en peso de humedad. - Moler y tamizar la biomasa a una selecta gama de tamaño de partícula. Almacenar la biomasa seca en bolsas de plástico u otros recipientes adecuados hasta su uso.
Nota: Para las pequeñas muestras que se manejan en este protocolo, se recomienda un tamaño de partícula reducido, por ejemplo 180 a 850 micras.
- Obtener la biomasa lignocelulósica antes del experimento en cantidades suficientes, por ejemplo 100 g hasta 5 kg.
- Determinar el contenido de humedad de la biomasa (de acuerdo con el protocolo de NREL) 20
- Para determinar el contenido de humedad de la biomasa, preweigh un trozo de papel de aluminio (tamaño de aproximadamente 5 cm x 5 cm) en una balanza analítica y registrar el peso de la hoja (m papel de aluminio). Pesar aproximadamente 100 mg de biomasa seca al aire en el papel de aluminio y registrar la exacta aire dried peso (m ADW).
- Doblar el papel de aluminio para hacer un paquete y colocar en un horno de ventilador, a 105 ° C durante la noche (por lo menos durante 4 horas).
- Tome el paquete y lo coloca inmediatamente en un desecador durante 5 minutos, a continuación, pesar el paquete inmediatamente y registrar el peso exacto de peso secado al horno, más la hoja (m + ODW papel de aluminio). Calcular el contenido de humedad (en%) de la BM mc biomasa según la ecuación 1:
Eq. 1
Donde m ODW + papel de aluminio es el peso del paquete de secado en horno (biomasa seca en estufa, además de papel de aluminio), m lámina es el peso de la lámina y m ADW es el peso secado al aire de la biomasa. Todos los pesos deben ser en go en mg.
- Síntesis del líquido iónico
- En una campana de humos o recinto ventilado, pesar 1 molde la amina (trietilamina) en un matraz de fondo redondo de 1 L con una barra de agitación magnética. Colocar el matraz en un baño de hielo en una placa de agitación magnética. Añadir un embudo de adición de 250 ml inmediatamente para minimizar la evaporación de la amina.
Nota: Asegurar el ácido correcta: relación de base es de gran importancia para el logro de reproducibilidad de los experimentos previos al tratamiento. - Medir 1 mol de ácido sulfúrico usando una solución de concentración conocida (en este ejemplo 5 mol / L) y un matraz aforado (200 ml). Transferir el ácido sulfúrico en el embudo de adición y enjuagar cualquier ácido adherido a las paredes del matraz volumétrico en el embudo de adición con agua desionizada.
- Añadir gota a gota el ácido sulfúrico a la amina mientras se agitaba vigorosamente. Asegúrese de que la solución no se calienta, ya que esto llevaría a la ebullición de la amina y una relación inexacta del ácido a la base. Enjuague el interior del embudo de adición con agua desionizada para asegurar que el ácido se transfiere cuantitativamente.
Nota: Lotes más grandes de la solución de líquido iónico se pueden hacer mediante el aumento de la cantidad de ácido de amina y sulfúrico, así como el volumen de matraz en consecuencia. - Se evapora la mayor parte del agua utilizando un evaporador rotatorio. El contenido de agua debe ser menor que el contenido de agua necesario para el tratamiento previo.
Nota: No es necesario secar completamente el líquido iónico. Puede ser beneficioso dejar un poco de agua en el líquido iónico, ya que algunos líquidos iónicos se secó, incluyendo sulfato de hidrógeno de trietilamonio, son sólidos a temperatura ambiente. Un secador por congelación también se puede utilizar para reducir el contenido de agua.
- En una campana de humos o recinto ventilado, pesar 1 molde la amina (trietilamina) en un matraz de fondo redondo de 1 L con una barra de agitación magnética. Colocar el matraz en un baño de hielo en una placa de agitación magnética. Añadir un embudo de adición de 250 ml inmediatamente para minimizar la evaporación de la amina.
- Confirmando y ajustando el contenido de agua de la solución de IL
Nota: El contenido de agua es una variable experimental importante. Hay tres fuentes que el agua en la mezcla de pretratamiento puede venir de. Todos ellos deben ser tomadas en cuenta: (1) el agua contenida en la solución de líquido iónico sintetizado o comprado (2) el agua contenida en tque la biomasa se secó al aire y (3) cualquier agua añadida con una pipeta para alcanzar el contenido de agua deseado final.- Determinar el contenido de agua de la solución de líquido iónico sintetizado o adquirido por valoración de Karl Fischer volumétrica de acuerdo con las instrucciones emitidas por el fabricante valorador. Añadir unas gotas de la IL en el valorador utilizando una jeringa previamente pesado. Introduzca el peso del líquido añadido en el valorador y esperar hasta que el valorador muestra una lectura. Grabar el contenido de agua.
- Decidir sobre un contenido de agua para el pretratamiento de la biomasa. En este experimento, utilizar 20% en peso. Reducir el contenido de agua 5% en peso por debajo del contenido de agua deseado usando un evaporador rotatorio y confirmar el nuevo contenido de agua por Karl Fischer como se describe en 1.4.1.
Nota: Se obtienen buenos resultados con 20% en peso de agua; sin embargo, esto puede no ser siempre la óptima para el tratamiento previo. A mayor contenido de agua se puede elegir con el fin de reducir el costo de disolvente o a la viscosidad más baja.
<li> Los cálculos para el experimento. - Decidir sobre la cantidad de líquido iónico solución m sol, final y un ratio BM-biomasa en disolvente / sol final. A continuación, utilizar 10 g de solución de líquido iónico que contiene 20% de agua en peso y una proporción de biomasa en disolvente de 1:10 g / g.
Nota: Los tubos utilizados en este protocolo pueden añadir hasta 18 g de solución de IL si la biomasa a disolvente relación es de 1:10 (p / p). Una alta proporción de biomasa en disolvente (hasta 1: 2 o incluso 1: 1) es favorable desde el punto de vista económico, pero podría comprometer la eficacia de tratamiento previo a pequeña escala. - Determinar la cantidad de líquido iónico (libre de agua) requerido para cada muestra de acuerdo con la siguiente ecuación 2:
Eq. 2
Donde m IL es la cantidad necesaria de líquido iónico en gramos, m sol, final es la cantidad deseada de la solución de líquido iónico en gramos, y wc final </ Sub> es el contenido de agua deseado (en%) en la solución de líquido iónico. - A continuación, calcular la cantidad de solución de líquido iónico sintetizado o comprado que se añade en cada tubo de presión de acuerdo con la siguiente ecuación 3:
Eq. 3
Donde m sol es la cantidad de solución que se añade en cada tubo de presión (en gramos), m IL es la cantidad necesaria de líquido iónico (en gramos), y wc sol es el contenido de agua en la solución de líquido iónico (en%) como se determina por valoración Karl Fischer. - Determinar la cantidad de biomasa (en base a peso se seca en estufa) que se añade a la solución de líquido iónico mediante la ecuación 4 a continuación. En este experimento, utilizar 1 g de secado al horno de biomasa Miscanthus por tubo de presión.
Eq. 4
Donde ODW es la cantidad de biomasa que se añadaed en cada tubo de presión (en gramos), m sol, final es la cantidad deseada de la solución de líquido iónico (en gramos) y BM / sol final es la relación deseada de solución líquida de biomasa en iónico. - Determinar el peso de la biomasa secada al aire que necesita ser añadido en el tubo mediante el uso de la siguiente ecuación 5:
Eq. 5
donde ADW es el peso secado al aire de la biomasa que se añade en el tubo (en gramos), ODW es el peso de la biomasa necesaria para el experimento (determinado en 1.5.4 en gramos) secado en horno y mc BM es el valor determinado en el apartado 1.2.3. - Calcular la cantidad de agua necesita ser añadido con una pipeta para conseguir el contenido de agua final deseado de acuerdo con la siguiente ecuación 6:
Eq. 6
Donde m de agua es la cantidad deagua a añadir, wc final es el contenido de agua deseado en la mezcla de pre-tratamiento (aquí 20% en peso), m sol.final es la cantidad de disolvente (en este caso 10 g), mc BM es el contenido de humedad de la biomasa se secó al aire , m BM es la cantidad de biomasa seca al aire para ser añadido, wc sol es el contenido de agua de la solución de líquido iónico sintetizado o comprados, y m sol es la cantidad de solución de líquido iónico.
Eq. 1 
Eq. 2 
Eq. 3 
Eq. 4 
Eq. 5 
Eq. 6 2. Pretratamiento
Nota: El proceso puede ser interrumpido en cualquier punto por dejando las muestras a temperatura ambiente (durante unos pocos días) o en el refrigerador (por períodos más largos).
- Pre-pesan tres tubos de 15 ml con tapones de presión de teflón y anillos de silicona S. una inspección visual de los tubos de presión para asegurarse de que no tienen grietas o defectos.
Nota: tubos de presión de mayor tamaño se ajusta líquido más iónica y la biomasa se pueden utilizar si se desea, aunque los resultados de pretratamiento no lo haráser directamente comparables entre las muestras tratadas en diferentes tamaños de vial. Se recomienda el uso de tapas delantera de sellado para un mejor sellado. - Con una pipeta de 10 ml, añadir la cantidad necesaria de solución de líquido iónico en el tubo de presión de pie en la escala. Use anillos de corcho para mantener el tubo de pie. Anotar el peso de la solución de líquido iónico añadió. Añadir la cantidad requerida de agua a la solución determinada en 1.5.6 con una pipeta, suponiendo que la densidad del agua a ser 1 g / ml.
- Añadir la cantidad requerida de lignocelulosa secado al aire mediante la colocación de un trozo de papel de aluminio (dimensiones 3 cm x 8 cm) en una balanza, la tara del equilibrio y el pesado de la biomasa. Tarar la balanza y agregue la biomasa al tubo. Coloque la lámina de vacío de nuevo en el equilibrio y registrar la diferencia.
Nota: Como alternativa, los barcos que pesan antiestáticos se pueden utilizar. - Cierre la tapa con una tapa de teflón con un aro de silicona. Compruebe si hay un buen sellado sin apretar demasiado. Anotar el peso de la ptubos RESIÓN que contienen biomasa y líquido iónico. Mezclar el contenido del tubo mediante el uso de un agitador de vórtice hasta que toda la biomasa está en contacto con el líquido iónico.
Nota: No todos los materiales de junta tórica soportar estar en contacto con los líquidos iónicos a temperatura elevada. Encontramos que la silicona funciona bien. - Colocar los tubos de presión en un horno asistido por ventilador que ha sido pre-calentado a la temperatura deseada. Por ejemplo, dejar los tubos durante 8 horas a 120 ° C o durante 1 hora a 150 ° C.
Nota: El tiempo y la temperatura son variables experimentales importantes. Otros tiempo - combinaciones de temperatura pueden ser utilizados. - Retirar los viales del horno usando un guante de cocina y colocarlos en una campana de humos para dejar que se enfríe a temperatura ambiente. Compruebe el peso de los viales después del enfriamiento para asegurar que no se escapó de agua durante la cocción.
3. Pulpa de lavado
- Transferir el contenido de cada tubo en un tubo de centrífuga de 50 ml utilizando 40 ml de Absolute etanol. Agitar el tubo usando un agitador de vórtice durante 1 min para mezclar bien y dejar el tubo a temperatura ambiente durante al menos 1 hr.
Nota: La separación también se puede llevar a cabo utilizando la filtración, sin embargo, menor precisión se puede observar para el tamaño de la muestra sugerido. - Agitar el tubo usando un agitador de vórtice durante 30 segundos, a continuación, centrifugar el tubo durante 50 min a 2.000 x g. líquida y sólida separada por decantación cuidadosa. Recoger el líquido en un recipiente limpio 250 ml matraz de fondo redondo con una barra de agitación.
- Añadir 40 ml de etanol fresco en el tubo de paso y repetir 50 ml 3.2 tres veces.
- Separar el etanol del líquido iónico mediante la colocación de la ronda matraces de fondo en un bloque de calentamiento. Conectar cada uno de ellos a una bomba de vacío con una trampa fría. Llenar la trampa con hielo seco y ajustar el calentamiento a 40 ° C. Encienda agitación y la bomba.
Nota: Este experimento utiliza un evaporador paralelo puesta a punto de fabricación casera basada en una síntesis paralela puesta a punto. evaporadores paralelos también pueden ser purchased-confeccionada. Alternativamente, un evaporador rotativo se puede utilizar.
- Separar el etanol del líquido iónico mediante la colocación de la ronda matraces de fondo en un bloque de calentamiento. Conectar cada uno de ellos a una bomba de vacío con una trampa fría. Llenar la trampa con hielo seco y ajustar el calentamiento a 40 ° C. Encienda agitación y la bomba.
4. Extracción Soxhlet de Pulp
- La transferencia de la pasta lavada húmeda en dedales de celulosa y etiquetar cada dedal con un lápiz.
- Llenar etanol absoluto 150 ml en un matraz de 250 ml limpio con una barra de agitación de fondo redondo. Inserte el cartucho que contiene la muestra en un extractor Soxhlet 40 ml, añadir un condensador e instalar todo en el puesto de trabajo extractor conectado en paralelo a un enfriador de recirculación.
Nota: Si se utiliza etanol para transferir la pulpa, añadir sólo la diferencia a 150 ml al matraz de fondo redondo. - Cuando se cargan todas las muestras, comenzar la agitación, ajustar la temperatura a 135 ° C y encender el recuperador (ajuste de temperatura de 18 ° C). Extraer las muestras de pasta durante 20 horas en total.
- Apagar la calefacción para permitir el reflujo, para llegar a detenerse. Luego cambiar tanto la agitación y enfriamiento. Tome los dedales fuera del extractor Soxhletcon unas pinzas y dejar que la humedad seca de celulosa en la noche a la mañana dedal en una campana extractora.
- Añadir el líquido de la extracción Soxhlet con el líquido de la biomasa de lavado y continuar la evaporación del etanol a partir de la biomasa de lavado con el evaporador paralelo o un evaporador rotatorio a 40 ° C.
- La transferencia de la pulpa secada al aire desde el dedal sobre un trozo de papel de aluminio tarada en una balanza analítica, se registra el peso secado al aire de la pulpa extraída y la transfiere en una bolsa de plástico etiquetada. Tratar de recuperar todo mientras no raspando el material dedal de la pared.
- Determinar el contenido de humedad de la pasta inmediatamente para calcular el rendimiento secado en horno (como se muestra anteriormente en el paso 1.4).
5. La lignina Aislamiento
- Cuando todo el etanol se ha evaporado, precipitar la lignina mediante la transferencia del líquido iónico desde el matraz de fondo redondo en un tubo de centrífuga de 50 ml utilizando 30 ml de agua. Mezclar la suspensión y dejar actuar durante al menos 1 hora.Centrifugar durante 20 min a 2.000 xg, y separar la solución del sólido por decantación.
Nota: En este protocolo, 3 equivalentes de agua se utilizan como anti-disolvente. Menos antidisolvente se puede utilizar, si se desea. Los lavados pueden ser recogidos, se eliminó el agua y el líquido iónico recuperado para uso repetitivo. - Añadir 30 ml de agua destilada al sedimento de lignina dentro del tubo de centrífuga. Repita la mezcla, la incubación durante 1 hr y centrifugación. Repita este paso para un total de 3 lavados de lignina.
- Se seca la lignina dentro del tubo de centrífuga usando un horno de vacío y una tapa perforada en 45 ° C durante la noche. Para determinar el rendimiento de lignina, colocar un trozo de papel de aluminio sobre la balanza, tare el peso, añadir lignina del horno y registrar el peso inmediatamente. La transferencia de la lignina en un vial para el almacenamiento.
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Representative Results
La cantidad exacta de la eliminación de la lignina y la precipitación de la lignina, se recuperó la pulpa y el rendimiento de glucosa dependen del tipo de biomasa utilizada, la temperatura a la que se ejecuta el tratamiento y la duración del tratamiento. tiempos de pretratamiento cortos y bajas temperaturas conducen a pretratamiento incompleta mientras que a temperaturas más altas, la celulosa se vuelve inestable en el líquido iónico, lo que lleva a la hidrólisis y la degradación. El líquido iónico seleccionado también juega un papel importante en el resultado del procedimiento de fraccionamiento.
La Figura 1 muestra la composición de Miscanthus sin tratar (hierba) y pino (madera blanda), y el Miscanthus y pulpa de pino obtenido después del pretratamiento con trietilamonio HSO 4 durante 8 horas a 120 ° C (análisis de la composición se realizó de acuerdo con el protocolo de NREL). 21 es evidente por la figura que el pretratamiento Ionosolv en el thESE condiciones produjeron resultados diferentes para los dos tipos de biomasa. En el caso de la biomasa hierba, la mayor parte de la lignina y las hemicelulosas se retiraron, mientras que el tratamiento previo de la madera blanda eliminó principalmente las hemicelulosas y sólo una pequeña cantidad de lignina. La diferencia en el resultado del pretratamiento fue pronunciado igualmente cuando las pulpas recuperados fueron sometidos a la sacarificación enzimática. Se obtuvo 22 mientras que el 77% de la liberación teórica de glucosa para Miscanthus, pino solamente produjo 13%. La diferencia en la extracción de lignina se refleja en los rendimientos de lignina: 20% y 5% del peso inicial de la biomasa se recuperaron como lignina para Miscanthus y pino, respectivamente.
La diferencia en el resultado de tratamiento previo entre las dos materias primas se atribuye a los diferentes tipos de lignina presente en pastos y maderas blandas; el tipo de lignina G de maderas blandas es más recalcitrante y más difícil de eliminar que la lignina hierba.
Figura 1. Composición de Miscanthus y pino antes y después del tratamiento previo con [trietilamonio] [HSO 4] con un 20% en peso de agua durante 8 horas a 120 ° C. Esto se determinó mediante el procedimiento de análisis de la composición del NREL. 21 Por favor, véase la referencia 21 para una más detallado protocolo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La lignina se puede caracterizar por la coherencia cuántica análisis heteronuclear (HSQC) RMN que demuestra que los enlaces éter son escindidos durante el pretratamiento, mientras que se forman nuevos enlaces CC. 19 Además, se ha demostrado que el peso molecular, que se puede estimar por GPC, es mucho inferior a la de la lignina nativa. En tiempos de pretratamiento más largos que el peso molecular aumenta debido a las reacciones de condensación. La reacción de la lignina con el líquido iónico es mínima como se evidencia por un aumento marginal del contenido de azufre y ningún aumento del contenido de nitrógeno de la lignina con el tiempo.
Un análisis más detallado se puede llevar a cabo, si es de su interés. El análisis XRD de la pasta de celulosa recuperado muestra generalmente alta cristalinidad. 17 El licor líquido iónico recuperado puede ser analizada por HPLC con el fin de detectar los azúcares disueltos y productos de degradación de los mismos. 23
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Discussion
La técnica para el fraccionamiento de biomasa lignocelulósica que aquí se presenta produce una pasta de celulosa-rico y una lignina. La mayor parte de las hemicelulosas se disuelven en el líquido iónico y se hidroliza, pero no recuperados. Si se desean azúcares de la hemicelulosa, puede ser necesario una etapa de pre-extracción de hemicelulosa antes de la deslignificación Ionosolv. Ha sido hasta ahora imposible cerrar por completo el balance de masa para la biomasa, ya que no es posible identificar y cuantificar todos los productos de degradación se encuentran en el licor líquido iónico, especialmente los derivados de la lignina. Un estudio detallado sobre el reciclaje y el equilibrio de masas está en marcha y se espera que se publicará en breve.
El lavado con etanol es necesario en pequeña escala con el fin de lograr buenas separaciones, como líquido iónico residual adherida a la superficie de la pulpa puede reducir la actividad enzimática durante la sacarificación, sesgando así el análisis a escala de laboratorio. Cabe señalar que lavolúmenes de etanol de lavado que se consumen en este protocolo no son compatibles con la ampliación y probablemente no son necesarios si el proceso se ha de operar a escala comercial.
Este montaje experimental se basa enteramente en la convección para facilitar la transferencia de masa. Sin embargo agitación se espera para facilitar la reacción y potencialmente podría alterar los tiempos de reacción requeridos y la eficiencia de extracción de lignina.
En general, el protocolo de pretratamiento de la biomasa se presenta ha sido demostrado ser muy eficaz para el fraccionamiento de biomasa lignocelulósica. Las principales ventajas sobre (es decir, la explosión de vapor) procesos acuosos y mecanoquímicos son la selectividad mejorada, es decir, una pasta de celulosa limpia y una lignina purificada. Otra ventaja es las condiciones relativamente suaves bajo las cuales el procedimiento se puede llevar a cabo. Las ventajas sobre otros procesos de lignina-solvatación (es decir, la fabricación de pasta Kraft o Organosolv pretratamiento) son la sencilla septiembrePreparac y recuperación de disolventes, debido a la no volatilidad de la IL, reduciendo la inversión de capital. La lignina aislada es libre de olores. El proceso Ionosolv presentado es en su función muy similar al proceso de Organosolv que utiliza etanol acuoso acidificado. Sin embargo, como los líquidos iónicos tienen presión de vapor insignificante (reducción de las presiones de proceso hacia la atmosférica), el reciclaje del disolvente es diferente y la exposición a vapores de disolventes minimizadas.
En comparación con el proceso de líquido iónico usando líquidos anhidros, básicos iónicos tales como acetato de 1-etil-3-metilimidazolio o cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio, que dan como resultado una pasta de celulosa decrystallized produciendo rendimientos muy altos de sacarificación, el proceso empleado aquí da la altura de los rendimientos de glucosa ligeramente inferiores. 24 sin embargo, el presente procedimiento es tolerante a la humedad, por tanto, que no requieren secado intensivo, energía, y utiliza líquidos iónicos que se sintetizan más fácilmente y, por tanto, expected a ser significativamente menos costoso.
Al igual que con cualquier aplicación de líquidos iónicos, uno de las principales ventajas es la posibilidad de ajustar las propiedades del líquido iónico mediante la variación de la base de cationes, que van desde imidazolio a amonio, y cambiando el número, la longitud, la simetría y la sustitución de cadenas de alquilo en . el catión 25 en el caso especial de los líquidos iónicos próticos utilizados en este protocolo, el ácido a la base de la relación y el contenido de agua se puede utilizar para diseñar el disolvente. 26, 27 esto da lugar a los disolventes con una amplia gama de polaridades, acidez, viscosidades y otras propiedades físicas.
Otros parámetros que se pueden ajustar incluyen carga de biomasa, la temperatura de tratamiento previo y el tiempo, y aditivos. Además, los costes asociados con disolventes, el equipo y la entrada de energía tendrá que ser tenido en cuenta y optimizado, si esta opción de tratamiento previo es para ser utilizado en un entorno comercial.
por ejemplo, para la producción de resinas o productos químicos aromáticos, o la producción de celulosa o materiales derivados de azúcar y productos químicos. El protocolo se puede utilizar como una base para diseñar protocolos modificados, por ejemplo, utilizando reactores agitados más grandes o reactores de flujo continuo. Los resultados de tales estudios experimentales permitirán un análisis tecno-económico de este proceso de fraccionamiento basado líquido iónico.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Los autores reconocen el Instituto Grantham para el Cambio Climático y el Medio Ambiente, Climate-KIC y EPSRC (EP / K038648 / 1 y EP / K014676 / 1) para la financiación y Pierre Bouvier para proporcionar datos experimentales para pretratamientos de pino.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| IL synthesis | |||
| Round bottom flask, with standard ground joint 24/29 NS, 1,000 ml | Lenz | 3 0024 70 | VWR product code 271-1309 |
| 250 ml Addition Funnel, Graduated, 29/26 Joint Size, 0-4 mm PTFE Valve | GPE | CG-1714-16 | |
| Dish-shaped dewar flask, SCH 31 CAL | KGW-Isotherm | 1197 | |
| Volumetric flask, 200 ml | VWR | 612-3745 | |
| Cork rings, pasteur pipettes and teet, wash bottle with deionised water, large magentic stir bar | |||
| Biomass size reduction | |||
| Heavy Duty Cutting Mill SM2000 | Retsch | Discontinued | Replaced with Cutting Mill SM 200 (20.728.0001) |
| Bottom sieves (10 mesh square holes, for particle size <2 mm) | Retsch | 03.647.0318 | Part of cutting mill |
| Analytical Sieve Shaker AS 200 | Retsch | 30.018.0001 | Part of sieving machine |
| Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (180 µm) | Retsch | 60.131.000180 | Part of sieving machine |
| Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (850 µm) | Retsch | 60.131.000850 | Part of sieving machine |
| Collecting pan, stainless steel, 200 mm Ø, height 50 mm | Retsch | 69.720.0050 | Part of sieving machine |
| Rotary evaporator | |||
| Rotary evaporator (Rotavapor R-210) | Buchi | Discontinued | Replaced with Rotavapor R-300 |
| Water bath (Heating bath B-491) | Buchi | 48201 | Part of rotary evaporator |
| Recirculator | Julabo | F25 | Part of rotary evaporator |
| Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of rotary evaporator |
| Vacuum controller (Vacuum Control Box VCB 521) | Ilmvac GmbH | 600053 | Part of rotary evaporator |
| Parallel evaporator | |||
| StarFish Base Plate 135 mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of parallel evaporator |
| Monoblock for 5 x 250 ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of parallel evaporator |
| Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of parallel evaporator |
| Gas/Vacuum Manifold with connectors | Radleys | RR95510 | Part of parallel evaporator |
| 650 mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of parallel evaporator |
| Quick Release Male, R/A Barbed 6.4 mm + Shut-off (3.2 mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of parallel evaporator |
| Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor |
| Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor |
| Elliptical Stirring Bar 15 mm Rare Earth | Radleys | RR98097 | Part of parallel evaporator |
| Vacuum cold trap, plastic coated, PTFE stopcock | Chemglass | CG-4519-01 | Part of parallel evaporator |
| Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of parallel evaporator |
| Tygon tubing E-3603, 6.40 mm (internal) 12.80 mm (external) | Saint-Gobain/VWR | 228-1292 | Part of parallel evaporator |
| Parallel Soxhlet extractor | |||
| StarFish Base Plate 135 mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of soxhlet extractor |
| Monoblock for 5 x 250 ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of soxhlet extractor |
| Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of soxhlet extractor |
| Telescopic 5-way Clamp with Silicone Strap and Long Handle | Radleys | RR95410 | Part of soxhlet extractor |
| Water Manifold with connectors | Radleys | RR95500 | Part of soxhlet extractor |
| 650 mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of soxhlet extractor |
| Quick Release Male, R/A Barbed 6.4 mm + Shut-off (3.2 mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of soxhlet extractor |
| Coil condensers with standard ground joints 29/32 NS | Lenz | 5.2503.04 | Part of soxhlet extractor |
| Extractor Soxhlet 40 ml borosilicate glass 29/32 socket 24/29 cone | Quickfit | EX5/43 | Part of soxhlet extractor |
| Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor |
| Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor |
| Recirculator | Grant | LTC1 | Part of soxhlet extractor |
| Cellulose extraction thimble | Whatman | 2280-228 | |
| Tweezers | Excelta | 20A-S-SE | |
| Vacuum drying oven | |||
| Vacuum drying oven | Binder | VD 23 | Part of vacuum oven |
| Dewar vessel 2 L 100 x 290 mm with handle | KGW-Isotherm | 10613 | Part of vacuum oven |
| Vacuum Trap | GPE | CG-4532-01 | Part of vacuum oven |
| Other equipment | |||
| Analytical balance | A&D | GH-252 | accuracy to ± 0.1 mg |
| Volumetric Karl Fischer titrator | Mettler Toledo | V20 | |
| 10 ml disposable pipette | Corning Inc | Costar 4101 10 mL Stripette | |
| Eppendorf Research plus pipette, variable volume, volume 100-1,000 μl | Eppendorf | 3120000062 | |
| Desiccator | Jencons | JENC250-028BOM | |
| Ace pressure tube bushing type, Front seal, volume 15 ml | Ace Glass | 8648-04 | |
| Ace O-rings, silicone, 2.6 mm, I.D. 9.2 mm | Ace Glass | 7855216 | O-ring for pressure tube |
| Vortex shaker | VWR International | 444-1378 (UK) | |
| Fan-assisted convection oven | ThermoScientific | HeraTherm OMH60 | |
| Oven glove (Crusader Flex) | Ansel Edmont | 42-325 | |
| 250 ml Round bottom flask single neck ground joint 24/29 (Pyrex) | Quickfit | FR250/3S | |
| Rotaflo stopcock adapter with cone 24/29 | Rotaflo England | MF11/2/SC | |
| 50 ml Falcon tube | Heraeus/Kendro | HERA 76002844 | |
| Centrifuge (Mega Star 3.0) | VWR | 521-1751 | |
| Reagents | |||
| Ethanol absolute | VWR | 20820.464 | |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | T0886 | |
| Sulfuric acid 5 mol/L (10 N) AVS TITRINORM volumetric solution Safe-break bottle 2.5 L | VWR | 191665V | |
| Purified water (15 MΩ ressitance) | Elga | CENTRA R200 | |
| Lignocellulosic biomass | |||
| Miscanthus X gigantheus | |||
| Pinus sylvestris | |||
References
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