Introduction
спрос на энергию человечества собрания устойчиво является одной из самых больших проблем, с которыми сталкивается наша цивилизация. Использование энергии, по прогнозам, удвоится в течение следующих 50 лет, положив большую нагрузку на ископаемых топливных ресурсов. 1 Накопление парниковых газов (ПГ) в атмосфере за счет широко распространенного использования ископаемого топлива особенно проблематично, так как CO 2 , полученные от сжигания ископаемого топлива несет ответственность за 50% антропогенного парникового эффекта. 2 Таким образом, масштабное применение возобновляемых и нейтральных углеродных технологий имеет важное значение для удовлетворения повышенных энергетических и материальных потребностей будущих поколений. 1, 3
Растительная биомасса является наиболее универсальным возобновляемым ресурсом, так как он может быть использован для производства тепла, электроэнергии, а также на основе углерода химических веществ, материалов и топлива. Основные преимущества биомассы лигноцеллюлозы по сравнению с другими видами биомассы являются его изобилие, потенциал для высоких урожаев рэг площадь земли и зачастую намного выше экономии выбросов CO 2, который включает в себя высокое удержание углерода в почве. 4, 5 Дополнительные преимущества использования биомассы включают местную доступность, низкие требования к капиталу для преобразования биомассы в энергию, а также предотвращение эрозии почвы. 8
Основные производители лигноцеллюлозного сырья являются лесная промышленность и сельское хозяйство, а также управление бытовыми отходами. 6 Лигноцеллюлоза производство имеет потенциал , чтобы быть расширен, с ума , чтобы ограничение вырубки лесов и избежать замены продовольственных культур и высвобождения потенциальных загрязнителей. 7 для получения возобновляемой биомассы , чтобы стать жизнеспособным распространенным источником жидких транспортных топлив и химических веществ, его переработка должна стать экономически конкурентоспособным по сравнению с технологиями преобразования ископаемого топлива. 9, 10 ключ к достижению этой цели является повышение урожайности и качества промежуточных продуктов из биомассы , полученных при одновременном снижении стоимость. </ Р>
Лигноцеллюлоза содержит большое количество сахаров , которые могут быть превращены в топливо и химикаты через каталитические и микробиологических превращений. 11 Эти сахара присутствуют в лигноцеллюлозы в полимерной форме , как целлюлозы и гемицеллюлозы. Они могут быть гидролизованы в глюкозу и другие сахарные мономеры , а затем используется для производства биоэтанола и других биологических полученных химикатов и растворителей. 12
Для того , чтобы получить доступ к целлюлозных сахаров, предварительная обработка биомассы необходимо с помощью физических, химических или комбинированных процессов. 4 предварительной обработки, возможно, самый дорогостоящий шаг в валоризации биомассы лигноцеллюлозы. Поэтому исследования в области совершенствования процессов предварительной обработки является обязательным условием.
Различные технологии предварительной обработки доступны. Особый интерес представляют те, которые отделяют лигнина из целлюлозы (fractionative предварительной обработки). Лигнин, третий главный компонентлигноцеллюлозу, ограничивает доступ гидролизовать агентов к целлюлозы и гемицеллюлозы и снижает выход сахара на тонну исходного материала. 11 Отделенный лигнина может быть использован в качестве дополнительного Biorefinery промежуточного , если она изолирована в подходящем качестве. 13 Один fractionative процесс является процессом Крафт , который является наиболее распространенной для предварительной обработки для производства бумаги / целлюлозы. В крафт - варки целлюлозы, древесной щепы помещают в смеси гидроксида натрия и сульфида натрия и нагревают при повышенных температурах около 170 ° С под высоким давлением. 14 Щелочные реакции удаления гемицеллюлозы и лигнина путем разрушения полимеров до коротких фрагментов с помощью нуклеофильного и основной катализ, а также путем растворения фрагментов лигнина с помощью де-протонирования фенольной гидроксильной / спиртовых групп. Другой распространенный процесс делигнификации процесс Organosolv который также фрагменты и растворяет лигнин и гемицеллюлозы. Вместо того чтобы использовать щелочной aqueoнам решение, органические растворители, такие как этанол и уксусную кислоту используют при высоких температурах в диапазоне от 160-200 ° С и давлении 5-30 бар. Organosolv предварительная обработка имеет ряд преимуществ по сравнению с сульфатной варки в том , что она производит меньше загрязнения воздуха и воды. 15 Оба процесса обладают некоторыми экономическими проблемами, если они используются для производства химикатов и топлива , а не целлюлоза. 16 Предварительная обработка Ionosolv использует ионные жидкости, которые являются соли, имеют температуру плавления ниже 100 ° с и, в результате их сильных кулоновских взаимодействий, очень низким давлением паров. 17 Это исключает загрязнение воздуха в процессе предварительной обработки, а также позволяет обрабатывать при атмосферном или близком к давлению.
В то время как большинство ILs созданы в трудоемкий, многостадийных синтезах, протонные ILs могут быть синтезированы в одностадийном процессе из товарных химических веществ, что делает их менее дорогими; предполагается, что некоторые ILs может быть получен при объемном масштабе дляцена $ 1.24 за кг, что сравнимо с обычными органическими растворителями , такими как ацетон и толуол. 18 Способность перерабатывать и повторно использовать эти настраиваемые ИЖ в процессе , который работает при сравнительно низких температурах и давлениях , делает это более доброкачественный альтернативный и экономически привлекательным кандидатом для Biorefining.
Этот подробный протокол видео демонстрирует лабораторном версию процесса Ionosolv для делигнификации биомассы лигноцеллюлозы и в конечном итоге ферментативного осахаривания целлюлозы обогащенной целлюлозы, а также восстановление высокой чистоты без запаха лигнина. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Примечание: протонный ионные жидкости, используемые в процессе, синтезируют в нашей лаборатории, хотя некоторые из них могут быть или стать коммерчески доступными. Полученные ионные жидкости являются кислыми и коррозионные и, вероятно, кожи / раздражение глаз (в зависимости от используемого амина), и, следовательно, должны быть обработаны с осторожностью носить соответствующей индивидуальной защиты (халата, спецификации безопасности, стойкие перчатки).
1. Подготовка
- Подготовка и хранение лигноцеллюлозного биомассы
- Получение лигноцеллюлозного биомассы до эксперимента в достаточном количестве, например 100 г до 5 кг.
Примечание: В каждом эксперименте требуется по меньшей мере 3 г биомассы (1 г каждая) в трех экземплярах. - Уменьшить содержание влаги вскоре после сбора урожая и хранения биомассы в воздушно-сухой форме в лаборатории. Высушите биомассы за счет распределения биомассы на столе или скамейке и оставить его в течение 2 недель или пока не появится сухой. Перемещение и превратить биомассу во время тего время, чтобы ускорить процесс. Выполните эксперименты фракционирования в течение года сбора урожая.
Примечание: Сразу после сбора урожая, древесная биомасса может содержать до 50 мас% влаги, в то время как воздух высушенной биомассы, которая является более стабильной, содержит 5-12 мас% влаги. - Измельчить и просеять биомассы до выбора диапазона размеров частиц. Храните высушенную биомассу в полиэтиленовых пакетах или других подходящих контейнеров до использования.
Примечание: Для небольших образцов, обработанных в этом протоколе, уменьшенный размер частиц рекомендуется, например, 180-850 мкм.
- Получение лигноцеллюлозного биомассы до эксперимента в достаточном количестве, например 100 г до 5 кг.
- Определение содержания влаги в биомассе ( в соответствии с протоколом NREL) 20
- Для того, чтобы определить содержание влаги в биомассе, preweigh кусок алюминиевой фольги (размер примерно 5 см х 5 см) на аналитических весах и записать вес фольги (фольги м). Взвесить примерно 100 мг сушат на воздухе биомассы на алюминиевую фольгу и записать точное воздушно-DRIэд вес (м ADW).
- Сложить алюминиевой фольги, чтобы сделать пакет и поместите его в вентилируемой печи при температуре 105 ° С в течение ночи (по меньшей мере, в течение 4 ч).
- Возьмите пакетик, и поместить его сразу в эксикаторе в течение 5 минут, затем взвешивают пакет сразу и записать точный вес высушенной в сушильном шкафу веса плюс фольга (м ODW + фольга). Рассчитывают содержание влаги (в%) биомассы тс БМ в соответствии с уравнением 1:
Уравнение. 1
Где м ODW + фольга вес высушенной в сушильном шкафу пакет (высушенную в печи биомассы плюс фольга), м фольга вес фольги и м СРФС является воздушно-сухой вес биомассы. Все веса должны быть либо в граммах или в мг.
- Синтез ионной жидкости
- В вытяжном шкафу или фазоинверторах, весят 1 мольамина (триэтиламина) в 1 л круглодонную колбу, оснащенную магнитной мешалкой. Колбу помещают на баню со льдом на магнитной мешалке пластине. Добавьте капельную воронку 250 мл немедленно свести к минимуму испарение амина.
Примечание: Обеспечение правильной кислоты: соотношение основание имеет большое значение для достижения воспроизводимости экспериментов предварительной обработки. - Отмерить 1 моль серной кислоты с использованием раствора известной концентрации (в данном примере 5 моль / л) и мерную колбу (200 мл). Перенести серной кислоты в капельную воронку и прополоскать любую кислоту, прилипшего к стенкам мерную колбу в капельную воронку деионизированной водой.
- Добавляют по каплям серной кислоты в амин при энергичном перемешивании. Убедитесь, что раствор не нагревается, так как это привело бы к кипячении амина и неточной отношение кислоты к основанию. Промыть внутрь капельной воронки с использованием деионизированной воды, чтобы обеспечить кислоту передают количественно.
Заметка: Более крупные порции раствора в ионной жидкости может быть сделано путем увеличения количества амина и серной кислоты, а также объем опоки соответствующим образом. - Выпаривают большую часть воды с использованием роторного испарителя. Содержание воды должно быть ниже, чем содержание воды, которое требуется для предварительной обработки.
Примечание: Не нужно полностью высушить ионную жидкость. Это может быть полезным, чтобы оставить некоторое количество воды в ионной жидкости, в качестве сушеных ионных жидкостей, в том числе сульфата Триэтиламмониевую водорода, являются твердыми при комнатной температуре. Замораживание сушилка также может быть использован для снижения содержания воды.
- В вытяжном шкафу или фазоинверторах, весят 1 мольамина (триэтиламина) в 1 л круглодонную колбу, оснащенную магнитной мешалкой. Колбу помещают на баню со льдом на магнитной мешалке пластине. Добавьте капельную воронку 250 мл немедленно свести к минимуму испарение амина.
- Проверка и регулировка содержания воды раствора IL
Примечание: Содержание воды является важной экспериментальной переменной. Есть три источника, что вода в предварительной обработки смеси могут прийти от. Все они должны быть приняты во внимание следующее: (1) вода, содержащаяся в синтезированном или купленного ионном растворе жидкости (2) вода, содержащаяся в тон сушат на воздухе и биомассы (3) любое количество воды, добавленной с пипеткой для достижения конечного желаемого содержания воды.- Определение содержания воды в синтезированном или купленного ионном растворе жидкости путем объемного титрования по методу Карла Фишера в соответствии с инструкциями изготовителя титратор. Добавьте несколько капель IL в титратор с использованием предварительно взвешивают шприц. Введите вес жидкости, добавляемой в титраторе и подождать, пока не появится титратором чтение. Записывают содержание воды.
- Принятие решения о содержании воды для предварительной обработки биомассы. В этом эксперименте используют 20% масс. Уменьшить содержание воды 5% вес ниже требуемого содержания воды с использованием роторного испарителя и подтвердить новое содержание воды титрованием по Карлу Фишеру, как описано в 1.4.1.
Примечание: Хорошие результаты получают с 20% по весу воды; Однако это не всегда может быть оптимальным для предварительной обработки. Более высокое содержание воды может быть выбран для того, чтобы уменьшить стоимость растворителя или более низкой вязкостью.
<LI> Расчеты для эксперимента. - Принятие решения о количестве раствора в ионной жидкости м золе, окончательное и биомассы для растворителя отношение BM / золь окончательным. Здесь используют 10 г ионной жидкости раствора, содержащего 20 мас% воды и соотношение биомассы к растворителем 1:10 г / г.
Примечание: Трубки, используемые в настоящем протоколе может поместиться до 18 г раствора IL, если биомасса растворителем соотношение составляет 1:10 (вес / вес). Высокий коэффициент биомассы для растворителя (до 1: 2 или даже 1: 1) выгодно с экономической точки зрения, но может поставить под угрозу эффективность предварительной обработки при небольших масштабах. - Определить количество (безводных) ионной жидкости, необходимой для каждого образца в соответствии со следующим уравнением 2:
Уравнение. 2
Где м новская требуемое количество ионной жидкости в граммах, м золе, окончательное является желаемое количество ионного жидкого раствора в граммах, и туалет окончательный </ Суб> является искомым содержание воды (в%) в ионной жидкости. - Далее, вычислить количество синтезированного или купленного раствора в ионной жидкости, чтобы быть добавлены в каждую пробирку под давлением в соответствии со следующим уравнением 3:
Уравнение. 3
Где м золь количество раствора для добавления в каждую пробирку под давлением (в граммах), м ИЛ является требуемое количество ионной жидкости (в граммах), и WC золь является содержание воды в ионной жидкости (в%) как определено титрованием по Карлу Фишеру. - Определить, которые должны быть добавлены к ионной жидкости, используя ниже уравнение 4 количество биомассы (высушенной в сушильном шкафу веса). В этом эксперименте используют 1 г высушенной в сушильном шкафу Miscanthus биомассы на трубе высокого давления.
Уравнение. 4
Где ODW это количество биомассы следует добавитье изд в каждую пробирку под давлением (в граммах), м золе, финал желаемое количество ионного жидкого раствора (в граммах) и BM / золь окончательным является искомым отношение биомассы к ионной жидкости раствора. - Определяют массу высушенного на воздухе биомассы, который должен быть добавлен в трубку с помощью следующей формулой 5:
Уравнение. 5
где СРФС является вес воздушной сушке биомассы , которые будут добавлены в пробирку (в граммах), ODW в печи вес высушенной биомассы , необходимой для эксперимента (определено в 1.5.4 в граммах) и MC БМ является значение определены в 1.2.3. - Подсчитайте, сколько воды необходимо добавить пипеткой, чтобы достичь желаемого конечного содержания воды в соответствии со следующим уравнением 6:
Уравнение. 6
Где м вода количествовода добавл, туалет окончательный является желаемое содержание воды в смеси для предварительной обработки (здесь 20% вес), м sol.final является количество растворителя (здесь 10 г), MC БМ является содержание влаги в высушенной воздухом биомассы , м БМ является количество высушенного на воздухе биомассы следует добавить, WC золь является содержание воды в синтезированном или приобретенного раствора в ионной жидкости, и м золь является количество раствора в ионной жидкости.
Уравнение. 1 
Уравнение. 2 
Уравнение. 3 
Уравнение. 4 
Уравнение. 5 
Уравнение. 6 2. Предварительная обработка
Примечание: Процесс может быть прервана в любой момент, оставляя образцы при комнатной температуре (в течение нескольких дней) или в холодильнике (в течение более длительных периодов).
- Предварительно весят три 15 мл пробирки под давлением с тефлоновыми крышками и кольцами силикона O. Осмотрите трубы высокого давления, чтобы убедиться, что они не имеют никаких трещин или дефектов.
Примечание: Большие трубы под давлением более подходящему ионной жидкости и биомассы могут быть использованы при желании, хотя предварительная обработка результатов не будетбыть непосредственно сопоставимы между образцами, обработанных в разных флаконах размеров. Мы рекомендуем использовать передние уплотнения крышек для лучшей герметизации. - С 10 мл пипетки, добавляют необходимое количество раствора в ионной жидкости в положении трубки давление на шкале. Используйте пробковые кольца, чтобы держать трубку стоя. Записывают массу раствора в ионной жидкости добавлен. Добавьте необходимое количество воды в растворе, определенной в 1.5.6, используя пипетку, предполагая, что плотность воды равной 1 г / мл.
- Добавить требуемое количество высушенного на воздухе лигноцеллюлозы путем размещения кусок алюминиевой фольги (размеры 3 см х 8 см) на весах, тарирование баланс и отвесить биомассы. Тарирования и добавьте биомассы к трубе. Поместите пустую фольгу обратно на весы и запишите разницу.
Примечание: В качестве альтернативы, можно использовать антистатический весом лодки. - Закройте крышку с тефлоновой крышкой с силиконовым кольцом. Проверьте наличие хорошее уплотнение без чрезмерного натяжения. Запишите вес рия пробирки, содержащие биомассу и ионной жидкости. Смешайте содержимое пробирки с помощью вихревого шейкер, пока вся биомасса не находится в контакте с ионной жидкостью.
Примечание: Не все уплотнительные кольца материалы выдерживают находясь в контакте с ионной жидкости при повышенной температуре. Мы обнаружили, что силикон работает хорошо. - Поместите трубы высокого давления в вентилируемой печи, которая была предварительно нагретую до требуемой температуры. Например, оставьте пробирки в течение 8 ч при 120 ° С или в течение 1 ч при 150 ° С.
Примечание: Время и температура являются важными экспериментальными переменными. В другое время - сочетания температуры могут быть использованы. - Удалите пузырьки из печи, используя печь перчатку и поместить их в вытяжном шкафу, чтобы позволить им остыть до комнатной температуры. Проверьте вес флаконов после охлаждения, чтобы гарантировать вода не спасся во время приготовления пищи.
3. Целлюлозно Wash
- Перенесите содержимое каждой пробирки в пробирку для центрифугирования 50 мл с использованием 40 мл Absolutе этанол. Встряхивать пробирку, используя вихревой шейкере в течение 1 мин, чтобы хорошо перемешать и оставить трубу при комнатной температуре в течение по меньшей мере 1 ч.
Примечание: Разделение также может быть осуществлено с использованием фильтрации, тем не менее, меньше, точность может наблюдаться для предложенного размера образца. - Встряхивать пробирку, используя вихревой шейкере в течение еще 30 секунд, а затем отцентрифугировать пробирку в течение 50 мин при 2000 х г. Отдельные жидкие и твердые осторожным декантированием. Собрать жидкость в чистую 250 мл круглодонную колбу с мешалкой.
- Добавьте 40 мл свежего этанола в трубку и повторите шаг 50 мл 3,2-три раза.
- Удалить этанола из ионной жидкости, поместив колбы с круглым дном на нагревательном блоке. Подключение каждого из них с помощью вакуумного насоса с охлаждаемой ловушкой. Наполните сифон с сухим льдом и установить нагрев до 40 ° C. Включите перемешивании и насоса.
Примечание: Этот эксперимент использует самодельный параллельный испаритель, установленный деятельности на основе параллельного синтеза настройки. Параллельные испарители могут быть также Purchasэд готовые. В качестве альтернативы роторный испаритель может быть использован.
- Удалить этанола из ионной жидкости, поместив колбы с круглым дном на нагревательном блоке. Подключение каждого из них с помощью вакуумного насоса с охлаждаемой ловушкой. Наполните сифон с сухим льдом и установить нагрев до 40 ° C. Включите перемешивании и насоса.
4. Сокслета Добыча Pulp
- Переносят влажный промытой целлюлозы в наперстки целлюлозы и маркировать каждый наперсток с помощью карандаша.
- Заполните 150 мл абсолютного этанола в чистый 250 мл круглодонную колбу с мешалкой. Вставьте образец, содержащий наперстка в 40 мл Сокслета, добавить конденсатор и установить все на параллельной экстрактор рабочей станции, подключенной к рециркуляционной холодильной машины.
Примечание: Если этанол используется для передачи мякоть, добавить только разницу в 150 мл в круглодонную колбу. - Когда все образцы загружены, начинают перемешивание, установить температуру до 135 ° С и включите рециркулятором (задаваемой температуры 18 ° C). Извлечение образцов целлюлозы в течение 20 часов в общей сложности.
- Выключите нагрев, чтобы позволить кипячение прийти к остановке. Затем включите и перемешивания и охлаждения. Возьмите наперстки из экстрактора Сокслетас помощью пинцета и дайте мокрой сухой пульпы в наперстка в течение ночи в вытяжном шкафу.
- Добавить жидкость из экстракции в аппарате Сокслета в жидкости из промывных биомассы и продолжают выпаривание этанола из биомассы стирке с параллельным испарителем или на роторном испарителе при 40 ° С.
- Переносят высушенный на воздухе целлюлозы из наперстка на кусок тарированный алюминиевой фольги на аналитических весах, записывают вес высушенный на воздухе извлеченного целлюлозы и передать его в маркированную пластиковый пакет. Попробуйте восстановить все, а не выскабливание наперсток материал от стены.
- Определение содержания влаги в пульпе немедленно рассчитать высушенную в печи выход (как показано ранее на шаге 1.4).
5. Лигнин Изоляция
- Когда весь этанол испарится, осадить лигнин путем переноса ионной жидкости из круглодонную колбу на 50 мл центрифужную пробирку с использованием 30 мл воды. Смешайте суспензии и оставить по крайней мере 1 ч.Центрифуга в течение 20 мин при 2000 х г, и отделить раствор от твердого вещества путем декантации.
Примечание: В этом протоколе, 3 эквивалента воды используются в качестве антирастворителя. Менее антирастворителя можно использовать, если это желательно. Промывки может быть собрана, вода удалена и ионная жидкость, собранна для повторного использования. - Добавить 30 мл дистиллированной воды с лигнином окатышей внутри трубки центрифуги. Повторите перемешивание, инкубация в течение 1 часа и центрифугировали. Повторите этот шаг для в общей сложности 3 лигнина стирок.
- Сушат лигнин внутри трубки центрифуги с использованием вакуумной печи и проколом крышкой при 45 ° С в течение ночи. Для определения выхода лигнина, место кусок алюминиевой фольги на балансе, тарные вес, добавьте лигнина из печи и сразу же записать вес. Перенос лигнина в ампулу для хранения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Точное количество удаления лигнина и осаждения лигнин, извлекают мякоть и выход глюкозы зависит от типа биомассы, используемой, температура, при которой протекает лечение и продолжительность лечения. Короткое время предварительной обработки и низкие температуры приводят к неполной предварительной обработки в то время как при более высоких температурах, целлюлоза становится неустойчивым в ионной жидкости, что приводит к гидролизу и деградации. Выбранная ионная жидкость также играет важную роль в исходе процедуры фракционирования.
На рисунке 1 показана структура необработанной Miscanthus (трава) и сосны (хвойных пород), а Miscanthus и сосновой целлюлозы , полученной после предварительной обработки с триэтиламмониевой HSO 4 в течение 8 часов при 120 ° C (композиционный анализ проводили в соответствии с протоколом NREL). 21 Как видно из рисунка, Ionosolv предварительной обработки в гоESE условия дали различные результаты для двух видов биомассы. В случае биомассы травы, большая часть лигнина и гемицеллюлозы были удалены, в то время как для предварительной обработки древесины мягких пород, главным образом удалены гемицеллюлозы и только небольшое количество лигнина. Разница в результатах предварительной обработки был одинаково выражен , когда восстановленная пульп были подвергнуты ферментативной осахаривания. 22 В то время как 77% от теоретического высвобождения глюкозы был получен для Miscanthus, сосна уступил лишь 13%. Разница в лигнина экстракции находит свое отражение в выходах лигнина: 20% и 5% от первоначального веса биомассы извлекались как лигнина для Miscanthus и сосны, соответственно.
Разница в результатах предварительной обработки между двумя исходного сырья приписывается различным типам лигнина, присутствующего в травах и хвойных пород; тип лигнина G из хвойных пород более непокорным и труднее удалить, чем травы лигнина.
Рисунок 1. Состав Miscanthus и сосны до и после предварительной обработки с [Триэтиламмониевую] [HSO 4] с 20% по весу воды в течение 8 ч при 120 ° С. Это было определено с помощью композиционной процедуры анализа NREL. 21 Пожалуйста , см Reference 21 для более подробный протокол. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Лигнин можно охарактеризовать гетероядерного квантовой когерентности анализа (HSQC) ЯМР , который показывает , что эфирные связи расщепляются в процессе предварительной обработки в то время как образуются новые CC облигации. 19 Кроме того , было показано , что молекулярный вес, который может быть оценен с помощью гель - проникающей хроматографии, значительно ниже, чем у нативного лигнина, При более длительном предварительной обработки молекулярная масса увеличивается за счет реакций конденсации. Реакция лигнина с ионной жидкостью является минимальным, о чем свидетельствует незначительное увеличение содержания серы и без увеличения содержания азота в лигнина в течение долгого времени.
Дальнейший анализ может быть осуществлен, если интерес. Рентгеновский анализ восстановленной целлюлозы в целом показывает высокую степень кристалличности. 17 Восстановленные ионную жидкость щелок может быть проанализирован с помощью ВЭЖХ с целью выявления растворенные сахара и продукты их деградации. 23
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Методика для фракционирования биомассы лигноцеллюлозы, представленной здесь производит целлюлозный богатой целлюлозы и лигнин. Большая часть гемицеллюлозы растворены в ионной жидкости и гидролизуется, но не выздоровел. Если гемицеллюлозы сахара желательно, гемицеллюлоза стадию предварительной экстракции до делигнификации Ionosolv может быть необходимым. Он до сих пор было невозможно полностью закрыть баланс массы для биомассы, так как это не представляется возможным определить и количественно оценить все продукты разложения, найденные в ионной жидкости ликера, особенно те из них, вытекающих из лигнина. Детальное исследование по утилизации и баланса массы продолжается, и, как ожидается, будут опубликованы в ближайшее время.
Промывные этанол необходимо в небольших масштабах, чтобы достичь хороших разделений, в качестве остаточной ионной жидкости, прилипших к поверхности пульпы может привести к снижению активности фермента в процессе осахаривания, таким образом, смещает анализ лабораторного масштаба. Следует отметить, чтообъемы промывочного этанола, потребляемые в этом протоколе не совместимы с масштабом деятельности и, вероятно, не требуется, если процесс должен эксплуатироваться в промышленном масштабе.
Эта Экспериментальная установка полностью полагается на конвекцию, чтобы облегчить перенос массы. Перемешивают Однако ожидается, для облегчения реакции и потенциально может изменить требуемые времени реакции и эффективность экстракции лигнина.
В целом, представленный протокол биомассы предварительной обработки было показано, что очень эффективен для фракционирования биомассы лигноцеллюлозы. Основные преимущества по сравнению с водными и механо (т.е. парового взрыва) процессов являются улучшенной селективностью, то есть, чистая целлюлоза и лигнин очищенный. Еще одним преимуществом является относительно мягких условиях, при которых процесс может быть выполнен. Преимущества по сравнению с другими процессами лигнина-сольватации (т.е. Kraft варка или Organosolv предварительной обработки) являются простыми Сентябреarations и регенерации растворителей из-за энергонезависимостью ИЛ, снижающих капитальные вложения. Выделенный лигнин не имеет запаха. Представленный процесс Ionosolv находится в своей функции очень похож на процесс, который использует Organosolv подкисленного водного раствора этанола. Однако, как ионные жидкости имеют незначительное давление паров (снижение давления процесса в сторону атмосферного), утилизация растворителя отличается и воздействие паров растворителя сведено к минимуму.
По сравнению с ионным процессом жидкости с использованием безводного, основной ионной жидкости, такие как 1-этил-3-метилимидазолия ацетат или хлорид 1-бутил-3-метилимидазолия, которые приводят в decrystallized целлюлозы при массовом соотношении очень высокие урожаи осахаривания, занятых процессом здесь дает подняться до чуть более низкому выходу глюкозы. 24 Тем не менее, данный способ влаги терпимы, поэтому не требует энергоемкой сушки, и использует ионные жидкости , которые намного более легко синтезировано и поэтому еxpected быть значительно дешевле.
Как и при любом применении ионных жидкостей, одна из главных преимуществ является возможность настраивать свойства ионной жидкости путем изменения ядра катиона, начиная от имидазолия до аммония, а также путем изменения количества, длины, симметрии и замещение алкильных цепей на катион. 25 в частном случае протонных ионных жидкостей , используемых в данном протоколе, отношение кислоты к основанию , а содержание воды может быть использована для разработки растворителя. 26, 27 Это приводит к воздействию растворителей с широким диапазоном полярностей, вязкости, кислотность и другие физические свойства.
Другие параметры, которые можно регулировать включают загрузку биомассы, температуру предварительной обработки и время, а также добавки. Кроме того, затраты, связанные с растворителями, оборудования и затрат энергии будет необходимо принимать во внимание и оптимизированы, если этот параметр предварительной обработки должен быть использован в коммерческих условиях.
например, для производства смол или ароматических химических веществ, или производство целлюлозы или сахара полученных материалов и химических веществ. Протокол может быть использован в качестве основы для разработки модифицированных протоколов, например, с использованием больших реакторов с перемешиванием или реакторы с непрерывным потоком. Результаты таких экспериментальных исследований позволит технико-экономического анализа этого ионного процесса фракционирования на основе жидкости.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы признают Grantham институт по вопросам изменения климата и окружающей среды, климата-KIC и EPSRC (EP / K038648 / 1 и EP / K014676 / 1) для финансирования и Пьер Бувье для обеспечения экспериментальных данных для сосны предварительной обработки.
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).
