Introduction
Møte menneskehetens energibehov på en bærekraftig måte er en av de største utfordringene som vår sivilisasjon står overfor. Energibruken er spådd til å doble seg de neste 50 årene, å sette større belastning på fossile ressurser. 1 opphoping av klimagasser (GHG) i atmosfæren gjennom utbredt bruk av fossilt brensel er spesielt problematisk, som CO 2 som genereres fra forbrenning av fossilt brensel er ansvarlig for 50% av den menneskeskapte drivhuseffekten. 2 Derfor storskala anvendelse av fornybare og karbonnøytrale teknologier er viktig for å møte de økte energi- og material behovene til fremtidige generasjoner. 1, 3
Plante biomasse er den mest allsidige fornybar ressurs, som den kan brukes til å produsere varme, elektrisitet samt karbon-baserte kjemikalier, materialer og brennstoffer. Primære fordeler av lignocellulose biomasse fremfor andre biomassetyper er sin overflod, potensial for høy avkastning per område av landet, og ofte mye høyere CO 2 utslipp besparelser, som inkluderer høy retensjon av karbon i jord. 4, 5 flere fordeler med å bruke biomasse inkluderer lokal tilgjengelighet, lave kapitalkrav for å konvertere biomasse til energi, og jorderosjon forebygging. 8
Store produsenter av lignocellulose råstoff er skogindustrien og landbrukssektoren, samt kommunal avfallshåndtering. 6 lignocellulose produksjon har potensial til å bli utvidet, med tanke på å begrense avskoging og unngå utskifting av matplanter og frigjøring av potensielle miljøgifter. 7 for fornybar biomasse til å bli en levedyktig utbredt kilde av flytende transport drivstoff og kjemikalier, må dens behandling bli økonomisk konkurransedyktig med fossilt drivstoff konvertering teknologier. 9, 10 A nøkkelen til å oppnå dette på er å øke utbyttet og kvaliteten på biomassebasert mellom samtidig redusere kostnaden. </ P>
Lignocellulose inneholder en høy andel av sukker som kan konverteres til drivstoff og kjemikalier via katalytiske og mikrobielle konverteringer. 11 Disse sukker er til stede i lignocellulose i polymer form som cellulose og hemicellulose. De kan hydrolyseres til glukose, og andre sukker-monomerer og deretter anvendt for å produsere bioetanol og andre bio-avledet kjemikalier og løsningsmidler. 12
For å få tilgang til cellulose sukker, er forbehandling av biomassen nødvendig gjennom fysiske, kjemiske, eller kombinerte prosesser. 4 Forbehandlingen er uten tvil den mest kostbare skritt i valorization av lignocellulose biomasse. Derfor forskning på bedre forbehandling prosesser er avgjørende.
Ulike forbehandling teknologi er tilgjengelig. Av spesiell interesse er de som skille lignin fra cellulose (fractionative forbehandling). Lignin, den tredje hovedkomponenten ilignocellulose, begrenser tilgangen til å hydrolysere midler til cellulose og hemicellulose og reduserer sukker utbyttet per tonn av utgangsmaterialet. 11 Det separerte ligninet kan benyttes som en ekstra Bioraffineri mellomprodukt dersom det er isolert i egnet kvalitet. 13 En fractionative prosessen er Kraft-prosessen hvilken er den mest vanlige forbehandling for papir / celluloseproduksjon. I Kraft masse tilvirkning blir treflis plassert i en blanding av natriumhydroksyd og natriumsulfid og oppvarmes ved forhøyede temperaturer på rundt 170 ° C under høyt trykk. 14 Den alkaliske reaksjoner fjerne hemicellulose og lignin ved bryte polymerene ned til korte fragmenter via nukleofil og basen katalyse, og ved å oppløse lignin-fragmentene via de-protonering av fenoliske hydroksyl / alkoholgrupper. En annen vanlig fremgangsmåte delignifikasjon er organosolv-fremgangsmåten som også fragmenter og oppløser lignin og hemicellulose. Snarere enn å bruke en alkalisk aqueooss Oppløsningen, organiske løsningsmidler så som etanol og eddiksyre anvendes ved høye temperaturer mellom 160-200 ° C, og trykk 5-30 bar. Organosolv forbehandling har noen fordeler over Kraft oppløsing i at det gir mindre luft og vannforurensning. 15 Begge prosessene har noen økonomiske utfordringer, hvis de brukes for produksjon av kjemikalier og drivstoff i stedet for cellulose. 16 Ionosolv forbehandling bruker ioniske væsker, som er salter som har smeltepunkter under 100 ° C og, som et resultat av deres kraftige Coulombic interaksjoner, meget lavt damptrykk. 17 Dette eliminerer luftforurensninger i forbehandlingen prosess, og gjør det mulig for bearbeiding ved eller nær atmosfæretrykk.
Mens de fleste ILs opprettes i arbeidskrevende, multi-trinn syntese, kan protiske ILs syntetiseres i en ett-trinns prosess fra råvare kjemikalier, noe som gjør dem rimeligere; Det er anslått at noen ILs kan fremstilles ved bulk skala for enPrisen på $ 1,24 kg, hvilket er sammenlignbart med vanlige organiske oppløsningsmidler slik som aceton og toluen. 18 Evnen til å gjenvinne og gjenbruke disse tilpass ILs i en prosess som drives ved forholdsvis lave temperaturer og trykk gjør dette til en mer godartet alternativ og en økonomisk attraktiv kandidat for bioraffinering.
Denne detaljerte video-protokollen viser en lab-skala versjon av Ionosolv fremgangsmåte for delignifisering av lignocellulose biomasse og eventuelt enzymatisk forsukring av celluloserike masse, så vel som utvinning av en høy renhet luktfri lignin. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Merk: protiske ioniske væsker som brukes i fremgangsmåten blir syntetisert i vårt laboratorium, selv om noen kan være eller bli kommersielt tilgjengelige. De resulterende ioniske væsker er syrlig og etsende og sannsynligvis hud / øyen irritanter (avhengig av amin som brukes), og må derfor håndteres med forsiktighet, bruk passende PPE (laboratoriefrakk, sikkerhets specs, hanske).
1. Forberedelse
- Klargjøring og lagring av lignocellulose biomasse
- Skaff lignocellulose biomasse før eksperimentet i tilstrekkelige mengder, for eksempel 100 g opp til 5 kg.
Merk: Hvert eksperiment krever minst 3 g biomasse (1 g hver i triplikat). - Redusere fuktighetsinnholdet kort tid etter innhøsting og lagre biomasse i lufttørket form i laboratoriet. Air-tørke biomassen ved å spre biomassen på et bord eller benk og forlate det i 2 uker eller inntil det virker tørt. Flytt og snu biomasse under tsin tid å akselerere prosessen. Utfør fraksjone eksperimenter innen ett år etter høsting.
Merk: Direkte etter innhøsting, kan trevirke inneholde opp til 50 vekt-% fuktighet, mens lufttørket biomasse, noe som er mer stabil, inneholder 5-12 vekt% fuktighet. - Grind og sil biomassen til en utvalgt partikkelstørrelse. Lagre den tørkede biomassen i plastposer eller andre egnede beholdere inntil de skal brukes.
Merk: For de små prøvene håndteres i denne protokollen, er en redusert partikkelstørrelse anbefales, for eksempel 180-850 nm.
- Skaff lignocellulose biomasse før eksperimentet i tilstrekkelige mengder, for eksempel 100 g opp til 5 kg.
- Bestemmelse av fuktighetsinnholdet av biomassen (i henhold til protokollen NREL) 20
- For å bestemme fuktighetsinnholdet av biomassen, preweigh et stykke aluminiumsfolie (størrelse omtrent 5 cm x 5 cm) på en analysevekt og registrere vekten av folien (m folie). Vei ut omtrent 100 mg av lufttørket biomasse på aluminiumsfolie og registrer den nøyaktige luft dried vekt (m ADW).
- Brett aluminiumsfolie for å lage en pakke og plasser i en vifteovn ved 105 ° C over natten (minst for 4 timer).
- Ta pakke ut og plassere den umiddelbart i en eksikator i 5 minutter, og deretter veie pakken umiddelbart og registrere den nøyaktige vekten av ovnstørket vekt pluss folie (m ODW + folie). Beregn fuktighetsinnholdet (i%) av biomassen mc BM ifølge ligning 1:
Eq. 1
Hvor m ODW + folie er vekten av ovnstørket pakke (ovns-tørkede biomasse pluss folie), er m folie vekten av folien og m ADW er lufttørket vekt av biomassen. Alle vekter skal være enten i g eller mg.
- Syntese av ioniske væsken
- I et avtrekksskap eller ventilert kabinett, veie en muldvarpav aminet (trietylamin) i en 1-liters rundbunnet kolbe med magnetisk rørestav. Plassere kolben i et isbad på en magnetrører plate. Legg til en 250 ml tilsetningstrakt umiddelbart for å minimalisere fordampning av aminet.
Legg merke til: å sikre den riktige syre: base for forholdet er av stor betydning for å oppnå reproduserbarhet av forbehandling eksperimenter. - Måle ut en mol av svovelsyre ved anvendelse av en løsning av kjent konsentrasjon (i dette eksempelet 5 mol / l) og en volumetrisk flaske (200 ml). Overfør svovelsyre inn i tilsetningstrakten og skyll enhver syre som fester seg til veggene i den volumetriske kolben inn i tilsetningstrakten med deionisert vann.
- Tilsett svovelsyre dråpevis til aminet under kraftig omrøring. Pass på at løsningen ikke varme opp, da dette ville føre til koking av amin og en unøyaktig forhold av syre til basen. Skyll innsiden av tilsetningstrakten ved hjelp av avionisert vann for å sikre at syren overføres kvantitativt.
Notat: Større satser av ionisk væske oppløsning kan fremstilles ved å øke mengden av amin og svovelsyre, så vel som i kolben volum tilsvarende. - Fordampe det meste av vannet ved anvendelse av en rotasjonsfordamper. Vanninnholdet bør være lavere enn vanninnholdet som kreves for forbehandling.
Merk: Det er ikke nødvendig å fullstendig tørke ionisk væske. Det kan være fordelaktig å la noe vann i den ioniske væsken, som noen tørkede ioniske væsker, inkludert trietylammonium hydrogensulfat, er faste stoffer ved romtemperatur. En frysetørker kan også brukes til å senke vanninnholdet.
- I et avtrekksskap eller ventilert kabinett, veie en muldvarpav aminet (trietylamin) i en 1-liters rundbunnet kolbe med magnetisk rørestav. Plassere kolben i et isbad på en magnetrører plate. Legg til en 250 ml tilsetningstrakt umiddelbart for å minimalisere fordampning av aminet.
- Bekrefter og justering av vanninnholdet i IL oppløsningen
Merk: vanninnhold er en viktig variabel eksperimentelt. Det er tre kilder at vannet i forbehandlingen blandingen kan komme fra. Alle av dem må tas i betraktning: (1) det vann som inneholdes i syntetisert eller kjøpt ionisk flytende oppløsning (2) vannet inneholdt i than lufttørket biomasse og (3) en hvilken som helst vann tilsatt med en pipette for å oppnå den endelige ønskede vanninnhold.- Bestemme vanninnholdet i den syntetiserte eller kjøpt ionisk væske løsning av volumetrisk Karl Fischer-titrering i henhold til instruksjonene gitt av produsenten titrator. Tilsett noen dråper av IL inn i titrator ved hjelp av en forhånds-veid sprøyte. Skriv inn vekten av væsken lagt inn i titratoren og vente til titratoren viser en lesning. Spill av vanninnholdet.
- Bestem deg for et vanninnhold for biomassen forbehandling. I dette eksperimentet ved å bruke 20 vekt%. Redusere vanninnhold 5 vekt% under det ønskede vanninnhold ved anvendelse av en rotasjonsfordamper og bekrefte den nye vanninnhold ved Karl Fischer-titrering, som beskrevet i 1.4.1.
Merk: Gode resultater oppnås med 20 vekt% vann; men dette kan ikke alltid være det optimale for forbehandling. Et høyere vanninnhold kan velges for å redusere kostnadene oppløsningsmiddel eller til lavere viskositet.
<li> Beregninger for eksperimentet. - Bestem deg for hvor mye ionisk væske løsning m sol, endelig og en biomasse-til-løsemiddel forholdet BM / sol finalen. Her benyttes 10 g av ionisk væske inneholdende 20 vekt-% vann og en biomasse-til-oppløsningsmiddel-forhold på 01:10 g / g.
Merk: Rørene som brukes i denne protokollen kan passe opp til 18 g IL løsning hvis biomassen til løsemiddel forholdet er 1:10 (vekt / vekt). En høy biomasse til løsemiddel ratio (opp til 1: 2 eller 1: 1) er gunstig fra et økonomisk synspunkt, men kan kompromittere forbehandling effekt på liten skala. - Bestemme mengden av (vannfritt) ionisk væske som kreves for hver prøve i henhold til følgende ligning 2:
Eq. 2
Hvor m IL er den nødvendige mengden av ionisk væske i gram, m sol, er endelig den ønskede mengde av ionisk væske oppløsning i gram, og endelig wc </ Sub> er det ønskede vanninnhold (i%) i den ioniske væsken løsning. - Deretter beregner mengden av syntetisert eller kjøpt ionisk flytende løsning som skal legges inn i hver enkelt trykkslangen i henhold til den følgende ligning 3:
Eq. 3
Hvor m sol er den mengde oppløsning som skal legges inn i hvert trykkrør (i gram), m er IL den nødvendige mengden av ionisk væske (i gram), og wc sol er vanninnholdet i den ioniske væsken oppløsning av (i%) som bestemt ved Karl Fischer-titrering. - Bestemme mengden av biomasse (ovnstørket vektbasis) som skal tilsettes til den ioniske væsken oppløsning ved bruk av ligning 4 nedenfor. I dette eksperimentet ved å bruke 1 g ovnstørket Miscanthus biomasse per trykkrør.
Eq. 4
Hvor ODW er mengden av biomasse som skal leggeed inn i hvert trykkrør (i gram), m sol, er endelig den ønskede mengde av ionisk væske oppløsning (i gram) og BM / sol endelig er det ønskede forholdet mellom biomasse-til-ioniske væske. - Bestemme vekten av lufttørket biomasse som må legges inn i røret ved hjelp av den følgende ligning 5:
Eq. 5
hvor ADW er lufttørket vekt av den biomasse som skal legges inn i røret (i gram), ODW blir ovnstørket vekt av biomasse som er nødvendig for forsøket (bestemt i 1.5.4 i gram), og mc BM er verdien fastsatt i 1.2.3. - Beregne hvor meget vann som må tilsettes med en pipette for å oppnå det ønskede sluttvanninnhold i henhold til den følgende ligning 6:
Eq. 6
Hvor m vann er mengdenvann som skal tilsettes, wc endelig er det ønskede vanninnhold i blandingen forbehandling (her 20 vekt%), m er sol.final mengden av oppløsningsmidlet (her 10 g), er mc BM fuktighetsinnholdet i lufttørket biomasse er m BM mengden av lufttørket biomasse som skal tilsettes, wc sol er vanninnholdet i den syntetiserte eller kjøpt ionisk flytende løsning, og m sol er mengden av ionisk væske.
Eq. 1 
Eq. 2 
Eq. 3 
Eq. 4 
Eq. 5 
Eq. 6 2. Forbehandling
Merk: Prosessen kan avbrytes når som helst ved å la prøvene ved romtemperatur (i noen dager) eller i kjøleskap (for lengre perioder).
- Pre-veie tre 15 ml trykkrør med Teflon caps og silikon O ringer. Inspiser visuelt trykkrørene for å sikre at de ikke har noen sprekker eller feil.
Merk: Større trykkrør som passer mer ionisk væske og biomasse kan anvendes om ønsket, selv om forbehandling resultatene ikke vilvære direkte sammenlignbare mellom prøvene som er behandlet i forskjellige hetteglass størrelser. Vi anbefaler bruk av front tetting landskamper for bedre tetting. - Med en 10 ml pipette, tilsett den nødvendige mengde av ionisk væske oppløsning inn i trykkrøret stående på skalaen. Bruk kork ringer for å holde røret stående opp. Ta opp vekten av den ioniske væske tilsatt. Legge til den nødvendige mengde vann til oppløsningen bestemmes i 1.5.6 ved anvendelse av en pipette, forutsatt at tettheten av vann til å være 1 g / ml.
- Legge til den nødvendige mengden av lufttørket lignocellulose ved å anbringe et stykke av aluminiumfolie (dimensjonene 3 cm x 8 cm) på en balanse, Tara balansen og veiing ut biomassen. Kalibrer vekten og legge biomassen til røret. Plasser den tomme folien tilbake på balansen og registrere forskjellen.
Merk: Alternativt kan det antistatiske veieskip benyttes. - Lukk lokket med en teflon cap med silikon O-ring. Se etter en god tetning uten over-innstramming. Ta opp vekten av prykk rør som inneholder biomasse og ionisk væske. Blande innholdet i røret ved hjelp av en virvelrister inntil all biomassen er i kontakt med en ionisk væske.
Merk: Alle O-ring materialer tåler å være i kontakt med ioniske væsker ved forhøyet temperatur. Vi fant ut at silikon fungerer godt. - Plasser trykkrørene i en vifteovn som er blitt forvarmet til den ønskede temperatur. For eksempel, la rørene i 8 timer ved 120 ° C og i 1 time ved 150 ° C.
Merk: Tid og temperatur er viktige eksperimentelle variabler. Andre gang - temperatur kombinasjoner kan brukes. - Ta hetteglassene fra ovnen ved hjelp av en gryteklut og legg dem i en avtrekkshette for å la dem avkjøles til romtemperatur. Sjekk vekten av ampullene etter avkjøling for å sikre at ikke noe vann rømt under stekingen.
3. Pulp Wash
- Overfør innholdet i hvert rør inn i et 50 ml sentrifugerør ved anvendelse av 40 ml absolute etanol. Rist røret ved hjelp av en vortex rister i 1 min for å bland godt og la røret ved romtemperatur i minst 1 time.
Merk: Separasjonen kan også utføres ved hjelp av filtrering, kan imidlertid mindre nøyaktighet observeres for den foreslåtte prøvestørrelsen. - Rist røret ved hjelp av en vortex rister i ytterligere 30 sekunder, deretter sentrifuger røret i 50 minutter ved 2000 x g. Separat væske og fast stoff ved forsiktig dekantering. Samle opp væsken i en ren 250 ml rundbunnet kolbe med rørestav.
- Legg 40 ml frisk etanol i 50 ml tube og gjenta steg 3,2 tre ganger.
- Fjerne etanolen fra ionisk væske ved å plassere den rundbunnede kolber på en varmeblokk. Kobler hver av dem til en vakuumpumpe med en kaldfelle. Fyll fellen med tørris og sette oppvarming til 40 ° C. Slå på omrøring og pumpe.
Merk: Dette forsøk anvender et hjemmelaget parallell fordamperen satt opp på grunnlag av en parallell syntese oppsett. Parallelle fordampere kan også være Purchased ferdige. Alternativt kan en rotasjonsfordamper kan anvendes.
- Fjerne etanolen fra ionisk væske ved å plassere den rundbunnede kolber på en varmeblokk. Kobler hver av dem til en vakuumpumpe med en kaldfelle. Fyll fellen med tørris og sette oppvarming til 40 ° C. Slå på omrøring og pumpe.
4. Soxhlet Utvinning av Pulp
- Overfør våt vasket masse til cellulose fingerbøl og merke hver fingerbøl med en blyant.
- Fylle 150 ml absolutt etanol, inn i et rent 250 ml rundbunnet kolbe med rørestav. Sett prøven inneholder fingerbøl inn i en 40 ml Soxhlet vifte, legge til en kondensator og installere alt på parallellavtrekks arbeid stasjon koblet til et resirkulerings chiller.
Merk: Hvis etanol ble brukt til å overføre massen, tilsett bare differansen til 150 ml til en rundbunnet kolbe. - Når alle prøvene er lastet, begynner stirring, sett temperaturen til 135 ° C og slå på recirculator (temperaturinnstilling 18 ° C). Pakk ut masseprøver i 20 timer totalt.
- Slå av varmen for å tillate tilbakeløpende å stoppe opp. Deretter bytter både rører og kjøler deg ned. Ta hylsene ut av Soxhlet extractorved hjelp av pinsett og la den våte massen tørke i fingerbøll over natten i en avtrekkshette.
- Tilsett væske fra Soxhlet ekstraksjon av væske fra biomassen vask og fortsetter fordampning av etanol fra biomassen vask med parallell fordamperen eller en rotasjonsfordamper ved 40 ° C.
- Overfør lufttørket masse fra hylsen på et stykke tarert aluminiumfolie på en analysevekt, registrere lufttørket vekt av den ekstraherte massen og overføre den til en merket plastpose. Prøv å gjenopprette alt mens ikke skrape fingerbøl materiale av veggen.
- Bestemme fuktighetsinnholdet av massen straks å beregne ovnstørket utbytte (som tidligere vist i trinn 1.4).
5. Lignin Isolation
- Når all etanolen fordampet, utfelling av lignin ved å overføre den ioniske væsken fra rundkolbe i et 50 ml sentrifugerør ved bruk av 30 ml vann. Bland suspensjon og la stå i minst en time.-Sentrifuge i 20 minutter ved 2000 x g, og skille oppløsningen fra det faste stoff ved dekantering.
Merk: I denne protokollen, 3 ekvivalenter av vann som brukes som anti-løsningsmiddel. Mindre anti-løsningsmiddel kan anvendes om ønsket. Vaskingene kan samles, vannet fjernes og den ioniske væsken gjenvinnes for gjentatt bruk. - Tilsett 30 ml destillert vann til ligninet pellet inne i sentrifugerøret. Gjenta blanding, inkubering i 1 time og sentrifugering. Gjenta dette trinnet for totalt 3 lignin vasker.
- Tørk ligninet inne i sentrifugerøret ved hjelp av en vakuum-ovn og et gjennomhullet lokk ved 45 ° C over natten. For å bestemme lignin avkastning, plasserer et stykke aluminiumsfolie på balansen, kalibrer vekt, legge lignin fra ovnen og registrere vekt umiddelbart. Overfør ligninet inn i en ampulle for lagring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den eksakte mengden av lignin fjernet og ligninutfelling, gjenvunnet cellulose og glukoseutbytte avhenger av typen av biomasse anvendes, den temperatur ved hvilken det behandlings drives og varigheten av behandlingen. Korte-behandlingstider og lave temperaturer føre til ufullstendig forbehandling mens ved høyere temperaturer cellulosen blir ustabil i den ioniske væsken, som fører til hydrolyse og nedbrytning. Den valgte ionisk væske spiller også en viktig rolle i utfallet av fraksjoneringsprosedyren.
Figur 1 viser sammensetningen av ubehandlet Miscanthus (gress) og furu (bartre), og den Miscanthus og furumasse oppnådd etter forbehandling med trietylammonium HSO 4 i 8 timer ved 120 ° C (sammensetningsanalysen ble utført i henhold til den NREL protokoll). 21 det fremgår av figuren at Ionosolv forbehandling på thESE betingelser ga forskjellige resultater for de to typer av biomasse. I tilfelle av gress biomasse, ble det meste av ligninet og hemicellulose fjernes, mens forbehandling av bartre hovedsakelig fjernet hemicellulose og bare en liten mengde av lignin. Forskjellen i utfallet av forbehandlingen var like uttalt når de gjen Massene ble underkastet enzymatisk forsukring. 22 Mens 77% av teoretisk glukose frigivelse ble oppnådd for Miscanthus, furu bare ga 13%. Forskjellen i lignin ekstraheres gjenspeiles i de lignin-utbytter: 20% og 5% av den opprinnelige vekt biomasse ble utvunnet som lignin for Miscanthus og furu, respektivt.
Forskjellen i forbehandlingen utfall mellom de to råstoffene er knyttet til de forskjellige typer av lignin til stede i gress og nåletre; G-typen lignin fra nåletre er mer gjenstridige og mer vanskelig å fjerne enn gress lignin.
Figur 1. Sammensetning av Miscanthus og furu før og etter forbehandling med [trietylammonium] [HSO 4] med 20 vekt% vann i 8 timer ved 120 ° C. Dette ble bestemt ved NREL sammensetningsanalysen prosedyre. 21 Vennligst se referanse 21 for en mer detaljert protokoll. klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Lignin kan karakteriseres ved heteronuclear kvante koherens (HSQC) NMR-analyse som viser at eterbindinger blir spaltet i løpet av forbehandlingen mens nye CC-bindinger dannes. 19 Det er videre blitt vist at molekylvekten, noe som kan anslås ved hjelp av GPC, er mye lavere enn den for naturlig lignin. Ved lengre forbehandling ganger molekylvekten øker på grunn av kondensasjonsreaksjoner. Omsetning av lignin med den ioniske væske er minimal, som vist ved en marginal økning av svovelinnholdet, og ingen økning av nitrogeninnholdet av ligninet over tid.
Videre analyser kan utføres hvis av interesse. XRD-analyse av den gjenvunnede cellulosemassen generelt viser høy krystallinitet. 17 Den gjenvundne ionisk væske væske kan analyseres ved HPLC for å detektere oppløste sukkere og nedbrytningsprodukter derav. 23
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Teknikken for fraksjonering av lignocellulosisk biomasse presentert her frembringer en cellulosemasse-rik og en lignin. De fleste av hemicellulose er oppløst i den ioniske væsken og hydrolyseres, men ikke gjenopprettes. Hvis hemicellulose sukker er ønsket, kan en hemicellulose pre-ekstraksjon trinn forut for delignifiseringen Ionosolv være nødvendig. Det har vært så langt umulig å fullt lukke massebalansen for biomasse, som det ikke er mulig å identifisere og kvantifisere alle nedbrytningsproduktene som finnes i den ioniske væsken brennevin, spesielt de som stammer fra lignin. En detaljert studie på resirkulering og massebalanse er i gang og forventes å bli offentliggjort om kort tid.
Etanolen vask er nødvendig i liten skala for å oppnå gode separasjoner, som rest ionisk væske fester seg til overflaten av massen kan redusere enzymaktivitet i løpet av forsukring, for derved å forspenne det i laboratorieskala analyse. Det bør bemerkes at denvolum av vaske etanol forbrukes i denne protokollen er ikke kompatible med oppskalering og er sannsynligvis ikke nødvendig hvis prosessen skal drives på en kommersiell skala.
Dette eksperimentelle satt opp er fullstendig avhengig av konveksjon å lette masseoverføring. Omrøring er imidlertid forventet å lette reaksjonen og kan potensielt endre nødvendige reaksjonstider og lignin utvinning effektivitet.
Totalt sett har det presenterte biomassen forbehandlingen protokollen vist seg å være meget effektiv for fraksjonering av lignocellulosisk biomasse. De viktigste fordeler i forhold til vandige og mechanochemical (dvs. dampeksplosjon) prosesser er den forbedrede selektivitet, dvs. en ren cellulosemasse og et renset lignin. En annen fordel er de relativt milde betingelser under hvilke fremgangsmåten kan utføres. Fordeler fremfor andre lignin-solvatiserende prosesser (dvs. Kraft-koke eller organosolv forbehandling) er den enkle septemberarations og løsemiddel utvinning på grunn av ikke-volatiliteten i IL, senke kapitalinvestering. Den isolerte lignin er luktfri. Den presenterte Ionosolv Prosessen er i sin funksjon meget lik den organosolv-fremgangsmåten som anvender surgjort vandig etanol. Men da de ioniske væskene ha ubetydelig damptrykk (reduksjonsprosesstrykk mot atmosfærisk), resirkuleringen av oppløsningsmiddelet er forskjellig, og eksponeringen for middeldamper minimeres.
I forhold til den ioniske væsken prosessen ved bruk av vannfrie, basiske ioniske væsker så som 1-etyl-3-metyl-imidazolium-acetat eller 1-butyl-3-metylimidazoliumklorid, noe som resulterer i en decrystallized cellulosemasse, hvilket ga meget høye saccharification utbytter, fremgangsmåten som anvendes her gir stige til litt lavere glukose utbytter. 24 imidlertid er foreliggende fremgangsmåte fuktighet tolerant, og derfor ikke krever energikrevende tørking, og bruker ioniske væsker som er mye lettere syntetiserte og derfor expected å være betydelig rimeligere.
Som med en hvilken som helst anvendelse av ioniske væsker, er en av de viktigste fordelene muligheten til å justere egenskapene til den ioniske væsken ved å variere kationet kjerne, som strekker seg fra imidazolium til ammonium, og ved å endre antallet, lengde, symmetri og substitusjon av alkylkjeder på kationet. 25 i det spesielle tilfelle av den protoniske ioniske væsker som brukes i denne protokollen, kan syren og bunn og vanninnholdet benyttes til å konstruere løsningsmidlet. 26, 27. dette gir opphav til oppløsningsmidler med et bredt spekter av polariteter, surheter, viskositet og andre fysiske egenskaper.
Andre parametre som kan justeres inkluderer biomasse lasting, forbehandling temperatur og tid, og tilsetningsstoffer. I tillegg vil kostnadene forbundet med oppløsningsmidler, utstyr og energitilførselen må tas i betraktning og optimalisert, hvis denne forbehandling alternativet er å bli brukt i et kommersielt miljø.
f.eks, for fremstilling av harpikser eller aromatiske kjemikalier, eller produksjon av cellulose eller sukker avledet materialer og kjemikalier. Protokollen kan brukes som grunnlag for å utarbeide modifiserte protokoller, for eksempel ved å bruke større rørt reaktorer eller kontinuerlige strømnings reaktorer. Resultatene av slike eksperimentelle studier vil gi rom for tekno-økonomisk analyse av denne ionisk væske basert fraksjoneringsprosess.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne erkjenner Grantham Institute for Climate Change og miljø, klima-KIC og EPSRC (EP / K038648 / 1 og EP / K014676 / 1) for finansiering og Pierre Bouvier for å gi eksperimentelle data for furu 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).
