Introduction
energievraag Meeting mensheid duurzaam is één van de grootste uitdagingen die onze beschaving wordt geconfronteerd. Energieverbruik zal naar verwachting verdubbelen in de komende 50 jaar, waardoor een grotere druk op fossiele grondstoffen brandstof. 1 De opbouw van broeikasgassen (BKG) in de atmosfeer door wijdverbreide gebruik van fossiele brandstoffen is bijzonder problematisch, zoals CO 2 opgewekt door de verbranding van fossiele brandstoffen is verantwoordelijk voor 50% van de antropogene broeikaseffect. 2 Daarom is grootschalige toepassing van hernieuwbare en koolstofneutrale technologieën is essentieel voor het voldoen aan de verhoging van de energie en de materiële behoeften van toekomstige generaties. 1, 3
Plantaardige biomassa de meest veelzijdige hernieuwbare bron, als het kan worden gebruikt om warmte, elektriciteit en koolstof gebaseerde chemicaliën, materialen en brandstoffen. Belangrijkste voordelen van lignocellulose biomassa ten opzichte van andere soorten biomassa zijn de overvloed, potentieel voor hoge opbrengsten per gebied van land en vaak veel hoger CO 2 -uitstoot besparingen, die een hoge retentie van koolstof in de bodem omvat. 4, 5 Bijkomende voordelen van het gebruik van biomassa zijn onder andere lokale beschikbaarheid, lage kapitaaleisen om biomassa om te zetten in energie, en bodemerosie voorkomen. 8
De belangrijkste productie van lignocellulose grondstoffen zijn de houtverwerkende industrie en de agrarische sector, alsmede het beheer van stedelijk afval. 6 lignocellulose productie heeft de potentie om uit te breiden, met een geest aan het beperken van de ontbossing en het vermijden van de vervanging van voedselgewassen en het vrijkomen van potentieel schadelijke stoffen. 7 voor duurzame biomassa een levensvatbare wijdverbreide bron van vloeibare transportbrandstoffen en chemicaliën worden, moet de verwerking ervan economisch concurrerend met fossiele brandstoffen conversie technologieën. 9, 10 a sleutel om dit te bereiken is om de opbrengst en kwaliteit van biomassa afgeleide tussenproducten verhogen, terwijl het verminderen cost. </ P>
Lignocellulose bevat een hoog gehalte aan suikers die via katalytische en microbiële omzettingen kunnen worden omgezet in brandstoffen en chemicaliën. 11 Deze suikers aanwezig in lignocellulose in polymere vorm cellulose en hemicellulose zijn. Zij kunnen worden gehydrolyseerd tot glucose en andere suiker monomeren en vervolgens gebruikt voor de productie van bio-ethanol en andere bio-afgeleide chemicaliën en oplosmiddelen. 12
Om toegang te krijgen tot de cellulosehoudende suikers, voorbehandeling van de biomassa is noodzakelijk door middel van fysische, chemische, of gecombineerde processen. 4 De voorbehandeling is misschien wel de duurste stap in de valorisatie van lignocellulose biomassa. Vandaar dat onderzoek naar betere voorbehandeling processen is noodzakelijk.
Diverse voorbehandeling technologieën beschikbaar. Van bijzonder belang zijn die welke de lignine uit cellulose (fractionative voorbehandeling) scheiden. Lignine, het derde belangrijke component inlignocellulose, beperkt de toegang tot het hydrolyseren middelen cellulose en hemicellulose en vermindert de suikeropbrengst per ton voeding. 11 De afgescheiden lignine kan worden gebruikt als een extra biorefinery tussenproduct indien wordt geïsoleerd in geschikte kwaliteit. 13 Een fractionative proces Kraft proces dat is de meest voorkomende voorbehandeling papier / celluloseproduktie. Kraft pulpen worden houtsnippers geplaatst in een mengsel van natriumhydroxide en natriumsulfide en verhit bij verhoogde temperaturen van ongeveer 170 ° C onder hoge druk. 14 De alkalische reacties verwijderen hemicellulose en lignine door het breken van de polymeren naar korte fragmenten via nucleofiele en basische katalyse, en door het oplossen van de ligninefragmenten via de-protonering fenolische hydroxylgroepen / alcoholgroepen. Een ander gemeenschappelijk onthouting proces is de organosolv en waarbij ook fragmenten en lost de lignine en hemicellulose. In plaats van een alkalisch aqueoons oplossing, organische oplosmiddelen zoals ethanol en azijnzuur worden gebruikt bij hoge temperaturen tussen 160-200 ° C en drukken 5-30 bar. Organosolv voorbehandeling heeft een aantal voordelen ten opzichte van kraftcelstofproductie in die het produceert minder lucht- en watervervuiling. 15 Beide processen beschikken over een aantal economische uitdagingen, als het gebruikt wordt voor de productie van chemicaliën en brandstoffen in plaats van cellulose. 16 De Ionosolv voorbehandeling maakt gebruik van ionische vloeistoffen, die zouten die smeltpunten beneden 100 ° C en, als gevolg van hun krachtige Coulomb interacties zeer lage dampdrukken. 17 Hierdoor luchtverontreiniging in het voorbehandelingsproces en maakt verwerking bij of nabij atmosferische druk.
Terwijl de meeste IL's worden gemaakt in bewerkelijk, meerstaps syntheses kunnen protische IL's worden bereid in een enkelvoudig proces van basischemicaliën, waardoor ze goedkoper maakt; wordt geschat dat bepaalde IL's kunnen worden geproduceerd kwantitatieve weegschaal voor eenprijs van $ 1,24 per kg vergelijkbaar met gangbare organische oplosmiddelen zoals aceton en tolueen. 18 De mogelijkheid om te recycleren en hergebruiken deze klantgerichte IL's in een proces dat werkt bij relatief lagere temperaturen en drukken maakt dit een gunstige alternatief en een economisch aantrekkelijke kandidaat voor bioraffinage.
Deze gedetailleerde protocol video toont een laboratoriumschaal versie van de Ionosolv werkwijze voor de delignificatie van lignocellulose biomassa en de uiteindelijke enzymatische versuikering van cellulose-pulp rijke en het herstel van een zeer zuiver geurvrij lignine. 19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Opmerking: De protische ionische vloeistoffen die bij de werkwijze worden gesynthetiseerd in ons laboratorium, hoewel sommige of commercieel verkrijgbaar zou kunnen worden. De resulterende ionische vloeistoffen zijn zuur en corrosief en waarschijnlijk de huid / irriterend voor de ogen (afhankelijk van de gebruikte amine), en moet daarom met zorg dragen geschikte PPE (laboratoriumjas, veiligheid specs, bestendige handschoenen) worden behandeld.
1. Voorbereiding
- Het voorbereiden en het opslaan van de lignocellulose biomassa
- Verkrijgen van de lignocellulosische biomassa vóór het experiment in voldoende hoeveelheden, bijvoorbeeld 100 g tot 5 kg.
Opmerking: Elk experiment heeft tenminste 3 g biomassa (1 g elk in drievoud). - Verminder het vochtgehalte kort na de oogst en bewaar de biomassa in lucht gedroogde vorm in het laboratorium. Air-droog de biomassa door het verspreiden van de biomassa op een tafel of bank en het verlaten van het voor 2 weken of tot het droog wordt weergegeven. Verplaats en draai de biomassa tijdens tde tijd om het proces te versnellen. Voer de fractionering experimenten binnen een jaar na de oogst.
Opmerking: Direct na de oogst kan houtachtige biomassa tot 50 gew% vocht bevatten, terwijl de lucht gedroogde biomassa dat stabieler bevat 5-12 gew% vocht. - Grind en zeef de biomassa aan een select deeltjesgrootte. Bewaar de gedroogde biomassa in plastic zakken of andere geschikte houders tot gebruik.
Opmerking: Voor de kleine monsters behandeld in dit protocol, wordt een gereduceerde deeltjesgrootte aanbevolen, bijvoorbeeld 180-850 urn.
- Verkrijgen van de lignocellulosische biomassa vóór het experiment in voldoende hoeveelheden, bijvoorbeeld 100 g tot 5 kg.
- Bepaling van het vochtgehalte van de biomassa (volgens het protocol NREL) 20
- Het vochtgehalte van de biomassa te bepalen, preweigh een stuk aluminiumfolie (grootte ongeveer 5 cm x 5 cm) op een analytische balans en het gewicht van de folie (folie m) opnemen. Weeg ongeveer 100 mg van de lucht gedroogd biomassa op de aluminium folie en noteer de exacte air-dried gewicht (m ADW).
- Vouw het aluminiumfolie om een pakket en plaats 's nachts te maken in een heteluchtoven op 105 ° C (ten minste gedurende 4 uur).
- Neem het pakket uit en plaats deze onmiddellijk in een exsiccator gedurende 5 minuten, dan weegt het pakket onmiddellijk en noteer de exacte gewicht van de oven gedroogd gewicht plus folie (m ODW + folie). Bereken het vochtgehalte (in%) van de biomassa mc BM volgens vergelijking 1:
Eq. 1
Waarbij m + ODW folie is het gewicht van de ovengedroogde packet (ovengedroogd biomassa plus folie), m folie wordt het gewicht van de folie en m ADW de lucht gedroogd gewicht van de biomassa. Alle gewichten moeten hetzij in g of in mg.
- Synthese van Ionic Liquid
- In een zuurkast of geventileerde behuizing, weegt 1 molvan het amine (triethylamine) in een 1 L rondbodemkolf met magnetische roerstaaf. Plaats de kolf in een ijsbad op een magnetische roerder plaat. Voeg 250 ml toevoegtrechter onmiddellijk verdamping van het amine te minimaliseren.
Let op: Zorgen voor de juiste zuur: base verhouding is van groot belang voor het bereiken van de reproduceerbaarheid van de voorbehandeling experimenten. - Meet 1 mol zwavelzuur met een oplossing van bekende concentratie (in dit voorbeeld 5 mol / L) en een volumetrische kolf (200 ml). Breng het zwavelzuur in de toevoegtrechter en spoel elk zuur aan de wand van de maatkolf in de toevoegtrechter met gedeïoniseerd water.
- Voeg het zwavelzuur druppelsgewijs aan de amine onder krachtig roeren. Zorg ervoor dat de oplossing niet opwarmt, omdat dit zou leiden tot het kookpunt van het amine en een onjuiste verhouding van zuur naar de basis. Spoel de binnenkant van de toevoertrechter gebruikt gedeïoniseerd water om het zuur wordt kwantitatief overgebracht waarborgen.
Notitie: Grotere partijen ionische vloeibare oplossing kan worden door verhogen van de hoeveelheid amine en zwavelzuur en de kolf volume aan. - Verdamp het meeste water met een rotatieverdamper. Het watergehalte lager is dan het watergehalte vereist voor de voorbehandeling zijn.
Opmerking: Het is niet nodig om de ionische vloeistof volledig te drogen. Het kan gunstig zijn om water te laten in de ionische vloeistof, zoals sommige gedroogde ionische vloeistoffen, zoals triethylammonium waterstofsulfaat, zijn vaste stoffen bij kamertemperatuur. Een vriesdroger kan ook worden gebruikt om het watergehalte te verlagen.
- In een zuurkast of geventileerde behuizing, weegt 1 molvan het amine (triethylamine) in een 1 L rondbodemkolf met magnetische roerstaaf. Plaats de kolf in een ijsbad op een magnetische roerder plaat. Voeg 250 ml toevoegtrechter onmiddellijk verdamping van het amine te minimaliseren.
- Bevestigen en aanpassen van het watergehalte van de oplossing IL
Opmerking: Het watergehalte is een belangrijke experimentele variabele. Er zijn drie bronnen die het water in de voorbehandelingsvloeistof mengsel kan komen. Ieder van hen moet rekening worden gehouden met: (1) het water in de gesynthetiseerde of gekocht ionische vloeistof oplossing (2) het water in thij lucht gedroogd biomassa en (3) het water toegevoegd met een pipet om de uiteindelijk gewenste watergehalte te bereiken.- Bepaal het watergehalte van de gesynthetiseerde of eerst ionische vloeistof oplossing door volumetrische Karl Fischer titratie volgens de instructies van de fabrikant titrator. Een paar druppels van de IL in de titrator met een vooraf gewogen spuit. Voer het gewicht van de vloeistof toegevoegd aan de titrator en wacht tot de titrator een lezing geeft. Noteer het watergehalte.
- Beslis over een watergehalte voor de biomassa voorbehandeling. In dit experiment gebruikt 20 gew%. Verminderen het watergehalte 5 gew% onder het gewenste watergehalte met een rotatieverdamper en bevestigen nieuwe watergehalte van Karl Fischer titratie zoals beschreven in 1.4.1.
Opgelet: Goede resultaten worden verkregen met 20 gew% water; Dit kan echter niet altijd optimaal voor voorbehandeling worden. Een hoger watergehalte kan worden gekozen om oplosmiddel kosten te beperken en lagere viscositeit.
<li> De berekeningen voor het experiment. - Beslis over de hoeveelheid ionische vloeistof oplossing m sol, finale en een biomassa-to-oplosmiddel verhouding BM / sol finale. Hier, Gebruik 10 g ionische vloeistof oplossing met 20 gew% water en een biomassa-tot-oplosmiddel verhouding van 01:10 g / g.
Opmerking: De in dit protocol buizen is geschikt tot 18 g van IL oplossing als de biomassa verhouding oplosmiddel 01:10 (w / w). Een veel biomassa naar oplosmiddelverhouding (1: 2 of 1: 1) gunstig vanuit economisch oogpunt, maar kan de voorbehandelingsvloeistof werkzaamheid op kleine schaal beschadigen. - Bepaal de hoeveelheid (watervrij) ionogene vloeistof voor elk monster volgens de volgende vergelijking 2:
Eq. 2
Waarin m IL wordt de vereiste hoeveelheid ionische vloeistof in g m sol, laatste is de gewenste hoeveelheid ionische vloeibare oplossing in g en wc uiteindelijke </ Sub> de gewenste watergehalte (in%) in de ionische vloeistof oplossing. - Bereken vervolgens de hoeveelheid gesynthetiseerde of eerst ionische vloeibare oplossing in elk drukbuis worden toegevoegd volgens de volgende vergelijking 3:
Eq. 3
Waarin m sol is de hoeveelheid oplossing die moet worden toegevoegd aan elke drukbuis (in grammen), m IL is de benodigde hoeveelheid ionische vloeistof (in gram) en wc sol is het watergehalte in de ionische vloeibare oplossing (in%) zoals bepaald met Karl Fischer titratie. - Bepaal de hoeveelheid biomassa (ovengedroogd gewichtsbasis) de ionische vloeibare oplossing worden toegevoegd met behulp van vergelijking 4 hierna. In dit experiment werd gebruik 1 g ovengedroogde Miscanthus biomassa per drukbuis.
Eq. 4
Wanneer ODW is de hoeveelheid biomassa te voegened in elk drukbuis (in grammen), m sol, laatste is de gewenste hoeveelheid ionische vloeibare oplossing (in gram) en BM / sol laatste is de gewenste verhouding van biomassa-tot-ionische vloeibare oplossing. - Bepaal het gewicht van lucht gedroogde biomassa die moet in de buis toegevoegd met de volgende vergelijking 5:
Eq. 5
waarbij ADW de lucht gedroogd gewicht van de biomassa worden toegevoegd aan de buis (in gram), wordt ODW oven gedroogd gewicht van de biomassa nodig is voor het experiment (1.5.4 bepaald in gram) en mc BM is de waarde bepaald in 1.2.3. - Berekenen hoeveel water toegevoegd met een pipet om de gewenste uiteindelijke watergehalte bereiken volgens de volgende vergelijking 6 nodig:
Eq. 6
Waar m water is de hoeveelheidwater toegevoegd, wc laatste is het gewenste watergehalte in de voorbehandelingsvloeistof mengsel (hier 20 gew%), m sol.final is de hoeveelheid oplosmiddel (hier 10 g), mc BM is het vochtgehalte van de lucht gedroogde biomassa , m BM is de hoeveelheid lucht gedroogd biomassa worden toegevoegd, wc sol is het watergehalte van de gesynthetiseerde of om eerst ionische vloeibare oplossing en m sol is de hoeveelheid ionische vloeistof oplossing.
Eq. 1 
Eq. 2 
Eq. 3 
Eq. 4 
Eq. 5 
Eq. 6 2. Voorbehandeling
Opmerking: De werkwijze kan op ieder moment worden onderbroken door het verlaten van de monsters bij kamertemperatuur (enkele dagen) of in de koelkast (langer).
- Pre-wegen drie 15 ml druk buizen met Teflon caps en silicone O-ringen. Inspecteer de druk buizen te zorgen dat ze geen scheuren of gebreken.
Opmerking: Grotere drukbuizen montage meer ionische vloeistof en biomassa kunnen desgewenst worden gebruikt, hoewel voorbehandeling resultaten nietdirect vergelijkbaar tussen de monsters in verschillende maten flacon behandeld. Wij raden het gebruik van-front afsluitdoppen voor een betere afdichting. - Met een 10 ml pipet wordt de vereiste hoeveelheid ionische vloeibare oplossing in de drukslang staande op de schaal. Gebruik kurk ringen aan de buis staande te houden. Noteer het gewicht van de ionische vloeibare oplossing toegevoegd. Voeg de vereiste hoeveelheid water om de vastgestelde 1.5.6 met een pipet oplossing, uitgaande van de dichtheid van water worden 1 g / ml.
- Voeg de vereiste hoeveelheid lucht gedroogd lignocellulose door een stuk aluminiumfolie (afmetingen 3 cm x 8 cm) op evenwicht, het evenwicht en tarra gewicht van de biomassa. Tarreer de balans en voeg de biomassa aan de buis. Plaats de lege folie terug op de balans en het verschil op te nemen.
Let op: Als alternatief kunnen antistatische weegschuitjes worden gebruikt. - Sluit het deksel met een teflon cap met siliconen O-ring. Controleer of er een goede afdichting zonder over-aanscherping. Noteer het gewicht van de pressure buizen met biomassa en ionische vloeistof. Meng de inhoud van de buis met behulp van een vortex shaker totdat alle biomassa in contact met de ionische vloeistof.
Opmerking: Niet alle O-ring materialen weerstaan in contact met ionische vloeistoffen bij verhoogde temperatuur. We vonden dat siliconen werkt goed. - Plaats de drukbuizen in een heteluchtoven die is voorverwarmd tot de gewenste temperatuur. Zo laat de buizen gedurende 8 uur bij 120 ° C of gedurende 1 uur bij 150 ° C.
Opmerking: Tijd en temperatuur zijn belangrijk experimentele variabelen. Andere time - temperatuur combinaties kunnen worden gebruikt. - Verwijder de flesjes uit de oven met behulp van een ovenwant en leg ze in een zuurkast om hen te laten afkoelen tot kamertemperatuur. Controleer het gewicht van de flesjes na afkoelen tot verzekeren geen water ontsnapt tijdens het koken.
3. Pulp Wash
- Breng de inhoud van elke buis in een 50 ml centrifugebuis met behulp 40 ml absolutee ethanol. Schud de buis met behulp van een vortex shaker gedurende 1 min goed te mengen en laat de buis bij kamertemperatuur gedurende tenminste 1 uur.
Opmerking: De scheiding kan ook met behulp van filtratie worden uitgevoerd, maar kan minder nauwkeurig worden waargenomen voor de voorgestelde steekproef. - Schud de buis met behulp van een vortex shaker nog eens 30 sec, centrifugeer de buis gedurende 50 minuten bij 2000 x g. Aparte vloeibaar en vast door zorgvuldig decanteren. Het verzamelen van de vloeistof in een schone 250 ml rondbodemkolf met roerstaaf.
- Voeg 40 ml vers ethanol in de 50 ml buis en herhaal stap 3.2 drie keer.
- Wordt de ethanol uit de ionische vloeistof door het plaatsen van de rondbodemkolven op een verwarmingsblok. Sluit elk van hen een vacuümpomp met een koude val. Vul de val met droogijs en stel de verwarming tot 40 ° C. Schakel roeren en pomp.
Let op: Dit experiment maakt gebruik van een zelfgemaakte parallel verdamper set-up op basis van een parallelle synthese set-up. Parallel verdampers kan ook purchased kant en klare. Als alternatief kan een roterende verdamper kan worden gebruikt.
- Wordt de ethanol uit de ionische vloeistof door het plaatsen van de rondbodemkolven op een verwarmingsblok. Sluit elk van hen een vacuümpomp met een koude val. Vul de val met droogijs en stel de verwarming tot 40 ° C. Schakel roeren en pomp.
4. Soxhlet extractie van Pulp
- Breng de natte gewassen pulp in cellulose vingerhoedjes en labelen elk vingerhoed met een potlood.
- Vul 150 ml absolute ethanol in een schone 250 ml rondbodemkolf met roerstaaf. Steek de-monster dat vingerhoedje in een 40 ml Soxhletapparaat, voeg een condensor en installeer alles op de parallelle afzuigkap werkstation aangesloten op een recirculatie koelmachine.
Opmerking: Wanneer ethanol werd gebruikt om de pulp te dragen, voeg alleen het verschil met 150 ml aan de rondbodemkolf. - Wanneer alle monsters zijn geladen, beginnen te roeren, de temperatuur tot 135 ° C en zet de Recirculator (temperatuur instellen van 18 ° C). Extraheer de pulp monsters voor 20 uur in totaal.
- Zet de verwarming om reflux tot stilstand te komen. Schakel dan zowel te roeren en af te koelen. Neem de vingerhoedjes uit de Soxhletapparaatmet een pincet en laat de natte pulp droog in de vingerhoed 's nachts in een zuurkast.
- Voeg de vloeistof uit de Soxhlet-extractie om de vloeistof uit de biomassa verder wassen en verdampen het ethanol uit de biomassa wassen met de parallelle verdamper of een rotatieverdamper bij 40 ° C.
- Breng de lucht gedroogde pulp uit de huls op een stuk aluminiumfolie getarreerd op een analytische balans, registreren de lucht gedroogde gewicht van het geëxtraheerde pulp en breng deze in een gemerkt plastic zak. Proberen om alles te herstellen, terwijl niet vingerhoed materiaal af te schrapen de muur.
- Moet het vochtgehalte van de pulp onmiddellijk de ovengedroogde opbrengsten te berekenen (zoals eerder getoond in stap 1,4).
5. Lignine Isolation
- Wanneer alle ethanol verdampt, precipiteren de lignine in door de ionische vloeistof uit de rondbodemkolf in een 50 ml centrifugebuis met behulp 30 ml water. Meng de schorsing en laat ten minste 1 uur.Centrifugeer gedurende 20 minuten bij 2000 xg, en scheiden de oplossing van de vaste stof door decanteren.
Let op: In dit protocol, worden 3 equivalenten water gebruikt als anti-oplosmiddel. Minder anti-oplosmiddel kan worden gebruikt, indien gewenst. De wassingen kunnen worden verzameld, het water verwijderd en de ionische vloeistof teruggewonnen voor herhaald gebruik. - Voeg 30 ml gedestilleerd water om de lignine pellet in de centrifugebuis. Herhaal de menging, incubatie gedurende 1 uur en centrifugeren. Herhaal deze procedure voor een totaal van 3 wassingen lignine.
- Droog de lignine in de centrifugebuis met een vacuümoven en een doorboord deksel bij 45 ° C overnacht. Om de lignine opbrengst te bepalen, plaats een stuk aluminiumfolie op de balans, tarra van het gewicht, voeg lignine uit de oven en het gewicht onmiddellijk op te nemen. Breng de lignine in een flesje voor opslag.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De exacte hoeveelheid lignine lignine verwijdering en precipitatie teruggewonnen pulp en glucose rendement afhankelijk van het type gebruikte biomassa, de temperatuur waarbij de behandeling wordt uitgevoerd en de duur van de behandeling. Korte voorbehandeling en lage temperaturen leiden tot incomplete voorbehandeling terwijl bij hogere temperaturen de cellulose instabiel in de ionische vloeistof, wat leidt tot hydrolyse en afbraak. De geselecteerde ionische vloeistof speelt een belangrijke rol bij het resultaat van de fractionering.
Figuur 1 toont de samenstelling van onbehandelde Miscanthus (gras) en pine (zacht hout) en de Miscanthus en pine pulp verkregen na voorbehandeling met triethylammonium HSO 4 gedurende 8 uur bij 120 ° C (compositionele analyse werd uitgevoerd volgens de NREL protocol). 21 het is duidelijk uit de figuur dat Ionosolv voorbehandeling bij these omstandigheden leverde verschillende resultaten voor de twee soorten biomassa. Bij het gras biomassa meeste lignine en hemicellulose verwijderd, terwijl de voorbehandeling van naaldhout voornamelijk verwijderde de hemicellulose en slechts een kleine hoeveelheid lignine. Het verschil in de resultaten van de voorbehandeling was even uitgesproken wanneer het teruggewonnen pulp onderworpen aan enzymatische versuikering. 22 Terwijl 77% van de theoretische glucoseafgifte werd verkregen Miscanthus, pijnboom leverde slechts 13%. Het verschil in lignine extractie wordt weerspiegeld in de lignine opbrengst: 20% en 5% van het begingewicht biomassa teruggewonnen lignine voor Miscanthus en pijnbomen, respectievelijk.
Het verschil in resultaten tussen de voorbehandeling beide grondstoffen wordt toegeschreven aan de verschillende typen lignine aanwezig in grassen en zachthout; de G soort lignine van zachthout meer recalcitrant en moeilijker te verwijderen dan gras lignine.
Figuur 1. Samenstelling van Miscanthus en pijn voor en na voorbehandeling met [triethylammonium] [HSO 4] met 20 gew% water gedurende 8 uur bij 120 ° C. Dit werd bepaald door de samenstelling NREL analyseprocedure. 21 Zie Referentie 21 voor een meer gedetailleerd protocol. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Lignine wordt gekenmerkt door heteronucleair quantum coherentie (HSQC) NMR analyse waaruit die etherbindingen gesplitst tijdens de voorbehandeling, terwijl nieuwe CC bindingen worden gevormd. 19 Verder is gebleken dat het molecuulgewicht, die kan worden geschat met GPC, is veel lager dan die van natuurlijk lignine. Bij langere tijden voorbehandeling verhoogt het molecuulgewicht door condensatiereacties. Reactie van het lignine met de ionische vloeistof minimaal is zoals blijkt uit een marginale toename van het zwavelgehalte en geen toename van het stikstofgehalte van de lignine in de tijd.
Verdere analyse kan achterhalen of interesse worden uitgevoerd. XRD analyse van de teruggewonnen cellulosepulp zich over het algemeen hoge kristalliniteit. 17 De gewonnen ionische liquor kan met HPLC om opgeloste suikers en afbraakproducten daarvan te detecteren onderzocht. 23
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De techniek voor de fractionering van lignocellulosische biomassa hier gepresenteerde produceert een celluloserijke pulp en lignine. De meeste van de hemicellulose wordt opgelost in de ionische vloeistof en gehydrolyseerd, maar niet hersteld. Als hemicellulose suikers gewenst, kan een hemicellulose pre-extractiestap voor de Ionosolv delignificatie noodzakelijk. Het is tot nu toe onmogelijk geweest om een massabalans volledig sluiten van de biomassa, omdat het niet mogelijk is alle afbraakproducten in de ionische liquor, vooral die voortvloeien uit lignine identificeren en te kwantificeren. Een gedetailleerde studie over recycling en massabalans is aan de gang en zal naar verwachting binnenkort worden gepubliceerd.
De ethanolwassing moet er op kleine schaal om een goede scheiding te bereiken, als restafval ionische vloeistof aan het oppervlak van de pulp kan hechten enzymactiviteit tijdens versuikering verminderen zodat de laboratoriumschaal analyse voorspannen. Opgemerkt wordt dat devolumes wassen ethanol verbruikt in dit protocol zijn niet compatibel met de scale-up en zijn waarschijnlijk niet nodig als het proces is te bedienen op commerciële schaal.
Deze experimentele opstelling vertrouwt volledig op convectie om massa-overdracht te vergemakkelijken. Roeren wordt echter verwacht dat de reactie te vergemakkelijken en zou kunnen veranderen benodigde reactietijden en lignine extractie efficiëntie.
Over het algemeen is de gepresenteerde biomassa voorbehandeling protocol bleek zeer effectief voor de fractionering van lignocellulosische biomassa zijn. De belangrijkste voordelen ten opzichte van waterige en mechanochemische (dat wil zeggen, stoomexplosie) processen zijn de verbeterde selectiviteit, dat wil zeggen, een schone cellulose pulp en een gezuiverde lignine. Een ander voordeel is de relatief milde omstandigheden waaronder de werkwijze kan worden uitgevoerd. Voordelen ten opzichte van andere lignine solvaterend processen (dat wil zeggen, Kraft verpulveren of organosolv voorbehandeling) zijn de eenvoudige septembermenselijke consumptie, en oplosbare terugwinning gevolg van de niet-vluchtigheid van de IL verlagen van de kapitaalinvesteringen. De geïsoleerde lignine is geurvrij. De gepresenteerde Ionosolv proces in zijn functie vergelijkbaar met het proces dat organosolv aangezuurde waterige ethanol gebruikt. Aangezien de ionische vloeistoffen een verwaarloosbare dampdruk (reductiewerkwijze druk atmosferisch richting), het terugvoeren van het oplosmiddel anders en de blootstelling aan dampen geminimaliseerd oplosmiddel.
Vergeleken met de ionische vloeistof proces met behulp van watervrije, basische ionische vloeistoffen zoals 1-ethyl-3-methylimidazolium acetaat of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, die resulteren in een decrystallized cellulosepulp waarbij zeer hoge versuikering opbrengst, de werkwijze hier gebruikt geeft stijgen tot iets lagere glucose opbrengsten. 24 de onderhavige werkwijze is vochttolerante, dus zonder eigen energie-intensieve droging en gebruikt ionische vloeistoffen die veel gemakkelijker gesynthetiseerd en daarom eERWACHTE aanzienlijk minder duur.
Zoals bij elke toepassing van ionische vloeistoffen, een van de belangrijkste voordelen is de mogelijkheid om af te stemmen de eigenschappen van de ionische vloeistof door het variëren van het kation kern, van imidazolium ammonium, en door het veranderen van het aantal, de lengte, symmetrie en substitutie van alkylketens op het kation. 25 in het bijzondere geval van de protische ionische vloeistoffen gebruikt in dit protocol, kan het zuur baseverhouding en het watergehalte worden gebruikt om het oplosmiddel te ontwerpen. 26, 27 Hierdoor ontstaat oplosmiddelen met uiteenlopende polariteiten zuurgraden, viscositeiten en andere fysische eigenschappen.
Andere parameters die kunnen worden aangepast zijn onder andere biomassa laden, voorbehandeling temperatuur en tijd, en additieven. Daarnaast zullen de kosten oplosmiddelen, apparatuur en energietoevoer rekening moet worden gehouden en geoptimaliseerd, als deze voorbehandeling optie wordt gebruikt in een commerciële omgeving.
bijvoorbeeld voor de productie van harsen of aromatische chemicaliën, of de productie van cellulose of suiker afgeleide materialen en chemicaliën. Het protocol kan worden gebruikt als basis om gewijzigde protocollen, zoals ontwerpen, het gebruik van grotere geroerde reactoren of de reactoren. De resultaten van deze experimentele studies zal zorgen voor technisch-economische analyse van deze ionische vloeistof gebaseerde fractionering proces.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs erkennen de Grantham Instituut voor klimaatverandering en het milieu, Climate-KIC en EPSRC (EP / K038648 / 1 en EP / K014676 / 1) voor de financiering en Pierre Bouvier voor het verstrekken van experimentele gegevens voor grenen voorbehandelingen.
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).
