リグノセルロース系バイオマスをプロトン性の低コストイオン液体で前処理し、その結果、脱リグニン化されたセルロースリッチパルプと精製リグニンが得られます。パルプは、酵素糖化後に高いグルコース収率を生じさせます。
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リグノセルロース系バイオマスをプロトン性の低コストイオン液体で前処理し、その結果、脱リグニン化されたセルロースリッチパルプと精製リグニンが得られます。パルプは、酵素糖化後に高いグルコース収率を生じさせます。
経済的に魅力的な生産コストを持つ多くのイオン液体(IL)は、最近、さまざまなリグノセルロース原料の脱リグニン化のための媒体として関心が高まっています。ここでは、リグノセルロース系バイオマスの分解(イオノソルブ前処理)におけるこれらの低コストのプロトン性ILの使用を実証し、セルロースと精製リグニンを生成します。最も一般的なプロセスでは、プロトン性イオン液体は、水性酸とアミン塩基の正確な組み合わせによって合成されます。水分含有量はその後調整されます。脱リグニンのために、バイオマスを高温でIL溶液の入った容器に入れてリグニンとヘミセルロースを溶解し、糖化(発酵性糖への加水分解)の準備が整ったセルロースに富むパルプを残します。リグニンは、後で水を加えることによってILから沈殿し、固体として回収されます。加えられた水を取り除くと、イオン液体が再生され、複数回再利用することができます。このプロトコルは、バイオ燃料や再生可能な化学物質や材料を製造するための商業的なバイオマス前処理/リグニン分画に使用するためのプロトン性ILの大きな可能性を調査するのに役立ちます。
持続可能な人類のエネルギー需要を満たすことが我々の文明が直面する最大の課題の一つです。エネルギー使用量は、化石燃料資源に大きな負担をかけ、今後50年間で倍増すると予測される。1 CO 2は、燃焼から発生するとして広く普及し、化石燃料の使用による大気中の温室効果ガス(GHG)の蓄積は、特に問題となります化石燃料は、人為的温室効果の50%を担当しています。2したがって、再生可能でカーボンニュートラル技術の大規模なアプリケーションは、将来の世代の増加、エネルギーや材料のニーズを満たすために不可欠である。1、3
熱、電気、ならびに炭素系化学物質、物質および燃料を産生するために使用することができる植物バイオマスは、最も汎用性の高い再生可能な資源です。他のバイオマスの種類を超えるリグノセルロース系バイオマスの主な利点は、その豊富な、高収率のPEのための潜在的ですr個の土地の面積と、多くの場合、土壌中の炭素の高い保持を含み、はるかに高いCO 2排出量の削減、。4、バイオマスを使用しての5その他の利点は、ローカルの可用性、低資本要件エネルギーにバイオマスを変換するため、および土壌浸食防止を含む。8
リグノセルロース原料の主要な生産は、林業や農業分野だけでなく、都市廃棄物管理である。6リグノセルロース生産が森林伐採を制限し、食用作物や潜在的な汚染物質の放出交換を回避する心で、展開する可能性を秘めている。7再生可能なバイオマスが液体輸送燃料や化学物質の実行可能な広範囲の源になるためには、その処理は、化石燃料の変換技術と経済的に競争力になる必 要があります。9、10、これを達成するための鍵を削減しながら、バイオマス由来の中間体の収量と品質を高めることですコスト。
リグノセルロースは、触媒および微生物変換を経由して燃料や化学物質に変換することができ、糖の割合が高いが含まれています。11これらの糖は、セルロースやヘミセルロースなどのポリマー形態でリグノセルロース中に存在しています。これらは、グルコースおよび他の糖モノマーに加水分解した後、バイオエタノールおよび他の生物由来の化学物質および溶媒を製造するために使用することができる。12
セルロース系糖をアクセスするためには、バイオマスの前処理は、物理的、化学的、または複合プロセスを通じて必要がある。4前処理は間違いなくリグノセルロース系バイオマスの物価安定政策の中で最も高価なステップです。したがって、改善された前処理プロセスの研究が不可欠です。
様々な前処理技術が利用可能です。特に興味深いのは、セルロース(fractionative前処理)からリグニンを分離するものです。リグニン、第3の主要コンポーネントでリグノセルロース、セルロースやヘミセルロースにエージェントを加水分解の限界へのアクセスとは、原料のトン当たり糖収量が減少します。11それは、適切な品質で単離される場合に分離リグニンは、中間の追加のバイオリファイナリーとして利用することができる。13 One fractionativeプロセスは、クラフト法であります紙/セルロースの製造のための最も一般的な前処理です。クラフトパルプ化では、木材チップを水酸化ナトリウムと硫化ナトリウムと高圧下の周りに170°Cの高温で加熱された混合物中に配置されている。14、アルカリ性反応は、求核介し短い断片にポリマーを分解し、ヘミセルロース及びリグニンを除去し塩基触媒、及びフェノール性水酸基/アルコール基の脱プロトン化を介して、リグニン断片を溶解することによって。別の一般的な脱リグニンプロセスはまた、フラグメント化リグニンやヘミセルロースを溶解オルガノプロセスです。むしろアルカリaqueoを使用するよりも米国溶液は、例えばエタノール、酢酸等の有機溶剤が160〜200℃で5〜30バールの圧力の範囲の高温で使用されます。オルガノ前処理は、それがより少ない空気や水の汚染を生成することでパルプ化クラフトを超えるいくつかの利点があります。15むしろセルロースよりも、化学物質や燃料の生産のために使用した場合の両方のプロセスは、いくつかの経済的課題を有している。16 Ionosolvの前処理はその塩であるイオン性液体を、使用していますそれらの強力なクーロン相互作用は、非常に低い蒸気圧の結果、100℃以下の融点を有し、17これは、前処理工程において大気汚染を排除し、そして大気圧または大気圧近傍の処理を可能にします。
ほとんどのILが面倒、多段階合成で作成されているが、プロトン性イオン液体は、それらはより高価になる汎用化学品から一段階プロセスで合成することができます。のためにいくつかのイオン液体は、バルクスケールで製造することができたと推定されていますアセトン、トルエン18比較的低い温度および圧力で動作するプロセスでこれらのカスタマイズ可能なイオン液体をリサイクルして再利用する機能など、一般的な有機溶媒に匹敵するキログラム当たり$ 1.24価格はより良性の代替と経済的に魅力的な候補にこれを作りますバイオリファイニングのために。
この詳細ビデオプロトコルは、リグノセルロース系バイオマスの脱リグニンとセルロースが豊富なパルプだけでなく、高純度無臭リグニンの回復の最終的な酵素糖化のためのIonosolvプロセスの実験室規模のバージョンを示しています。19
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注:いくつかはあるか、または商業的に利用可能になるかもしれませんがプロセスで使用されるプロトン性イオン液体は、我々の研究室で合成されます。得られたイオン液体は、酸性及び腐食性(使用されるアミンに応じて)は、おそらく皮膚/眼刺激物であるため、適切なPPE(白衣、安全仕様、耐熱手袋)を着用して注意して取り扱わなければなりません。
1.準備
式。 1
式。 2
式。 3
式。 4
式。 5
式。 6 2.前処理
注:プロセスは(数日間)または(長期間)冷蔵庫に室温でサンプルを残すことによって任意の時点で中断されてもよいです。
3.パルプウォッシュ
パルプの4ソックスレー抽出
5.リグニンの分離
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リグニン除去及びリグニン析出の正確な量、パルプ及びグルコース収率は使用したバイオマスの種類、処理が実行される温度および治療期間に依存して回復しました。より高い温度でセルロースが加水分解や劣化につながる、イオン液体中に不安定になりながら、短い前処理時間と低い温度が不完全な前処理につながります。選択されたイオン性液体はまた、分別手順の結果に重要な役割を果たしています。
図1は、120°C(組成分析は、NRELのプロトコルに従って行った)で8時間、トリエチルHSO 4で前処理した後に得られた未処理のススキ(草)と松(針葉樹)、およびススキと松パルプの組成を示す。21これは、図から明らかなその目でIonosolv前処理ESE条件は、バイオマスの2つのタイプのために異なる結果が得られました。針葉樹の前処理は、主にヘミセルロース及びリグニンの少量を除去しながら、草バイオマスの場合には、...
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ここで紹介するリグノセルロース系バイオマスの分別のための技術は、セルロースが豊富なパルプとリグニンを生成します。ヘミセルロースの大部分は、イオン液体に溶解し、加水分解が、リカバリされません。ヘミセルロース糖が所望される場合、Ionosolv脱リグニンの前にヘミセルロース予備抽出工程が必要であってもよいです。イオン性液体の液中に検出されたすべての分解生成物、リグニンから生じる、特にものを特定し、定量化することは不可能であるように、これまでのところ、完全にバイオマスのための質量バランスを閉鎖することはできませんでした。リサイクルとマスバランスに関する詳細な研究が進行中であり、まもなく公開される予定です。
パルプの表面に付着した残留イオン液体は、それによって実験室規模の解析をバイアス、糖化の間に酵素活性を低下させることができるようにエタノール洗浄は、優れた分離を達成するために小規模で必要です。これは、ことに留意すべきですこのプロトコルで消費洗濯容量のエタノールは、スケールアップと互換性がありませんし、プロセスは、商業規模で動作させる場合は、おそらく必要ありません。
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著者らは、開示することは何もありません。
著者らは、松の前処理のための実験データを提供するための資金とピエール・ブーヴィエのための気候変動と環境のためのグランサム研究所、気候-KICとEPSRC(EP / K038648 / 1およびEP / K014676 / 1)を認めます。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| IL synthesis | |||
| Round bottom flask, with standard ground joint 24/29 NS, 1,000 ml | Lenz | 3 0024 70 | VWR 商品コード 271-1309 |
| 250 ml 追加漏斗, 目盛り付き, 29/26 ジョイントサイズ, 0-4 mm PTFEバルブ | GPE | CG-1714-16 | |
| 皿型デュワーフラスコ、SCH 31 CAL | KGW-Isotherm | 1197 | |
| メスフラスコ、200 ml | VWR | 612-3745 | |
| コルクリング、パスツールピペットとティート、脱イオン水洗浄ボトル、大型マゼンティックスターバー< | |||
| ヘビーデューティカッティングミルSM2000 | レッチ | カ | ッティングミルSM200(20.728.0001)に置き換えられました |
| 底ふるい(10メッシュの正方形の穴、粒子サイズ<2 mm) | レッチ | 03.647.0318 | カッティングミル |
| 分析ふるいシェーカーAS200 | Retschの一部 | 30.018.0001 | ふるい分け機 |
| テストふるい200ミリメートルØの一部;×50ミリメートル高さISO 3310/1(180ミリメートル&マイクロ;m) | レッチ | 60.131.000180 | るい分け機 |
| テストふるい200ミリメートルØの一部;×50ミリメートル高さISO 3310/1(850ミリメートル&マイクロ;m) | レッチ | 60.131.000850 | ふるい分け機の一部 |
| 収集パン、ステンレス鋼、200 mm Ø, 高さ50 mm | Retsch | 69.720.0050 | るい分け機 |
| ロータリー蒸発器 | |||
| ロータリー蒸発器(Rotavapor R-210) | ブチ | 生産終了 | ロタバポエR-300 |
| ウォーターバス(加熱バスB-491) | に | 48201 | ロータリーエバポレーターの一部 |
| リサーキュレーター | Julabo | F25 | ロータリーエバポレーターの一部 |
| 真空ポンプ (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | ロータリーエバポレーターの一部 |
| 真空コントローラー (真空制御ボックス VCB 521) | Ilmvac GmbH | 600053 | ロータリーエバポレーター |
| Parallel evaporator | |||
| >StarFish ベースプレート 135 mm(ラドリーズ&用IKA) | Radleys | RR95010 | パラレルエバポレーター |
| モノブロック 5 x 250用 mlフラスコラ | ドリーズ | RR95130 | パラレルエバポレーターの一部 |
| ラドリー付き | 伸縮式5ウェイクランプ | RR95400 | パラレルエバポレーターの一部 |
| ガス/バキュームマニホールド コネクタ付き | ラドリー | RR95510 | パラレルエバポレーターの一部 |
| 650 mmロッド | ・ラドリーズ | RR95665 | パラレルエバポレーターの一部 |
| クイックリリースオス、R / Aバーブ6.4 mm + シャットオフ (3.2 mm ID) | Radleys | RR95520 | 平行蒸発器の一部 |
| 攪拌機/ホットプレート | Radleys | RR98072 | ソックスレー抽出器の一部 |
| 温度調節 | Radleys | RR98073 | ソックスレー抽出器の一部 |
| 楕円形攪拌棒 15 mm 希土類 | ラドリーズ | RR98097 | パラレルエバポレーターの一部 |
| 真空コールドトラップ、プラスチックコーティング、PTFEストップコック | Chemglass | CG-4519-01 | 並列蒸発器の一部 |
| 真空ポンプ(MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | 並列蒸発器の一部 |
| タイゴンチューブ E-3603、6.40 mm(内部)12.80 mm (外部) | サンゴバン/VWR | 228-1292 | パラレルエバポレーターの一部 |
| 平行ソックスレー抽出器 | |||
| >StarFishベースプレート135 mm(ラドリーズ&用IKA) | ラドリーズ | RR95010 | ソックスレーエクストラクターの一部 |
| モノブロック 5 x 250用 mlフラスコラ | ドリーズ | RR95130 | ソックスレーエクストラクターの一部 |
| ラドリー | 付き伸縮式5ウェイクランプ | RR95400 | ソックスレーエクストラクターの一部 |
| シリコンストラップとロングハンドル付き伸縮式5ウェイクランプ | Radleys | RR95410 | ソックスレーエクストラクターの一部 |
| コネクタ付きウォーターマニホールド | Radleys | RR95500 | ソックスレーエクストラクターの一部 |
| 650 mmロッド | ・ラドリーズ | RR95665 | ソックスレーエクストラクターの一部 |
| クイックリリースオス、R / Aバーブ6.4 mm + シャットオフ (3.2 mm ID) | ラドリーズ | RR95520 | ソックスレーエクストラクターの一部 |
| 標準グランドジョイント付きコイルコンデンサー 29/32 NS | Lenz | 5.2503.04 | ソックスレーエクストラクターの一部 |
| エクストラクターソックスレー40 mlホウケイ酸ガラス29/32ソケット24/29コーン | クイックフィット | EX5/43 | ソックスレーエクストラクターの一部 |
| スターラー/ホットプレート | Radleys | RR98072 | ソックスレー抽出器の一部 |
| 温度調節器 | Radleys | RR98073 | ソックスレー抽出器の一部 |
| リサーキュレーター | グラント | LTC1 | ソックスレー抽出器の一部 |
| セルロース抽出シンブル | Whatman | 2280-228 | |
| ピンセット | エクセルタ | 20A-S-SE | |
| 真空乾燥オーブン | バインダー | VD 23 | 真空オーブンの一部 |
| デュワー容器 2 L 100 x 290 ハンドル付きmm | KGW-Isotherm | 10613 | 真空オーブンの一部 |
| 真空トラップ | GPE | CG-4532-01 | 真空オーブンの一部 |
| その他の機器 | |||
| 分析天びん | A&D | GH-252 | 精度 ± 0.1 mg |
| 容量カール・フィッシャー滴定装置 | メトラー・トレド | V20 | |
| 10 ml 使い捨てピペット | Corning Inc | Costar 4101 10 mL ストリップ | |
| エッペンドルフ リサーチ プラス ピペット、可変容量、容量 100-1,000 μl | Eppendorf | 3120000062 | |
| Desiccator | Jencons | JENC250-028BOM | |
| Ace 圧力チューブブッシュタイプ、フロントシール、ボリューム 15 ml | エースグラス | 8648-04 | |
| エースOリング、シリコン、2.6 mm、I.D. 9.2 んん | 7855216 | 圧力管ボル | |
| テックスシェー | カーVWRインターナショナル | 444-1378(英国) | |
| ファンアシスト対流オーブン | ThermoScientific | HeraTherm OMH60 | |
| オーブングローブ(クルセイダーフレックス) | アンセルエドモント | 42-325 | |
| 250 ml丸底フラスコシングルネックグランドジョイント24/29(パイレックス) | クイックフィット | FR250/3S | |
| ロタフロ ストップコック アダプター コーン付き 24/29 | ロタフロ イングランド | MF11/2/SC | |
| 50 ml ファルコン チューブ | ヘレウス/ケンドロ | ヘラ 76002844 | |
| 遠心分離機 (メガスター 3.0) | VWR | 521-1751 | |
| Reagents | |||
| >Ethanol absolute | VWR | 20820.464 | |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | T0886 | |
| 硫酸 5 mol/L (10 N) AVS TITRINORM容積式溶液 Safe-break bottle 2.5 L | VWR | 191665V | |
| 精製水 (15 MΩ ressitance) | Elga | CENTRA R200 | |
| リグノセルロース系バイオマス | |||
| >Miscanthus X gigantheus | |||
| Pinus sylvestris | |||
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