Introduction
Møde menneskehedens energibehov bæredygtigt er en af de største udfordringer, som vores civilisation står overfor. Energiforbruget forventes at blive fordoblet i de næste 50 år, at sætte større pres på de fossile brændstoffer ressourcer. 1. Opbygningen af drivhusgasser (GHG) i atmosfæren gennem omfattende brug af fossile brændstoffer er særligt problematisk, da CO2 genereret fra forbrænding af fossile brændstoffer er ansvarlig for 50% af den menneskeskabte drivhuseffekt. 2 Derfor storstilet anvendelse af vedvarende og carbon neutral teknologier er afgørende for at opfylde de stigende energipriser og materielle fremtidige generationers behov. 1, 3
Plant biomasse er den mest alsidige vedvarende ressource, da det kan bruges til at producere varme, el samt kulstof-baserede kemikalier, materialer og brændstoffer. Primære fordele ved lignocellulose biomasse frem for andre biomasse typer er sin overflod, potentiale for høje udbytter per areal og ofte meget højere CO 2 Emissionsbesparelsen, der omfatter høj fastholdelse af kulstof i jorden. 4, 5 Yderligere fordele ved at bruge biomasse omfatter lokal tilgængelighed, lave kapitalkrav til at omdanne biomasse til energi, og forebyggelse af jorderosion. 8
Den største produktion af lignocelluloseholdige råmaterialer er skovindustrien og landbrugssektoren samt kommunal affaldshåndtering. 6 lignocellulose produktion har potentialet til at blive udvidet, med et sind til at begrænse skovrydning og undgå udskiftning af fødevareafgrøder og frigivelse af potentielle forurenende stoffer. 7 for vedvarende biomasse til at blive en levedygtig udbredt kilde til flydende transportbrændstof og kemikalier, skal dens behandling blive økonomisk konkurrencedygtig med konvertering af fossile brændstoffer teknologier. 9, 10 a nøglen til at opnå dette er at øge udbyttet og kvaliteten af biomasse-afledte mellemprodukter samtidig reducere omkostninger. </ P>
Lignocellulose indeholder en høj andel af sukker, der kan omdannes til brændstoffer og kemikalier via katalytiske og mikrobielle omdannelser. 11 Disse sukkerarter er til stede i lignocellulose i polymer form som cellulose og hemicellulose. De kan hydrolyseres til glucose og andre sukkerarter monomerer og derefter anvendt til fremstilling af bioethanol og andre bio-afledte kemikalier og opløsningsmidler. 12
For at få adgang til de celluloseholdige sukkerarter, er nødvendigt gennem fysiske, kemiske eller kombinerede processer forbehandling af biomassen. 4. Forbehandlingen er velsagtens den mest kostbare skridt i valorisering af lignocellulose biomasse. Derfor forskning i forbedrede forbehandlingsprocesser er bydende nødvendigt.
Forskellige forbehandling teknologier er tilgængelige. Af særlig interesse er dem, der adskiller lignin fra cellulose (fractionative forbehandling). Lignin, den tredje hovedkomponent ilignocellulose, begrænser adgangen hydrolysere midler til cellulose og hemicellulose og reducerer udbyttet sukker per ton råmateriale. 11 Den fraskilte lignin kan anvendes som en yderligere bioraffinaderi mellemprodukt hvis det er isoleret i egnet kvalitet. 13 En fractionative proces er den kraft-processen, som er den mest almindelige forbehandling i papir / celluloseproduktion. I kraftpulpning, er træflis anbringes i en blanding af natriumhydroxid og natriumsulfid og opvarmet ved forhøjede temperaturer på omkring 170 ° C under højt tryk. 14 De basiske reaktioner fjerne hemicellulose og lignin ved at bryde polymererne ned til korte fragmenter via nucleofil og basekatalyse, og ved at opløse ligninfragmenter via de-protonering af phenoliske hydroxyl / alkoholgrupper. En anden almindelig delignificering processen er den organosolv proces, der også fragmenter og opløser lignin og hemicellulose. Snarere end at bruge en alkalisk aqueoos opløsning, er organiske opløsningsmidler, såsom ethanol og eddikesyre anvendes ved høje temperaturer i området mellem 160-200 ° C og tryk 5-30 bar. Organosolv forbehandling har nogle fordele i forhold kraftpulpning i, at det producerer mindre luft- og vandforurening. 15 Begge processer har nogle økonomiske udfordringer, hvis de anvendes til fremstilling af kemikalier og brændstof i stedet for cellulose. 16 Ionosolv forbehandling bruger ioniske væsker, som er salte, der smeltepunkter under 100 ° C og, som følge af deres stærke coulombiske interaktioner, meget lave damptryk. 17 Dette eliminerer luftforurening i forbehandlingsprocessen, og muliggør behandling ved eller nær atmosfærisk tryk.
Mens de fleste IL'er er skabt i besværlige, multi-trins synteser, kan prote IL'er syntetiseres i en ettrinsproces fra råvare kemikalier, hvilket gør dem mindre dyre; det anslås, at nogle IL'er kunne produceres på bulk-skala for enpris 1,24 $ per kg der er sammenlignelig med almindelige organiske opløsningsmidler, såsom acetone og toluen. 18. Evnen til at genbruge og genbruge disse regulerbare IL'er i en proces, der arbejder ved forholdsvis lavere temperaturer og tryk gør dette til en mere godartet alternativ og en økonomisk attraktiv kandidat for bioraffinering.
Denne detaljerede video protokol viser en lab-skala version af Ionosolv proces til delignificering af lignocellulose biomasse og den endelige enzymatiske forsukring af cellulose-rige pulp samt inddrivelse af en høj renhed lugtfri lignin. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bemærk: De protiske ioniske væsker anvendes i fremgangsmåden syntetiseres i vores laboratorium, selv om nogle kan være eller blive kommercielt tilgængelige. De resulterende ioniske væsker er sure og ætsende og sandsynligvis hud / øje irritanter (afhængigt af anvendte amin), og skal derfor håndteres med forsigtighed iført passende PPE (kittel, sikkerhed specs, handsker).
1. Fremstilling
- Forberedelse og opbevaring af lignocelluloseholdige biomasse
- Opnå det lignocelluloseholdige biomasse før forsøget i tilstrækkelige mængder, for eksempel 100 g op til 5 kg.
Bemærk: Hvert eksperiment kræver mindst 3 g biomasse (1 g hver i triplikat). - Reducere fugtindholdet kort efter høst og opbevar biomassen i luft-tørret form i laboratoriet. Lufttørres biomassen ved at sprede biomassen på et bord eller bænk og lade det i 2 uger eller indtil den vises tørt. Flyt og drej biomassen under tsin tid at fremskynde processen. Udfør fraktionering eksperimenter inden for et år af høsten.
Bemærk: Direkte efter høsten, kan træbiomasse indeholde op til 50 vægt-% fugtighed, mens lufttørret biomasse, som er mere stabil, indeholder 5-12 vægt-% fugtighed. - Grind og si biomassen til en udvalgt partikelstørrelse rækkevidde. Opbevar tørrede biomasse i plastposer eller andre egnede beholdere indtil anvendelse.
Bemærk: For de små prøver håndteres i denne protokol, anbefales en reduceret partikelstørrelse, for eksempel 180-850 um.
- Opnå det lignocelluloseholdige biomasse før forsøget i tilstrækkelige mængder, for eksempel 100 g op til 5 kg.
- Bestemmelse af indholdet af biomassen fugt (ifølge NREL protokol) 20
- For at bestemme indholdet af biomassen fugt, preweigh et stykke aluminiumsfolie (størrelse ca. 5 cm x 5 cm) på en analytisk vægt, og vægten af folien (m folie). Afvej omkring 100 mg lufttørret biomasse på aluminiumsfolie og registrere den nøjagtige air-dried vægt (m ADW).
- Fold aluminiumfolie for at lave en pakke og sted i en ventileret ovn ved 105 ° C natten over (mindst i 4 timer).
- Tag pakken ud og placere det straks i en ekssikkator i 5 minutter, derefter vejes pakken straks og registrere den nøjagtige vægt af ovntørret vægt plus folie (m ODW + folie). Beregn vandindhold (i%) af biomassen mc BM ifølge ligning 1:
Eq. 1
Hvor m ODW + folie er vægten af den ovntørrede pakke (ovntørret biomasse plus folie), m folie er vægten af folien og m ADW er lufttørret vægt af biomassen. Alle vægte skal være enten i g eller mg.
- Syntese af ionisk væske
- I et stinkskab eller ventileret kabinet, vejer 1 molaf aminen (triethylamin) i en 1 liters rundbundet kolbe med magnetisk omrører. Kolben anbringes i et isbad på en magnetomrører plade. Tilføj et 250 ml tilsætningstragt straks at minimere fordampning af aminen.
Bemærk: Korrekt syre: basis-forholdet er af stor betydning for at opnå reproducerbarhed af forsøgene forbehandling. - Afmål 1 mol svovlsyre anvendelse af en opløsning med kendt koncentration (i dette eksempel 5 mol / liter) og en målekolbe (200 ml). Overfør svovlsyre i tilsætningstragten og skyl enhver syre klæber til væggene i målekolbe ind tilsætningstragten med deioniseret vand.
- Tilsæt svovlsyre dråbevis til aminen under kraftig omrøring. Sikre, at opløsningen opvarmes ikke, da dette ville føre til kogning af aminen og en unøjagtig mellem syre og base. Skyl indersiden af tilsætningstragten anvendelse af deioniseret vand for at sikre syren overføres kvantitativt.
Note: Større batches af ionisk væske opløsning kan fremstilles ved at øge mængden af amin og svovlsyre samt kolbens volumen tilsvarende. - Fordampe det meste af vandet under anvendelse af en rotationsfordamper. Vandindholdet bør være lavere end vandindholdet kræves til forbehandling.
Bemærk: Det er ikke nødvendigt helt at tørre den ioniske væske. Det kan være gavnligt at lade noget vand i den ioniske væske, som nogle tørrede ioniske væsker, herunder triethylammonium hydrogensulfat, er faste stoffer ved stuetemperatur. En frysetørrer kan også anvendes til at sænke vandindholdet.
- I et stinkskab eller ventileret kabinet, vejer 1 molaf aminen (triethylamin) i en 1 liters rundbundet kolbe med magnetisk omrører. Kolben anbringes i et isbad på en magnetomrører plade. Tilføj et 250 ml tilsætningstragt straks at minimere fordampning af aminen.
- Bekræftelse og justering af vandindhold på IL løsningen
Bemærk: Vandindholdet er en vigtig eksperimentel variabel. Der er tre kilder, at vandet i blandingen forbehandling kan komme fra. Alle af dem skal tages i betragtning: (1) vandet indeholdt i det syntetiserede eller købt ioniske væske opløsning (2) vandet indeholdt i than lufttørret biomasse og (3) eventuelt vand tilsat med en pipette for at opnå den endelige ønskede vandindhold.- Bestemme indholdet af den syntetiserede eller købt ioniske væske løsning af volumetrisk Karl Fischer-titrering efter instruks fra den titrator producenten vand. Tilsæt et par dråber af IL ind titratoren anvendes en allerede afvejet sprøjte. Indtast vægten af væske tilsættes i titrator og vente, indtil titrator viser en læsning. Optag vandindholdet.
- Beslut dig for et vandindhold for biomassen forbehandling. I dette eksperiment bruger 20 vægt-%. Reducere vandindholdet 5 vægt% under det ønskede vandindhold under anvendelse af en rotationsfordamper, og bekræfte den nye vandindhold ved Karl Fischer-titrering som beskrevet i 1.4.1.
Bemærk: Gode resultater opnås med 20 vægt-% vand; men dette kan ikke altid være det mest optimale for forbehandling. Et højere vandindhold kan vælges for at reducere opløsningsmiddel omkostninger eller til lavere viskositet.
<li> Beregninger for eksperimentet. - Beslut på mængden af ioniske væske løsning m sol, endelig og en biomasse-til-solvent-forholdet BM / sol endelig. Her, brug 10 g ionisk væske indeholdende 20 vægt-% vand og en biomasse-til-opløsningsmiddel forhold på 1:10 g / g.
Bemærk: De rør, der anvendes i denne protokol kan passe op til 18 g IL løsning, hvis biomassen til opløsningsmiddel-forholdet er 1:10 (vægt / vægt). En høj biomasse-til-solvent-forhold (op til 1: 2 eller endog 1: 1) er gunstigt fra et økonomisk synspunkt, men kan bringe forbehandling effekt på mindre skala. - Bestem mængden af (vandfri) ionisk væske kræves for hver prøve efter følgende ligning 2:
Eq. 2
Hvor m IL den krævede mængde af ionisk væske i gram, m sol, endelig er den ønskede mængde af ionisk væske opløsning i gram, og wc endelig </ Sub> er den ønskede vandindhold (i%) i den ioniske væske opløsning. - Dernæst beregne mængden af syntetiseret eller købt ioniske væske der skal tilsættes til hver trykrøret efter følgende ligning 3:
Eq. 3
Hvor m sol er mængden af opløsning, som skal tilsættes til hver trykrøret (i gram), m IL er den nødvendige mængde ionisk væske (i gram), og wc sol er vandindholdet i den ioniske væske opløsning (i%) som bestemt ved Karl Fischer-titrering. - Bestem mængden af biomasse (ovntørret vægt basis), hvormed den ioniske væske opløsning ved anvendelse af ligning 4 nedenfor. I dette eksperiment anvendes 1 g ovntørret Miscanthus biomasse pr trykrør.
Eq. 4
Hvor ODW er mængden af biomasse, der skal tilføjeed i hvert trykrøret (i gram), m sol, endelig er den ønskede mængde af ionisk væske opløsning (i gram) og BM / sol endelig er det ønskede forhold mellem biomasse-til-ioniske væske opløsning. - Bestemme vægten af luft-tørrede biomasse, der skal tilsættes i røret ved anvendelse af følgende ligning 5:
Eq. 5
hvor ADW er lufttørret vægt af biomassen, der skal lægges ind i røret (i gram), ODW er ovntørret vægt af biomassen nødvendige til forsøget (bestemt i 1.5.4 i gram) og mc BM er værdien bestemt i 1.2.3. - Beregne, hvor meget vand skal tilsættes med en pipette for at opnå det ønskede vandindhold endelig efter følgende ligning 6:
Eq. 6
Hvor m vand er mængden afvand, der skal tilsættes, wc endelig er det ønskede vandindhold i blandingen forbehandling (her 20 vægt%), m sol.final er mængden af opløsningsmiddel (her 10 g), mc BM er indholdet af luft-tørrede biomasse fugt , m BM er mængden af luft-tørrede biomasse, der skal tilsættes wc sol er indholdet af det syntetiserede eller købt ioniske væske opløsning vand, og m sol er mængden af ionisk flydende opløsning.
Eq. 1 
Eq. 2 
Eq. 3 
Eq. 4 
Eq. 5 
Eq. 6 2. Forbehandling
Bemærk: Processen kan afbrydes på ethvert punkt ved at efterlade prøverne ved stuetemperatur (i nogle få dage) eller i køleskab (i længere perioder).
- Pre-vejer tre 15 ml trykrør med Teflon hætter og silikone O-ringe. Efterse trykket rør til at sikre, at de ikke har nogen revner eller fejl.
Bemærk: Større trykrør passer mere ionisk væske og biomasse kan anvendes om ønsket, skønt forbehandlingsanlæg resultater vil ikkevære direkte sammenlignelige mellem prøver behandlet i forskellige størrelser hætteglas. Vi anbefaler brug af forreste forsegling caps for bedre tætning. - Med en 10 ml pipette, tilsættes den nødvendige mængde ionisk væske opløsning ind i trykrøret stående på skalaen. Brug kork ringe til at holde røret stående op. Noterer vægten af den ioniske væske tilsat. Tilsæt nødvendige mængde vand til opløsningen bestemt i 1.5.6 med en pipette, idet det antages densiteten af vand til at være 1 g / ml.
- Tilsæt nødvendige mængde lufttørret lignocellulose ved at placere et stykke aluminiumsfolie (dimensionerne 3 cm x 8 cm) på en balance, tarering balancen og vejning ud biomassen. Tarere vægten og tilføj biomassen til røret. Placer tomme folie tilbage på vægten og optage forskellen.
Bemærk: Alternativt kan antistatiske vejebåde anvendes. - Luk låget med en Teflon hætte med silikone O-ring. Check for en god tætning uden over-stramning. Man noterer vægten af pressure rør indeholdende biomasse og ionisk væske. Blande indholdet i røret ved anvendelse af en vortex-ryster, indtil alt biomassen er i kontakt med den ioniske væske.
Bemærk: Ikke alle O-ring materialer modstå at være i kontakt med ioniske væsker ved forhøjet temperatur. Vi fandt, at silikone fungerer godt. - Placer trykrørene i en ventileret ovn, der er blevet forvarmet til den ønskede temperatur. For eksempel forlade rørene i 8 timer ved 120 ° C eller i 1 time ved 150 ° C.
Bemærk: Tid og temperatur er vigtige eksperimentelle variabler. Andre tid - temperatur kombinationer kan anvendes. - Fjern hætteglassene fra ovnen ved hjælp af en ovn handske og placere dem i et stinkskab at lade dem køle af til stuetemperatur. Kontrollerer vægten af hætteglassene efter afkøling til forsikre ingen vand undslap under tilberedningen.
3. Pulp Wash
- Overfør indholdet af hvert rør i en 50 ml centrifugerør under anvendelse af 40 ml absolute ethanol. Ryst røret anvendelse af en vortex-ryster i 1 minut for at blande godt og lad røret ved stuetemperatur i mindst 1 time.
Bemærk: Adskillelsen kan også udføres ved hjælp af filtrering, dog kan der observeres mindre nøjagtighed for den foreslåede stikprøve. - Ryst røret anvendelse af en vortex-ryster i yderligere 30 sek, derefter centrifugeres i 50 min ved 2.000 x g. Separat væske og faststof ved omhyggelig dekantering. Opsamling af væsken i en ren 250 ml rundbundet kolbe med omrører.
- Tilsæt 40 ml frisk ethanol i 50 ml rør og gentag trin 3,2 tre gange.
- Fjerne ethanolen fra den ioniske væske ved at placere rundbundede kolber på en varmeblok. Forbinde hver af dem til en vakuumpumpe med en kold fælde. Fyld fælde med tøris og indstil opvarmning til 40 ° C. Tænd omrøring og pumpe.
Bemærk: Dette forsøg anvender en hjemmelavet parallel fordamper opsætning baseret på en parallel syntese set-up. Parallelle fordampere kan også være purchased færdige. Alternativt kan en rotationsfordamper kan anvendes.
- Fjerne ethanolen fra den ioniske væske ved at placere rundbundede kolber på en varmeblok. Forbinde hver af dem til en vakuumpumpe med en kold fælde. Fyld fælde med tøris og indstil opvarmning til 40 ° C. Tænd omrøring og pumpe.
4. Soxhlet Udvinding af Pulp
- Overfør den våde vaskede pulp i cellulose fingerbøl og mærke hver fingerbøl ved hjælp af en blyant.
- Fyld 150 ml absolut ethanol i en ren 250 ml rundbundet kolbe med omrører. Sæt prøven indeholder fingerbøl i en 40 ml Soxhlet, tilføje en kondensator og installere alt på den parallelle emhætte arbejdsstation tilsluttet en recirkulerende chiller.
Bemærk: Hvis ethanol blev anvendt til at overføre pulpen, tilsæt kun forskellen til 150 ml til den rundbundede kolbe. - Når alle prøver er indlæst, begynder omrøring, indstille temperaturen til 135 ° C, og tænd for recirculator (temperaturindstilling 18 ° C). Uddrag papirmasse prøver til 20 timer i alt.
- Slukke for varmen til at tillade tilbagesvaling for at gå i stå. Så skifter både omrøring og afkøling. Tag fingerbøl ud af Soxhletmed en pincet og lad den våde pulp tørre i fingerbøl natten over i et stinkskab.
- Tilsæt væsken fra Soxhlet ekstraktion til væsken fra biomassen vask og fortsætte afdampning af ethanol fra biomasse vask med den parallelle fordamper eller en rotationsfordamper ved 40 ° C.
- Overfør lufttørret papirmasse fra fingerbøl på et stykke tareret alufolie på en analysevægt, optage lufttørrede vægt af det ekstraherede pulp og overføre det til en mærket plastpose. Prøv at gendanne alt, mens ikke skrabe fingerbøl materiale ned fra væggen.
- Bestemme indholdet af pulpen fugt straks at beregne ovntørret udbytte (som tidligere vist i trin 1.4).
5. Lignin Isolation
- Når al ethanol er fordampet, udfælde lignin ved at overføre den ioniske væske fra rundbundet kolbe i et 50 ml centrifugerør ved hjælp af 30 ml vand. Bland suspensionen og lad i mindst 1 time.Centrifuger i 20 minutter ved 2.000 x g, og separere opløsningen fra faststoffet ved dekantering.
Bemærk: I denne protokol, er 3 ækvivalenter vand som antiopløsningsmiddel. Mindre antiopløsningsmiddel kan anvendes, hvis det ønskes. De vasker kan indsamles, det fjernede vand og den ioniske væske genvindes til gentagen brug. - Tilsæt 30 ml destilleret vand til lignin pellet inde i centrifugerør. Gentag blanding, inkubering i 1 time og centrifugering. Gentag dette trin for i alt 3 lignin vaske.
- Tør lignin inde centrifugeglasset under anvendelse af en vakuum ovn og en gennembrudt låg ved 45 ° C natten over. For at bestemme lignin udbytte, placere et stykke aluminiumfolie på balancen, tarere vægt, tilsæt lignin fra ovnen og massen noteres straks. Overfør lignin i et hætteglas til opbevaring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den nøjagtige mængde af lignin fjernelse og lignin udfældning, genvundet papirmasse og glucose udbytte afhænger af typen af biomasse, der anvendes, den temperatur, ved hvilken behandlingen køres og varigheden af behandlingen. Korte forbehandling tider og lave temperaturer fører til ufuldstændig forbehandling mens ved højere temperaturer cellulosen bliver ustabil i den ioniske væske, hvilket fører til hydrolyse og nedbrydning. Den valgte ioniske væske spiller også en vigtig rolle i resultatet af fraktioneringsproceduren.
Figur 1 viser sammensætningen af ubehandlet Miscanthus (græs) og fyr (nåletræ), og elefantgræs og fyr masse fremstillet efter forbehandling med triethylammonium HSO 4 i 8 timer ved 120 ° C (analyse af sammensætningen blev udført i overensstemmelse med NREL protokol). 21 det fremgår af figuren, at Ionosolv forbehandling ved thESE betingelser gav forskellige resultater for de to typer af biomasse. I tilfælde af græsset biomasse, blev det meste af lignin og hemicellulose fjernes, mens forbehandling af blødt træ hovedsageligt fjernet hemicelluloser og kun en lille mængde af lignin. Forskellen i resultatet af forbehandlingen var lige så udtalt, når de udvundne papirmasser blev underkastet enzymatisk forsukring. 22 Mens 77% af teoretisk glucose frigivelse blev opnået for elefantgræs, fyr gav kun 13%. Forskellen i lignin ekstraktion afspejles i lignin giver: 20% og 5% af oprindelig vægt biomasse udvundet som lignin af Miscanthus og fyr henholdsvis.
Forskellen i resultaterne forbehandling mellem de to fødematerialer tilskrives de forskellige typer af lignin til stede i græsser og blødt træ; G typen lignin af nåletræer er mere genstridig og sværere at fjerne end græs lignin.
Figur 1. Sammensætning af Miscanthus og fyr før og efter forbehandling med [triethylammonium] [HSO 4] med 20 vægt-% vand i 8 timer ved 120 ° C. Dette blev bestemt ved analyse af sammensætningen procedure NREL. 21 Se Anmodning 21 for en mere detaljeret protokol. klik her for at se en større version af dette tal.
Lignin kan karakteriseres ved heteronukleær Kvantekohærensen (HSQC) NMR-analyse, som viser, at etherbindinger spaltes under forbehandlingen mens nye CC-bindinger dannes. 19 Det er endvidere blevet vist, at molekylvægten, som kan anslås ved GPC, er meget lavere end for nativt lignin. På længere forbehandling gange den molekylære vægt øger skyldes kondensationsreaktioner. Omsætning af lignin med den ioniske væske er minimal som vist ved en marginal stigning af svovlindholdet og ingen forøgelse af nitrogenindholdet af ligninen over tid.
Yderligere analyse kan udføres, hvis af interesse. XRD-analyse af det udvundne cellulosepulp viser generelt høj krystallinitet. 17. Den genvundne ioniske væske væske kan analyseres ved HPLC for at detektere opløste sukkerarter og nedbrydningsprodukter deraf. 23
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Teknikken til fraktionering af lignocellulose-biomasse præsenteres her producerer en cellulose-rige pulp og en lignin. De fleste af de hemicelluloser opløses i den ioniske væske og hydrolyseret, men ikke inddrives. Hvis der ønskes hemicellulose sukkere, kan en hemicellulose pre-ekstraktion før Ionosolv delignificering være nødvendig. Det har hidtil været umuligt fuldstændigt at lukke massebalancen for biomassen, da det ikke er muligt at identificere og kvantificere alle fundne i den ioniske væske spiritus nedbrydningsprodukter, især dem, der stammer fra lignin. En detaljeret undersøgelse om genanvendelse og massebalance er i gang og forventes at blive offentliggjort snarest.
Ethanolen vask er nødvendig i små anlæg med henblik på at opnå gode separationer, som residual ionisk væske klæber til overfladen af pulpen kan reducere enzymaktivitet under forsukring og derved påvirke laboratorieskala analyse. Det skal bemærkes, atmængder af vask ethanol, der forbruges i denne protokol er ikke kompatible med opskalering og sandsynligvis ikke påkrævet, hvis processen skal drives på kommerciel skala.
Denne eksperimentelle oprettet udelukkende afhænger konvektion at lette masseoverføring. Omrøring forventes imidlertid at lette reaktionen og kan potentielt ændre krævede reaktionstider og lignin ekstraktionseffektiviteter.
Samlet set har fremlagt biomasse forbehandling protokol vist sig at være meget effektiv til fraktionering af lignocellulose biomasse. De vigtigste fordele i forhold vandige og mechanochemical (dvs. damp eksplosion) processer er forbedret selektivitet, dvs. en ren cellulosemasse og et oprenset lignin. En anden fordel er de relativt milde betingelser, hvorunder processen kan udføres. Fordele i forhold til andre lignin-solvatiserende processer (dvs. kraftpulpning eller organosolv forbehandling) er den enkle septemberrater og genvinding af opløsningsmidler på grund af den manglende volatiliteten i IL, sænke den investeringskapital. Det isolerede lignin er lugtfri. De præsenterede Ionosolv processen er i sin funktion meget lig den organosolv, der bruger syrnede vandige ethanol. Men som de ioniske væsker har et ubetydeligt damptryk (reduktion proces presset mod atmosfærisk), genbrug af opløsningsmidlet er forskellige, og eksponeringen for opløsningsmiddeldampe minimeres.
Sammenlignet med den ioniske væske under anvendelse vandfri, basiske ioniske væsker, såsom 1-ethyl-3-methylimidazolium acetat eller 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, som resulterer i en decrystallized cellulosemasse hvilket giver meget høje saccharificeringsprocesser udbytter, den anvendte proces her giver stige til lidt lavere glucose udbytter. 24 den foreliggende fremgangsmåde er fugt tolerant, derfor ikke kræver energi intensiv tørring, og bruger ioniske væsker, som meget lettere syntetiseret og derfor eorventet at være betydeligt billigere.
Som med enhver anvendelse af ioniske væsker, en af de vigtigste fordele er muligheden for at tune egenskaberne af den ioniske væske ved at variere kationen kerne, der spænder fra imidazolium til ammonium, og ved at ændre antal, længde, symmetri og substitution af alkylkæder på kationen. 25. i det særlige tilfælde af de protiske ioniske væsker, der anvendes i denne protokol, kan syren til basen forholdet og vandindholdet bruges til at designe opløsningsmidlet. 26, 27 dette giver anledning til opløsningsmidler med en lang række af polariteter, syrer, viskositeter og andre fysiske egenskaber.
Andre parametre, der kan justeres indbefatter biomasse lastning, forbehandling temperatur og tid, og additiver. Desuden vil omkostningerne i forbindelse med opløsningsmidler, udstyr og energitilførsel skal tages i betragtning og optimeres, hvis denne forbehandling mulighed er at blive anvendt i en kommerciel sammenhæng.
egenskaber, fx til fremstilling af harpikser eller aromatiske kemikalier, eller produktion af cellulose eller sukker afledt materialer og kemikalier. Protokollen kan bruges som et grundlag til at udtænke modificerede protokoller, fx anvendelse af større omrørte reaktorer eller kontinuerlig gennemstrømning reaktorer. Resultaterne af sådanne eksperimentelle undersøgelser vil give mulighed for tekno-økonomisk analyse af denne ioniske væske baseret fraktioneringsproces.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne anerkender Grantham Institute for Climate Change og Miljø, Klima-VIF og EPSRC (EP / K038648 / 1 og EP / K014676 / 1) til finansiering og Pierre Bouvier for at yde eksperimentelle data for fyrretræ forbehandlinger.
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
- Lewis, N. S., Nocera, D. G. Powering the planet: chemical challenges in solar energy utilization. Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 103 (43), 15729-15735 (2006).
- Dincer, I. Renewable energy and sustainable development: a crucial review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 4 (2), 157-175 (2000).
- Zweibel, K., Mason, J., Fthenakis, V.
- Lee, J. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. J. Biotechnol. 56 (1), 1-24 (1997).
- Carrott, P., Ribeiro Carrott, M. Lignin-from natural adsorbent to activated carbon: A review. Bioresour.Technol. 98 (12), 2301-2312 (2007).
- Cardona Alzate, C., Sánchez Toro, O. Energy consumption analysis of integrated flowsheets for production of fuel ethanol from lignocellulosic biomass. Energy. 31 (13), 2447-2459 (2006).
- Field, C. B., Campbell, J. E., Lobell, D. B. Biomass energy: the scale of the potential resource. Trends Biochem Sci. 23 (2), 65-72 (2008).
- Hoogwijk, M., et al. Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy. Biomass Bioenergy. 25 (2), 119-133 (2003).
- Goldemberg, J. Ethanol for a sustainable energy future. Science. 315 (5813), 808-810 (2007).
- Himmel, M. E., et al. Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production. Science. 315 (5813), 804-807 (2007).
- Mosier, N., et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresour.Technol. 96 (6), 673-686 (2005).
- Kumar, P., Barrett, D. M., Delwiche, M. J., Stroeve, P. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production. Ind Eng Chem Res. 48 (8), 3713-3729 (2009).
- Hu, F., Ragauskas, A. Suppression of pseudo-lignin formation under dilute acid pretreatment conditions. RSC Advances. 4 (9), 4317-4323 (2014).
- Chakar, F. S., Ragauskas, A. J. Review of current and future softwood kraft lignin process chemistry. Ind Crop Prod. 20 (2), 131-141 (2004).
- Mutjé, P., Pelach, M., Vilaseca, F., García, J., Jiménez, L. A comparative study of the effect of refining on organosolv pulp from olive trimmings and kraft pulp from eucalyptus wood. Bioresour.Technol. 96 (10), 1125-1129 (2005).
- Zhao, X., Cheng, K., Liu, D. Organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic hydrolysis. Appl. Microbiol. Biotechnol. 82 (5), 815-827 (2009).
- Brandt, A., Gräsvik, J., Hallett, J. P., Welton, T. Deconstruction of lignocellulosic biomass with ionic liquids. Green Chem. 15, 550 (2012).
- Chen, L., et al. Inexpensive ionic liquids:[HSO 4]−-based solvent production at bulk scale). Green Chem. 16 (6), 3098-3106 (2014).
- Brandt, A., Chen, L., van Dongen, B. E., Welton, T., Hallett, J. P. Structural changes in lignins isolated using an acidic ionic liquid water mixture. Green Chem. 17, 5019-5034 (2015).
- Sluiter, A., et al. NREL/TP-510-42621. Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples. , (2008).
- Sluiter, A., et al. NREL/ TP - 510 - 42618Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. , (2011).
- Resch, M. G., Baker,, Decker, S. R. NREL/TP-5100-63351. Low Solids Enzymatic Saccharificatin of Lignocellulosic Biomass. , (2015).
- Brandt, A., Ray, M. J., To, T. Q., Leak, D. J., Murphy, R. J., Welton, T. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
- Aver, K., Scortegagna, A., Fontana, R., Camassola, M. Saccharification of ionic-liquid-pretreated sugar cane bagasse using Penicillium echinulatum enzymes. J Taiwan Inst Chem Eng. 45 (5), 2060-2067 (2014).
- George, A., et al. Design of low-cost ionic liquids for lignocellulosic biomass pretreatment. Green Chem. 17 (3), 1728 (2015).
- Verdía, P., Brandt, A., Hallett, J. P., Ray, M. J., Welton, T. Fractionation of lignocellulosic biomass with the ionic liquid 1-butylimidazolium hydrogen sulfate. Green Chem. 16 (3), 1617-1627 (2014).
- Brandt, A., et al. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
