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अमोनिया फाइबर विस्तार (AFEX) लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास का प्रीट्रीटमेंट

Published: April 18, 2020 doi: 10.3791/57488
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 5, 5, 5, 5
1Department of Chemical and Biochemical Engineering, Rutgers-State University of New Jersey, 2Michigan Biotechnology Institute (MBI), 3Department of Chemical Engineering and Materials Science, Michigan State University, 4Engineering Technology Department, Biotechnology Program, College of Technology, University of Houston, 5Department of Chemical Engineering, Michigan Technological University

Summary

अमोनिया फाइबर विस्तार (AFEX) एक थर्मोकेमिकल प्रीट्रीटमेंट तकनीक है जो जैव ईंधन और पशु आहार अनुप्रयोगों दोनों के लिए एक अत्यधिक पचाने वाले फीडस्टॉक में लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास (जैसे, मकई स्हूवर, चावल के भूसे और गन्ना बैगेस) को परिवर्तित कर सकती है। यहां, हम लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास पर एएफईएक्स प्रीट्रीटमेंट आयोजित करने के लिए प्रयोगशाला-पैमाने पर विधि का वर्णन करते हैं।

Abstract

लिग्नोसेल्यूलोसिक सामग्री पौधों से व्युत्पन्न फीडस्टॉक्स हैं, जैसे फसल अवशेष (जैसे, मकई स्टोवर, चावल के भूसे, और गन्ना खोसे) और उद्देश्य-विकसित ऊर्जा फसलें (जैसे, गलत और स्विचग्रास) जो जैव ईंधन, जैव रसायन और पशु फ़ीड का उत्पादन करने के लिए बड़ी मात्रा में उपलब्ध हैं। सेल की दीवारों के भीतर एम्बेडेड प्लांट पॉलीसैकराइड्स (यानी, सेल्यूलोज, हेमीसेल्यूलोज और पेक्टिन) उपयोगी उत्पादों में रूपांतरण की ओर अत्यधिक अड़ियल हैं। अमोनिया फाइबर विस्तार (AFEX) एक थर्मोकेमिकल प्रीट्रीटमेंट है जो हाइड्रोलिसिस के लिए एंजाइमों तक पॉलीसैकराइड्स की पहुंच को किण्वित शर्करा में बढ़ाता है। इन जारी शर्करा को बायोरिफाइनरी में ईंधन और रसायनों में परिवर्तित किया जा सकता है। यहां, हम बिना किसी अमोनिया रीसाइक्लिंग के ग्राम-पैमाने पर प्रीट्रीट्ड बायोमास का उत्पादन करने के लिए प्रयोगशाला-पैमाने पर बैच एएफईएक्स प्रक्रिया का वर्णन करते हैं। प्रयोगशाला-पैमाने पर प्रक्रिया का उपयोग इष्टतम पूर्वउपचार स्थितियों (जैसे, अमोनिया लोडिंग, पानी लोडिंग, बायोमास लोडिंग, तापमान, दबाव, निवास समय आदि) की पहचान करने के लिए किया जा सकता है और विस्तृत भौतिक रासायनिक लक्षण वर्णन और एंजाइमेटिक/माइक्रोबियल विश्लेषण के लिए पर्याप्त मात्रा में प्रीमित नमूने उत्पन्न करता है। प्रयोगशाला-पैमाने पर AFEX प्रक्रिया का उपयोग करके प्रीट्रीट किए गए मकई स्टोवर के एंजाइमैटिक हाइड्रोलिस िस से किण्वित शर्करा की उपज समान पूर्वउपचार स्थितियों के तहत पायलट-स्केल AFEX प्रक्रिया के बराबर है। इस पेपर का उद्देश्य लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास के एएफईएक्स प्रीट्रीटमेंट करने के लिए प्रयोगशाला-स्केल रिएक्टरों के सुरक्षित और लगातार संचालन के लिए एक विस्तृत मानक परिचालन प्रक्रिया प्रदान करना है।

Introduction

अमोनिया फाइबर विस्तार (AFEX) एक थर्मोकेमिकल प्रीट्रीटमेंट है जो सेल्यूलोसिक बायोमास प्रीट्रीटमेंट के लिए मुख्य प्रतिक्रियाकर्ता के रूप में अस्थिर अमोनिया का उपयोग करता है। इस प्रक्रिया का मूल रूप से ब्रूस डेल द्वारा लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास के पुनर्जागरण को कम करने और जैविक रूप से उत्प्रेरक प्रीट्रीट किए गए प्रीट्रीट्ड बायोमास डिकंस्ट्रक्शन को किण्वीय शर्करा1,,2में बढ़ाने के लिए आविष्कार किया गया था। अधिकांश अन्य जलीय-आधारित थर्मोकेमिकल प्रीट्रीटमेंट्स3के विपरीत, एएफईएक्स एक शुष्क-से-शुष्क प्रक्रिया है जो बायोमास संरचना में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन का कारण बनती है और इसके संबंधित अपशिष्ट उत्पादन और खर्च के साथ कोई वाशिंग स्टेप की आवश्यकता नहीं होती है। प्रायोगिक पैमाने पर अतिरिक्त अस्थिर अमोनिया की वसूली का प्रदर्शन किया गया है, जिसके परिणामस्वरूप अपशिष्ट उत्पादन और प्रसंस्करण लागत में कमी आई है । एमबीआई द्वारा विकसित पायलट-स्केल पैक ्ड बेड एएफईएक्स रिएक्टर सिस्टम(चित्रा 1)भाप विपठ्ठन का उपयोग करके अवशिष्ट अमोनिया को ठीक करता है और गर्म, केंद्रित अमोनिया को एक नए पैक बिस्तर4,,5में स्थानांतरित करता है। AFEX पूर्वउपचार के बाद, बायोमास में शामिल नाइट्रोजन की मामूली मात्रा जुगाली करने वाले जानवरों और सूक्ष्मजीवों द्वारा गैर-प्रोटीन नाइट्रोजन के रूप में उपयोग करने योग्य हैं। इसके अतिरिक्त, विभिन्न भौतिक रासायनिक तंत्र6,,7,,8के माध्यम से बायोमास अल्ट्रास्ट्रक्चर में फेरबदल करके, एएफईएक्स बायोमास की कार्बोहाइड्रेट-सक्रिय एंजाइमों (CAZymes) तक पहुंच बढ़ाता है और पॉलीसैकराइड्स हाइड्रोलिसिस की दरों को कई गुना8,,9तक बढ़ाता है, जो अपने सेल्यूलोलिटिक माइक्रोबायोम4,,10,,11,,12के माध्यम से जुगाली करने वाले जानवरों द्वारा अपनी डाइजेस्टिबिलिटी को भी बढ़ाता है। किसानों ने लंबे समय से कम निर्जल अमोनिया लोडिंग (और एलटी; 4% w/w ड्राई बायोमास के आधार) और परिवेश दबाव और तापमान10,,11की उपस्थिति में प्लास्टिक टार्प्स के तहत दिनों या हफ्तों के लिए बायोमास को इनक्यूबेटकरके द्वारा जुगाली करने वाले फोरेज की पाचन क्षमता को बढ़ाने के लिए इस विधि का एक सरल संस्करण नियोजित किया है ।

1950 के दशक की शुरुआत में13,14 ,,,,15,15,16,17,18में लकड़ी को डिग्निफाई करने की क्षमता के लिए सबसे पहले निर्जल अमोनिया की जांच की गई थी . 1 9 80 के दशक की शुरुआत में, उप-महत्वपूर्ण परिस्थितियों के तहत दबाव, उच्च तापमान, केंद्रित अमोनिया (>30% एनएच4ओह) का उपयोग डेल प्रयोगशाला में पहली बार लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास19की एंजाइमैटिक डाइजेस्टेबिलिटी और माइक्रोबियल फर्मेनेबिलिटी को बढ़ाने के लिए किया गया था। इस प्रक्रिया के वर्षों में कई नाम परिवर्तन से गुजरना पड़ा, अमोनिया फ्रीज विस्फोट के रूप में शुरू, और फिर अमोनिया फाइबर विस्फोट, और अंत में, अमोनिया फाइबर विस्तार, या बस AFEX । इस के आसपास एक ही समय (1980 के दशक के मध्य), ड्यूपॉंट (अब डो-ड्यूपॉंट) ने बायोमास20,,21,22की पाचन क्षमता बढ़ाने के लिए सुपरक्रिटिकल और लगभग महत्वपूर्ण निर्जल अमोनिया आधारित प्रीट्रीटमेंट प्रक्रियाओं का उपयोग करने का भी पता लगाया ।, हाल के दशकों में, अमोनिया रिसाइकिल/परकोलेशन23 (एआरपी), जलीय अमोनिया (एसएए) में भिगोने, या अमोनिया रीसायकल24के बिना डाउ-ड्यूपॉंट प्रक्रिया सहित एक पूर्व उपचार अभिकर्मक के रूप में पतला जलीय अमोनिया समाधान का उपयोग करने पर जोर दिया गया है । कुछ अतिरिक्त तरीकों ने निर्जल अमोनिया (कम नमी वाले निर्जल अमोनिया (एलएमएए) और कम तरल अमोनिया प्रीट्रीटमेंट25 (एलएए) के उपयोग को देखा है । पिछले कुछ वर्षों में, तरल निर्जल अमोनिया26,,27 और अमोनिया-नमक आधारित समाधान28 का उपयोग करने वाली दो नई उन्नत ऑर्गेनोसोल्व-प्रकार की प्रीट्रीटमेंट प्रौद्योगिकियां हाल ही में विकसित की गई थीं जो अल्ट्रा-लो एंजाइम लोडिंग पर प्रीट्रीट सेल्यूलोसिक बायोमास के चयनात्मक लिग्निन आअंशीकरण और उच्च दक्षता एंजाइटी हाइड्रोलिसिस को सक्षम करती हैं। हाल ही में एक समीक्षा लेख में अमोनिया आधारित पूर्वउपचार29के विभिन्न रूपों के बीच समानताएं और विशिष्ट मतभेदों पर प्रकाश डाला गया है । हालांकि, हाल ही में4तक, अमोनिया आधारित पूर्वउपचार प्रक्रियाओं (AFEX की तरह) के कोई पायलट-स्केल प्रदर्शन नहीं थे जो इस प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले केंद्रित अमोनिया के बंद-लूप रासायनिक रीसायकल के साथ कुशलतापूर्वक युग्मित थे।

इस पेपर में, हम विस्तार से विवरण में प्रयोगशाला पैमाने पर सेल्यूलोसिक बायोमास के इलाज के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल किया AFEX प्रोटोकॉल का वर्णन करने के लिए पूर्व इलाज बायोमास के ग्राम तराजू का उत्पादन (जैसे, 1 से कई १०० ग्राम) । आमतौर पर, बायोमास को पानी (0.1-2.0 ग्राम एच2ओ/जी ड्राई बायोमास) के साथ मिलाया जाता है और कस्टम-निर्मित स्टेनलेस-स्टील ट्यूबलर या परर टाइप रिएक्टरों में लोड किया जाता है। इसके बाद रिएक्टर में एनहाइड्रोस अमोनिया (0.3-2.0 ग्राम एनएच3/जीड्राई बायोमास) जोड़ा जाता है और मिश्रण को वांछित प्रतिक्रिया तापमान (60-180 डिग्री सेल्सियस) पर गर्म किया जाता है। 1980-1990 के दशक से AFEX प्रक्रिया पर पहले प्रकाशनों पूर्व उपचार निवास समय (जैसे, 5-60 min) तुरंत तापमान रैंप के बाद शुरू कर दिया । हालांकि, जैसे ही प्रतिक्रियाएं होती हैं जैसे ही अमोनिया रिएक्टर में जोड़ा जाता है, वर्तमान AFEX प्रक्रिया रिएक्टर के लिए अमोनिया के अलावा तुरंत निवास समय की निगरानी शुरू करने के लिए है । 90 डिग्री सेल्सियस या उससे अधिक के तापमान के लिए, अमोनिया लोड करने से पहले बायोमास को पहले से गर्म करना अक्सर आवश्यक होता है ताकि प्रारंभिक तापमान को न्यूनतम समय अवधि (यानी, & 5 मिन) तक रखा जा सके। निवास समय के पूरा होने पर, एक वाल्व तेजी से दबाव जारी करने के लिए खोला जाता है, और गैस चरण सामग्री एक उपयुक्त रासायनिक धुएं हुड में । लिक्विड से गैस फेज में अमोनिया के तेजी से कन्वर्जन की वजह से रिएक्टर भी ठंडा हो जाता है। छोटे रिएक्टरों (<100 mL रिएक्टर मात्रा) अक्सर धुएं के हुड में तुरंत उतारा जा सकता है, जबकि बड़े रिएक्टरों (>gt;100 mL रिएक्टर मात्रा) को ठंडा करने के लिए अतिरिक्त समय की आवश्यकता हो सकती है। उपयोगकर्ता सुरक्षा के लिए, बड़े पैमाने पर (>100 ग्राम अमोनिया प्रति रिएक्टर रन), नाइट्रोजन के साथ मिटाने के लिए पोत से संभव के रूप में ज्यादा अवशिष्ट अमोनिया को हटाने और उतारने से पहले रिएक्टर सामग्री को ठंडा करने में सहायता करने की सिफारिश की है । आमतौर पर, कोई प्रयास प्रयोगशाला पैमाने पर किया जाता है रीसायकल और/ स्केलिंग-अप के लिए प्रमुख डिजाइन चुनौतियों में से एक AFEX पूर्वउपचार प्रक्रिया न्यूनतम पूंजी और परिचालन लागत के साथ अमोनिया की रीसाइक्लिंग रही है। इसके अलावा, बायोमास में तरल अमोनिया जोड़ने से आम तौर पर तरल की आंशिक चमकती हुई ड्राइव होती है जो बायोमास को ठंडा करती है, एएफईएक्स उपचार शुरू होने से पहले बायोमास-अमोनिया मिश्रण को गर्म करने की आवश्यकता होती है। अमोनिया को तरल के रूप में जोड़ने के बजाय, बायोमास में अमोनिया वाष्प जोड़ने से दो फायदे मिलते हैं: पहला, थोक बायोमास की उच्च porosity अमोनिया वाष्प को तेजी से ले जाने की अनुमति देती है, जिसके परिणामस्वरूप बायोमास में अमोनिया वितरण भी होता है। दूसरा, अमोनिया वाष्प आसानी से और exothermically नम बायोमास में प्रशिक्षित पानी में घुल जाता है, जिसके परिणामस्वरूप गर्मी पीढ़ी जो तेजी से और समान रूप से बायोमास को तपता है। इन फायदों का फायदा उठाने के लिए एमएसयू डेल लैब और एमबीआई दोनों ने अमोनिया वाष्प का इस्तेमाल करते हुए एएफईएक्स उपचार विधियां विकसित की हैं । डेल लैब ने गैसियस अमोनिया प्रीट्रीटमेंट (जीएपी) प्रक्रिया30विकसित की है, और एमबीआई ने पैक ्ड बेड एएफईएक्स रिएक्टर प्रक्रिया(चित्रा 1)4विकसित की है, जिसे पायलट पैमाने पर प्रदर्शित किया गया है। पैक ्ड बेड एएफईएक्स रिएक्टर सिस्टम स्टीम स्ट्रिपिंग विधि4,5का उपयोग करके अमोनिया के पूर्ण पुनर्चक्रण के साथ अर्ध-बैच मोड ऑपरेशन में सक्षम है। यह उपन्यास एमबीआई पायलट-स्केल प्रक्रिया अमोनिया की रासायनिक और भौतिक विशेषताओं का कुशलतापूर्वक बायोमास का कुशलतापूर्वक पुनर्निर्माण करने के लिए शोषण करती है, जबकि अमोनिया को कुशलतापूर्वक रीसाइक्लिंग करती है।

यहां, हम कस्टम-निर्मित 200 मीटर वॉल्यूम ट्यूबलर रिएक्टरों(चित्रा 2)का उपयोग करके प्रयोगशाला-पैमाने पर मकई स्टॉवर के एएफईएक्स प्रीट्रीटमेंट के संचालन के लिए एक विस्तृत रूपरेखा प्रस्तुत करते हैं। एएफईएक्स प्रीट्रीट किए गए नमूनों को व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सेल्यूलोलिटिक एंजाइम कॉकटेल का उपयोग करके प्रीट्रीटमेंट प्रक्रियाओं की प्रभावकारिता प्रदर्शित करने के लिए किण्वित शर्करा को पचा लिया गया था। प्रयोगशाला-पैमाने पर AFEX रिएक्टर के लिए एंजाइमैटिक हाइड्रोलिसके परिणामों की तुलना बड़े पायलट-स्केल AFEX रिएक्टर जनित नमूनों से की गई थी । हमारा लक्ष्य मकई स्टॉवर जैसे सेल्यूलोसिक बायोमास पर एएफईएक्स प्रीट्रीटमेंट करने के लिए प्रयोगशाला-स्केल दबाव वाले रिएक्टरों के सुरक्षित और लगातार संचालन के लिए एक मानक परिचालन प्रक्रिया प्रदान करना है। इस प्रयोगशाला-पैमाने पर AFEX पूर्व उपचार प्रक्रिया (जैसे, पायलट-स्केल पैक ्ड बेड एएफईएक्स प्रक्रिया) में विविधताओं के बारे में अतिरिक्त सहायक जानकारी को आगे पूरक पीडीएफ फ़ाइल में हाइलाइट किया गया है। पैक ्ड बेड एएफईएक्स प्रोसेस ऑपरेशनल स्टेप्स पर एक विस्तृत रिपोर्ट को एक अलग प्रकाशन में हाइलाइट किया जाएगा और एमबीआई-एमएसयू के अनुरोध पर उपलब्ध है ।

Protocol

1. बायोमास नमी सामग्री का समायोजन

  1. कस्टम-निर्मित ट्यूबलर AFEX रिएक्टर(चित्रा 2)का उपयोग करके बेंच या लैब स्केल AFEX प्रीट्रीटमेंट करने के लिए आवश्यक सभी प्रमुख उपकरणों और सामग्रियों को रेखांकित करने वाली सामग्रियों की तालिका देखें।
  2. एक नमी एनालाइजर का उपयोग करबायोमास की कुल नमी सामग्री निर्धारित करें, या 8 घंटे के लिए 105 डिग्री सेल्सियस पर सेट ओवन। ओवन विधि के लिए, नमूनों को सुखाने से पहले पानी के सोखने को रोकने के लिए ठंडा करने के लिए एक गर्मी प्रतिरोधी डेसीकेटर में स्थानांतरित करें। डुप्लिकेट या ट्रिपलेट में प्रक्रिया करें और औसत नमी सामग्री की गणना करें।
  3. रिएक्टर में दिए गए सूखे बायोमास लोडिंग के लिए (यहां, यह 25 ग्राम रखता है), चरण 1.2 में निर्धारित नमी सामग्री का उपयोग करें, यह गणना करने के लिए कि कितना गीला बायोमास लोड करने की आवश्यकता है।
    Equation 1[1]
    जहां एमवेट = बायोमास का कुल द्रव्यमान (गीला वजन आधार); सूखी वजन के आधार पर बायोमास का द्रव्यमानसूखा =; एमसीTWB = कुल वजन के आधार पर बायोमास नमी सामग्री
  4. एक प्लास्टिक कंटेनर में बायोमास (एमगीला)की इस मात्रा का वजन करें।
  5. गणना करें कि वांछित नमी सामग्री प्राप्त करने के लिए गीले बायोमास के साथ कितना पानी मिलाने की आवश्यकता है। मकई स्टॉवर के लिए, यह आमतौर पर 0.6 ग्राम एच2ओ प्रति ग्राम ड्राई बायोमास होता है।
    Equation 2[2]
    जहां मीटरपानी = रिएक्टर में पानी का द्रव्यमान (बायोमास में पानी के अलावा) जोड़ा गया; xपानी = AFEX पानी लोडिंग (जी: जी सूखी बायोमास)
  6. एक स्प्रे बोतल का उपयोग करके, धीरे-धीरे इस मात्रा में पानी (एमपानी)को बायोमास में जोड़ें जिसे पहले तौला गया था और हाथ से अच्छी तरह से मिलाएं।

2. लोड और रिएक्टर को इकट्ठा

  1. रिएक्टर ट्यूब के नीचे एक टोपी और टेफ्लॉन गैसकेट रखकर रिएक्टर शरीर को इकट्ठा करें। बोल्ट जगह में एक शिकंजा, दोनों पागल समान रूप से एक कुल्हाड़ी का उपयोग कर कस ।
  2. गीले बायोमास को असेंबल रिएक्टर बेस पर स्थानांतरित करें और बायोमास के शीर्ष पर ग्लास ऊन का एक प्लग रखें।
  3. रिएक्टर के शीर्ष पर एक टेफ्लॉन गैसकेट रखें। सुनिश्चित करें कि क्षेत्र बायोमास और ग्लास ऊन से मुक्त है, जो एक प्रभावी सील को रोक सकता है, और रिएक्टर सिर को शीर्ष पर रख सकता है, ग्लास ऊन और बायोमास के माध्यम से थर्मोकपल को युद्धाभ्यास कर सकता है।
  4. दोनों पक्षों पर समान रूप से एक शाफ़्ट का उपयोग कर रिएक्टर के शीर्ष पर क्लैंप बोल्ट ।
  5. रिएक्टर (एमरिएक्टर)का वजन करें और वजन रिकॉर्ड करें।

3. रिएक्टर प्रणाली स्थापित करें और अमोनिया ट्रांसफर सिलेंडर भरें

  1. पुष्टि करें कि सभी उपकरणों में खामियों को दूर किया जाता है और परिचालन (तापमान नियंत्रक, तापमान मॉनिटर, सिरिंज पंप, टाइमर)।
  2. प्रत्येक रिएक्टर और नमूना चलाने के लिए वांछित निवास समय के लिए टाइमर सेट करें।
  3. चालू करें और, यदि प्रोग्राम करने योग्य सिरिंज पंप का उपयोग करके, सिरिंज पंप पर अमोनिया वितरण विधि स्थापित करें।
    चरण 1: वापसी।
    चरण 2: 15 सेकंड के लिए प्रतीक्षा करें (वाल्व खोलने और बंद करने के लिए समय की अनुमति देने के लिए)।
    चरण 3: संचार (रिएक्टर में अमोनिया स्थानांतरित करने के लिए) ।
    1. आसान पुन: उपयोग के लिए अनुमति देने के लिए AFEX विधि के रूप में सहेजें।
  4. सत्यापित करें कि छोटे अमोनिया सिलेंडर में और बाहर सभी वाल्व बंद कर रहे हैं।
  5. यदि सिलेंडर पहले इस्तेमाल किया गया है और अवशिष्ट अमोनिया/नाइट्रोजन शामिल हैं, धीरे से खुले वाल्व एक छोटे अमोनिया सिलेंडर के शीर्ष पर किसी भी नाइट्रोजन से खून और वाल्व बंद एक बार तरल अमोनिया बाहर स्पंदन शुरू होता है ।
  6. छोटे अमोनिया सिलेंडर को भरने के लिए, बड़े निर्जल अमोनिया सिलेंडर और अमोनिया लाइन पर सभी वाल्व खोलें। दबाव स्थिर होने तक छोटे अमोनिया सिलेंडर के शीर्ष के पास धीरे-धीरे वाल्व (बी) खोलें। अगले चरण के लिए जारी रखने से पहले 5 मिन के लिए प्रतीक्षा करें । अमोनिया का लगभग 120 मिलीएल इस समय के दौरान मुख्य सिलेंडर से स्थानांतरण सिलेंडर तक चार्ज हो जाता है।
  7. अमोनिया टैंक और छोटे अमोनिया सिलेंडर के बीच सभी वाल्व बंद करें, बाएं से दाएं काम करते हुए, छोटे सिलेंडर (वाल्व बी) से शुरू होकर टैंक के शीर्ष पर मुख्य वाल्व पर परिष्करण करें।
  8. नाइट्रोजन रेगुलेटर को 350 साई में सेट करें। नाइट्रोजन सिलेंडर और संलग्न नियामक पर वाल्व खोलें। धीरे-धीरे नाइट्रोजन जोड़ने के लिए छोटे अमोनिया सिलेंडर पर वाल्व सी खोलें, सिस्टम पर दबाव डालें। रेगुलेटर पर सेट प्वाइंट को एडजस्ट करके छोटे सिलेंडर के प्रेशर को जरूरत के मुताबिक 350 साई में एडजस्ट करें। अमोनिया का वितरण करते समय नाइट्रोजन लाइनें खुली रखें।

4. रिएक्टर को पहले से गरम करें (100 डिग्री सेल्सियस की प्रतिक्रिया तापमान के लिए)

  1. तापमान नियंत्रक के लिए थर्मोकपल और हीटिंग टेप के लिए तापमान मॉनिटर में प्लग करें।
  2. रिएक्टर को 60 डिग्री सेल्सियस तक लाने के लिए तापमान नियंत्रक को मैन्युअल रूप से समायोजित करें।

5. अमोनिया के साथ रिएक्टर लोड

  1. सिरिंज पंप चालू करें यदि पहले से चालू नहीं है।
  2. वांछित अमोनिया लोडिंग (जी:जी ड्राई बायोमास) और पहले से निर्धारित अमोनिया अंशांकन के आधार पर आवश्यक अमोनिया की मात्रा की गणना करें।
    Equation 3[3]
    नोट: क्योंकि अमोनिया पंप मात्रा के आधार पर लोड होता है, जब पहले इसका उपयोग करते हैं, तो आवश्यक द्रव्यमान से मात्रा में परिवर्तित करने के लिए कैलिब्रेट करें। एएफईएक्स के लिए उपयोग की जाने वाली एक ही प्रक्रिया का पालन करें, लेकिन अमोनिया लोड करने और रिएक्टर को तौलने के तुरंत बाद रन (रिएक्टर को वेंट करें) समाप्त करें। रिएक्टर उतारने के लिए इसी प्रक्रिया का पालन करें।
  3. अमोनिया की सही मात्रा लोड करने के लिए विधि स्थापित करें:
    1. धारा 3.3 से AFEX विधि का चयन करें।
    2. प्रेस स्टेप परिभाषा । चरण: 1 । लक्ष्य खंड या समय निर्धारित करें।
    3. संख्या पैड का उपयोग कर के एमएएल में आवश्यक मात्रा में कुंजी और हरे रंग के चेकमार्क दबाएं।
    4. यदि 85 मीटर से अधिक की आवश्यकता है, तो स्प्रेडशीट में निर्दिष्ट राशि के आधे के रूप में लक्ष्य मात्रा दर्ज करें और एक ही सिरिंज मात्रा का उपयोग करके रिएक्टर को दो बार भरें।
    5. "स्टेप: 3" के लिए 5.3.4 के माध्यम से चरण 5.3.2 दोहराएं।
    6. बैक बटन दबाएं।
  4. निकास की ओर छोटे अमोनिया सिलेंडर के तल पर खुला वाल्व (डी), और फिर इसे बंद एक बार किसी भी अवशिष्ट अमोनिया बाहर निकल गया है ।
  5. धुएं हुड के सामने की ओर सिरिंज पंप के अंत पर खुला वाल्व (ई), और फिर किसी भी अवशिष्ट अमोनिया जारी करने के लिए वाल्व (एफ) खुला। बंद वाल्व (ई) और (एफ) ।
  6. रिएक्टर को तापमान मॉनिटर और तापमान नियंत्रक से डिस्कनेक्ट कर दें। रिएक्टर को त्वरित कनेक्ट से अटैच करें।
  7. छोटे अमोनिया सिलेंडर की ओर खुला वाल्व (डी) छोटे अमोनिया सिलेंडर की ओर और खुले वाल्व (ई) छोटे अमोनिया सिलेंडर की ओर।
  8. अनुक्रम शुरू करने और सिरिंज में अमोनिया आकर्षित करने के लिए पंप पर हरे तीर दबाएं।
  9. जब सिरिंज प्रतीक्षा अवधि के लिए स्वचालित रूप से बंद हो जाती है, तो रििंज वाल्व (ई) को रिएक्टर की ओर मोड़ दें, और रिएक्टर इनलेट वाल्व तो यह त्वरित कनेक्ट स्टेम की ओर इशारा कर रहा है।
    देरी के बाद, सिरिंज इंफ्यूजिंग शुरू हो जाएगी, सेट पॉइंट पर स्वचालित रूप से रोक जाएगी।
  10. यदि अमोनिया के 85 से अधिक मीटर की आवश्यकता है, तो 5.9 के माध्यम से चरण 5.7 दोहराएं।
  11. रिएक्टर वाल्व और वाल्व (डी) बंद करें। सिरिंज से अवशिष्ट अमोनिया जारी करने के लिए ओपन वाल्व (एफ) और फिर वाल्व (एफ) और क्लोज वाल्व (ई) बंद करें।
  12. निकास की ओर खुला वाल्व (डी), और फिर अवशिष्ट अमोनिया छोड़ दिया है एक बार इसे बंद कर दें ।
  13. क्रायोजेनिक दस्ताने पहने हुए, रिएक्टर को त्वरित कनेक्ट से हटा दें। संभावित अमोनिया स्प्रे से सावधान रहें। यदि आवश्यक हो तो जारी अमोनिया को वेंट करने के लिए हाथी ट्रंक वेंट लाइन का उपयोग करें।
  14. उपयुक्त रिएक्टर के लिए टाइमर शुरू करें।
  15. रिएक्टर इकाई का वजन यह सत्यापित करने के लिए कि स्प्रेडशीट गणना के आधार पर अमोनिया का उचित वजन जोड़ा गया था।

6. हीटिंग शुरू करें और प्रतिक्रिया की निगरानी करें

  1. तापमान नियंत्रक के लिए थर्मोकपल और हीटिंग टेप के लिए तापमान मॉनिटर में प्लग करें।
  2. अमोनिया के अलावा (निवास समय की शुरुआत) के बाद रिएक्टर के प्रारंभिक तापमान और दबाव को रिकॉर्ड करें।
  3. रिएक्टर को निर्धारित तापमान तक लाने के लिए मैन्युअल रूप से तापमान नियंत्रक को समायोजित करें। लक्ष्य <5 मिन में निर्धारित बिंदु तक पहुंचना है ।
  4. निवास समय के अंत तक रिएक्टर के दबाव और तापमान को रिकॉर्ड करें।
  5. निवास समय के अंत में, तापमान नियंत्रक और थर्मोकपल से रिएक्टर को डिस्कनेक्ट करें, रिएक्टर को स्टैंड से हटा दें, और धीरे-धीरे धुएं हुड के अंदर गेंद रिलीज वाल्व खोलें।
    नोट: इस चरण के दौरान हमेशा चेहरा ढाल पहनें।

7. सिस्टम को बंद करें

  1. रिएक्टर को कुछ मिनटों के लिए ठंडा करने की अनुमति देने के बाद, रिएक्टर पर क्लैंप खोलने के लिए शाफ़्ट रिंच का उपयोग करें।
  2. एक धुएं हुड के अंदर रिएक्टर से बायोमास और ग्लास ऊन उतारें। अवशिष्ट अमोनिया वाष्पित होने के रूप में बायोमास के हवाई संदूषण को रोकने के लिए, हवादार अंतरिक्ष के अंदर एक संलग्न सुखाने बॉक्स के अंदर सूखना सबसे अच्छा है।
  3. रिएक्टर को आसुत पानी से तब तक साफ करें जब तक कि पानी साफ न हो जाए और रिएक्टरों को सूखने की अनुमति न दे।
  4. यदि अभी भी खुला है, तो सभी वाल्व को बंद कर दें और अमोनिया सिलेंडर से जुड़ें।
  5. नाइट्रोजन लाइन पर सभी वाल्व बंद करें।
  6. तापमान नियंत्रक, तापमान मॉनिटर, संतुलन, सिरिंज पंप, और टाइमर बंद कर दें।
    सावधानी: यदि अधिक प्रतिक्रियाओं को चलाने की योजना बना रहे हैं, तो छोटे अमोनिया सिलेंडर को वेंट करना आवश्यक नहीं है। हालांकि, अगर अधिक प्रयोगों को चलाने की कोई योजना नहीं है, तो सुरक्षा के लिए प्रयोग के अंत में छोटे सिलेंडर को हुड में वेंट करना सबसे अच्छा है। ऐसा करते समय, वाल्व को खुला छोड़ना महत्वपूर्ण है क्योंकि अमोनिया की रिहाई बर्फ के गठन का कारण बन सकती है जो कुछ लाइनों को अवरुद्ध कर सकती है। लाइनों गल के रूप में, अतिरिक्त अमोनिया जारी किया जा सकता है । सिस्टम को वेंट करने की अनुमति देते हुए हमेशा वेंटिलेशन कामकाज सुनिश्चित करें। किसी भी अमोनिया का इलाज बायोमास, भले ही यह इस्तेमाल करने का इरादा नहीं है, रात भर धुएं हुड में सूख जाना चाहिए अवशिष्ट अमोनिया वाष्पित करने के लिए अनुमति देते हैं । कूड़े में इसका तुरंत निस्तारण नहीं किया जा सकता।

Representative Results

AFEX प्रीट्रीटमेंट के बाद, बायोमास रंग में गहरा है, लेकिन अन्यथा नेत्रहीन अपरिवर्तित(चित्रा 3)। AFEX प्रक्रिया इस प्रोटोकॉल में उल्लिखित एक के अलावा विभिन्न पैमानों पर अत्यधिक पच सामग्री उत्पन्न करती है। यहां, हम अपने छोटे से २०० मीटर, पैक बिस्तर, बेंच पैमाने पर प्रणाली में एक ही मकई stover नमूना पूर्वशोधित; एक बड़ा 5 गैलन, पारर रिएक्टर उभारा; और एमबीआई का पायलट रिएक्टर। दो छोटे रिएक्टरों (यानी, 200 मीटर और 5 गैलन स्केल) के लिए उपयोग की जाने वाली शर्तें 1.0 ग्राम एनएच3:जीड्राई बायोमास, 0.6 ग्राम एच2ओ:जी ड्राई बायोमास, 30 मिन के लिए 100 ± 5 डिग्री सेल्सियस पर थीं। पायलट-स्केल एएफईएक्स4 को 0.6 ग्राम एनएच3:जीड्राई बायोमास, 0.6 ग्राम एच2ओ:जी ड्राई बायोमास, 30 मिन के लिए 100 ± 5 डिग्री सेल्सियस पर एक ही सामग्री पर किया गया था। बड़े पैमाने पर AFEX प्रीट्रीटमेंट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रोटोकॉल के बारे में विवरण सहायक जानकारी में प्रदान किए जाते हैं (पूरक फ़ाइल 1देखें)। एएफईएक्स प्रीट्रीटमेंट के लिए लक्ष्य तापमान के आधार पर निम्नलिखित 'गुणवत्ता नियंत्रण मानदंड' स्थापित किए गए हैं। यदि सेट पॉइंट पर पहुंचने के बाद, रिएक्टर का तापमान सेट पॉइंट से ± 10 डिग्री सेल्सियस के बाहर चला जाता है, तो प्रयोग को निरस्त किया जाना चाहिए। यदि अमोनिया पंपिंग के बाद लक्ष्य तापमान (5 डिग्री सेल्सियस के भीतर) 5 मिनट के भीतर नहीं पहुंचा है, तो प्रयोग को निरस्त करें। इसके अलावा, एएफईएक्स प्रक्रिया के लिए प्रीट्रीटमेंट प्रभावकारिता का परीक्षण सेल्यूलोलिटिक एंजाइम कॉकटेल का उपयोग करके सुलभ पॉलीसैकराइडको किण्वित शर्करा में हाइड्रोलिज करने के लिए किया जा सकता है। नमूनों को 6% ग्लूकन लोडिंग, पीएच 5.0, 50 डिग्री सेल्सियस और 250 आरपीएम पर 72 घंटे के लिए एक मिलाते हुए इनक्यूबेटर में जलरूपी रूप से जलरूपित किया गया था। 60% सेल्यूलस (CTec3): 40% हेमीसेल्यूलस (HTec3 या NS22246) से मिलकर एंजाइमों का एक वाणिज्यिक कॉकटेल 15 मिलीग्राम एंजाइम/जी ग्लूकन पर लोड एक निश्चित कुल प्रोटीन लोडिंग आधार पर सभी सैकरिफिकेशन परख के लिए नियोजित किया गया था। परिणाम(चित्रा 4)प्रदर्शित करते हैं कि AFEX प्रीट्रीटमेंट सभी मामलों में किण्वित शर्करा की उपज को काफी बढ़ाता है। इसके अलावा, प्रयोगशाला पैमाने AFEX प्रक्रिया का उपयोग कर बायोमास पूर्वइलाज के लिए सेल्यूलोज/जाइलन हाइड्रोलिसिस पैदावार बड़े 5 गैलन Parr रिएक्टर और MBI के पायलट पैमाने से पैक बिस्तर AFEX प्रक्रिया के बराबर है ।

Figure 1
चित्रा 1. लिग्नोसेल्यूसिक बायोमास के पुनर्निर्माण के लिए एमबीआई के एएफईएक्स रिएक्टर के पायलट स्केल ऑपरेशन में शामिल चरणों की योजनाबद्ध रूपरेखा पूरी तरह से कुशल अमोनिया रीसायकल के साथ एकीकृत है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2. ए के लैब-स्केल की योजनाबद्ध) अमोनिया डिलीवरी सिस्टम और बी) वीडियो प्रोटोकॉल में उल्लिखित AFEX प्रक्रिया को करने के लिए उपयोग किए गए छोटे 200 एमएल एएफईएक्स प्रीट्रीटमेंट रिएक्टर का उपयोग किया गया। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3. AFEX पूर्वउपचारित बायोमास में रंग में थोड़ा गहरा होने के अलावा अनुपचारित बायोमास की तुलना में एक बहुत ही समान सकल आकृति विज्ञान है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4. ग्लूकोज और जाइलोज पैदावार 6% ग्लूकन लोडिंग AFEX इलाज मकई स्टॉवर के 72 घंटे एंजाइमेटिक हाइड्रोलिस के बाद प्राप्त यहां दिखाया गया है। सभी सैचरिफिकेशन परखों को यहां बताई गई मीन वैल्यूज (एम) के साथ डुप्लीकेट में किया गया । मानक विचलन (1s) त्रुटि सलाखों के रूप में यहां सूचित कर रहे हैं । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

पूरक फ़ाइल 1: अतिरिक्त प्रोटोकॉल कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

पूरक तालिका 1: अमोनिया डिलीवरी सिस्टम और अकड़ फ्रेम कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

Discussion

AFEX प्रोटोकॉल का वर्णन कैसे निर्जल अमोनिया और पानी की उपस्थिति में उच्च तापमान पर संयंत्र सामग्री की प्रक्रिया के लिए सेल्यूलोलिटिक एंजाइमों और/ एएफईएक्स ग्रामीण मोनोकॉट प्रजातियों (जैसे, मकई स्टोवर, स्विचग्रास, मिसकैन्थस, चावल के भूसे, गेहूं के भूसे और गन्ने की खोई) पर अत्यधिक प्रभावी है, क्योंकि इन सामग्रियों में स्वाभाविक रूप से प्रचुर मात्रा में होने वाले एस्टर लिंकेज को क्लीव करने की प्रक्रिया की दक्षता के कारण31। एएफईएक्स डिकॉट्स और जिमनोस्पर्म (हार्डवुड्स, सॉफ्टवुड्स, और देशी फोब्स)32,33 से प्राप्त बायोमास पर बहुत कम प्रभावीहै,जो लिगिन-कार्बोहाइड्रेट आधारित एस्टर लिंकेज के छोटे अनुपात के कारण है। हालांकि, जब इन लिंकेज को पौधे की जैव प्रौद्योगिकी का उपयोग करके वुडी सेल दीवारों में पेश किया जाता है, तो एएफईएक्स प्रीट्रीटमेंट प्रक्रिया34अधिक प्रभावी हो जाती है।

एस्टर लिंकेज का दरार कुछ बायोमास घटकों को सामग्री से हटाने की अनुमति देता है, लेकिन बाहरी कोशिका दीवार की सतहों पर एक्सट्रक्टिव के रूप में फिर से जमा होता है, जिसके परिणामस्वरूप नैनोस्केल छेद का गठन होता है जो सेल्यूलोलिटिक एंजाइमों6के प्रवेश और क्रिया की सुविधा प्रदान करता है। AFEX पूर्वशोधित मकई स्टोवर ने अनुपचारित सामग्री की तुलना में उच्च ठोस स्थितियों के तहत एंजाइमैटिक हाइड्रोलिसिस के बाद ग्लूकोज और जाइलोज रिलीज दर में लगभग 3 गुना वृद्धि दिखाई। अमोनिया पूर्वउपचार भी कमजोर एसिड पूर्वउपचार35की तुलना में कम और अभी तक कम निरोधात्मक क्षरण उत्पादों का उत्पादन . AFEX और पतला एसिड का इलाज मकई स्टॉवर की पिछली तुलना से पता चला है कि पतला एसिड प्रीट्रीटमेंट 316% अधिक एसिड, 142% अधिक सुगंधित, और 3,555% अधिक फर्न एल्डिहाइड AFEX36की तुलना में पैदा करता है, जिनमें से सभी सूक्ष्मजीवों35,,37के लिए निरोधात्मक हो सकते हैं। चूंकि एएफईएक्स एक शुष्क-से-शुष्क प्रक्रिया है, इसलिए एक पतला तरल धारा के रूप में शर्करा का कोई नुकसान नहीं होता है जिसका एंजाइमैटिक हाइड्रोलिसिस के दौरान आर्थिक रूप से उपयोग नहीं किया जा सकता है। हालांकि, इससे सेल्यूलोज-अपमानजनक और हेमीसेल्यूलोज-अपमानजनक क्षमता दोनों के साथ एंजाइमों के रूप में जटिलताओं का कारण बनती है, जो ग्लूकोज और जाइलोस जैसे मिश्रित किण्वनीय शर्करा में एंजामेटिक हाइड्रोलिसिस के दौरान सेल वॉल पॉलीसैकराइड्स को पूरी तरह से तोड़ने के लिए आवश्यक हैं। हेमिसेल्यूसिक ओलिगोमर्स को सेल्यूलस गतिविधि38को बाधित करने के लिए सूचित किया गया है, जो उच्च अंतिम चीनी उपज को बनाए रखने के लिए उच्च एंजाइम लोडिंग की आवश्यकता हो सकती है। हालांकि, उपयुक्त एंजाइम कॉकटेल का अनुकूलन AFEX पूर्वशोधित बायोमास39,40,,41,,42,,43,,44,,45के सैचरीकरण के दौरान समग्र एंजाइम उपयोग को कम कर सकता है।, AFEX पूर्व उपचार प्रक्रिया के दौरान एस्टर लिंकेज के हाइड्रोलिसिस और एममोनोलिसिस से प्रीट्रीट्ड बायोमास (जैसे, एसिटिक एसिड/एसीटामाइड, फेरुलिक एसिड/फेरुमाइड, कोउमरिक एसिड/कौमारामाइड)३६में एसिड और एममोनोलिसिस का गठन होता है । हालांकि किण्वन प्रक्रिया में मदद करने के लिए अमिदियों का गठन दिखाया गया है, लेकिन अगर जानवरों को बायोमास खिलाने पर प्रीट्रीट फीडस्टॉक में बहुत अधिक सांद्रता पर उनकी उपस्थिति चिंता का विषय हो सकती है। एएफईएक्स प्रीट्रीटमेंट से पहले नाओएच या सीए (ओह)2 जैसे क्षार के साथ एस्टर लिंकेज के पूर्व-हाइड्रोलिसिस का उपयोग इस मुद्दे को संबोधित करने के लिए किया जा सकता है।

एएफईएक्स प्रक्रिया के दौरान निर्जल अमोनिया के साथ काम करते समय ध्यान रखने के लिए कई सुरक्षा विचार हैं। एनाहाइड्रोस अमोनिया सील (जैसे विटन, आदि) में उपयोग किए जाने वाले तांबे, पीतल, एल्यूमीनियम, कार्बन स्टील और आम फ्लोरोएल्स्टोमर बहुलक के साथ प्रतिक्रिया करता है। अमोनिया के संपर्क में आने वाले किसी भी ट्यूबिंग या रिएक्टर घटकों को स्टेनलेस स्टील, और गैसकेट, वाल्व सीटों से बनाया जाना चाहिए, और जब संभव हो तो टेफ्लॉन या कलरेज से त्वरित कनेक्ट सील किए जाने चाहिए। अमोनिया को विषैला रसायन नहीं माना जाता है, लेकिन इसके हाइग्रोस्कोपिक और क्रायोजेनिक गुणों के कारण यह अभी भी खतरनाक है। यह आसानी से लक्ष्य और आंखों और श्वसन प्रणाली में श्लेष्म झिल्ली को गंभीर रूप से नुकसान पहुंचा सकता है। अमोनिया एक क्रायोजेनिक द्रव है और अमोनिया लीक गैस स्ट्रीम या ठंडा उपकरण के साथ सीधे संपर्क के कारण गंभीर ठंढ का कारण बन सकता है। अमोनिया 300 पीपीएम से ऊपर सांद्रता पर जीवन और स्वास्थ्य (IDLH) के लिए तुरंत खतरनाक है। श्रमिकों को तुरंत खाली करना चाहिए घटना में एकाग्रता ५० पीपीएम से अधिक है । यह सिफारिश की जाती है कि ऑपरेटर अपने आसपास के क्षेत्र में खतरनाक सांद्रता की चेतावनी देने के लिए एक अंशांकित अमोनिया मॉनिटर पहनते हैं। मुख्य कार्य क्षेत्र में अलार्म के साथ सेंसर स्थापित करना भी उचित है। अमोनिया को संभालने वाले श्रमिकों को ठीक से प्रशिक्षित किया जाना चाहिए और मेथाइलमाइन कारतूस से लैस एस्केप श्वसन यंत्र, और क्रायोजेनिक और हीट सुरक्षात्मक दस्ताने जैसे सुरक्षात्मक गियर पहनना चाहिए, और आपातकालीन स्थितियों को संभालने के लिए तैयार रहना चाहिए। निर्जल अमोनिया के संपर्क में आने की स्थिति में, ऑपरेटर को सुरक्षा के लिए जाना चाहिए और प्रभावित क्षेत्र को कम से कम 15 min के लिए पानी से तुरंत फ्लश करना चाहिए। अमोनिया पूर्वउपचार प्रक्रिया एक धुएं हुड के अंदर आयोजित किया जाना चाहिए, और अमोनिया सिलेंडर या तो एक धुएं हुड या हवादार कैबिनेट में संग्रहीत किया जाना चाहिए । प्रयोग के बाद, पूर्वउपचारित बायोमास में कुछ अवशिष्ट मुक्त अमोनिया होंगे और अनुवर्ती प्रयोगों के लिए कमरे के तापमान पर प्लास्टिक की थैलियों में भंडारण से पहले रात भर हुड में या कस्टम हवादार सुखाने वाले बॉक्स में सूख जाना चाहिए। कुछ अन्य प्रमुख सुरक्षा विचारों में एक प्रवाह मीटर के साथ एक अमोनिया वितरण प्रणाली स्थापित करना शामिल है जो रिएक्टर को ठीक से डिलीवरी अमोनिया में मदद करेगा और एक रिएक्टर जो कम से कम 1.5 गुना दबाव को संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है (उदाहरण के लिए, 2 x 106 पीए दबाव पर AFEX प्रक्रिया को संभालने के लिए, रिएक्टर की न्यूनतम दबाव रेटिंग 3 x 106 पीए होनी चाहिए)।

AFEX प्रीट्रीटमेंट अत्यधिक पच संयंत्र बायोमास का उत्पादन करने के लिए एक आशाजनक तरीका है जिसका उपयोग सीधे पशु चारे के रूप में या ईंधन और रसायन उत्पन्न करने के लिए फीडस्टॉक के रूप में किया जा सकता है। इन दो उद्योगों से परे, AFEX बायोमैटेरियल्स बनाने के लिए बायो-रिन्यूएबल फीडस्टॉक जैसे अन्य क्षेत्रों में उपयोग कर सकता है, या बायोगैस के उत्पादन के लिए फीडस्टॉक के रूप में। प्रयोगशाला-पैमाने पर प्रक्रिया उचित हवादार अंतरिक्ष और सुरक्षा सावधानियों से लैस प्रयोगशाला में आयोजित की जा सकती है, और हमारा वर्तमान कार्य इस बात की पुष्टि करता है कि यह स्केल्ड-डाउन AFEX प्रक्रिया एक स्केल-अप और/या पायलट AFEX रिएक्टर में उत्पन्न सामग्री के समान परिणाम दिखाती है । प्रयोगशाला-पैमाने पर AFEX प्रक्रिया का उपयोग फीडस्टॉक्स, प्रसंस्करण स्थितियों और अनुप्रयोगों का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है, जबकि इस प्रक्रिया को पायलट या औद्योगिक तराजू पर कैसे प्रदर्शन करेगा, इसकी उचित उम्मीद प्रदान की जा सकती है।

Disclosures

कई लेखक (अर्थात् शिशिर पी एस चुंडावत, टिम कैंपबेल, फरज़ानेह तेयोरी, लियोनार्डो सोसा, ब्रूस ई डेल, वेंकटेश बालन) एमएसयू/एमबीआई में अमोनिया प्रीट्रीटमेंट और रिएक्टर डिजाइन पर दायर कई पेटेंट पर आविष्कारक/सह-अन्वेषक हैं ।

Acknowledgments

यह सामग्री ग्रेट झीलों बायोएनर्जी रिसर्च सेंटर, अमेरिकी ऊर्जा विभाग, विज्ञान कार्यालय, पुरस्कार संख्या DE-SC0018409 और DE-FC02-07ER64494 के तहत जैविक और पर्यावरण अनुसंधान के कार्यालय द्वारा भाग में समर्थित काम पर आधारित है । रेबेका ओंग मिशिगन टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी (स्टार्टअप फंडिंग) से आंशिक समर्थन स्वीकार करती हैं । शिशिर चुंडावत ने अमेरिका के नेशनल साइंस फाउंडेशन CBET पुरस्कार (१६०४४२१), ORAU राल्फ ई. Powe पुरस्कार, और रटगर्स स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग (स्टार्टअप फंडिंग) से आंशिक समर्थन स्वीकार किया । ब्रूस डेल मिशिगन स्टेट यूनिवर्सिटी AgBioResearch कार्यालय और भी USDA राष्ट्रीय खाद्य और कृषि संस्थान से आंशिक समर्थन स्वीकार करते हैं । वेंकटेश बालन ने टेक्सास राज्य और ह्यूस्टन विश्वविद्यालय (स्टार्टअप फंडिंग) से आंशिक समर्थन स्वीकार किया । एमबीआई के कर्मचारी अमेरिकी ऊर्जा विभाग और मिशिगन स्टेट यूनिवर्सिटी फाउंडेशन से आंशिक समर्थन स्वीकार करते हैं । अंत में, हम इस कागज को अपने संरक्षक और सह-लेखक प्रो ब्रूस डेल को समर्पित करना चाहते हैं ताकि हमें टिकाऊ सेल्यूलोसिक जैव ईंधन बनाने के अपने सपने को सहयोगात्मक रूप से आगे बढ़ाने के लिए प्रेरित किया जा सके ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Safety Equipment/PPE
Ammonia Monitor CanarySense BW GAXT-A-DL Single gas detector, Ammonia (NH3), 0 to 100 ppm
Cryogenic gloves Amazon B01L8WA238/B01L8WA1H0/B01L8WA1O8 Keep hands protected when handling liquid ammonia
Ear muffs 3M H7A Ear muffs to protect hearing when releasing ammonia at end of pretreatment
Face shield - - Wear while handling ammonia
Heat protective gloves Grainger 2EWX1/2EWX2/2EWX3 Showa heat resistant gloves, max temperature 500°F
Nitrile gloves - - Wear while mixing biomass to prevent contamination
Reagents
Anhydrous Ammonia Compressed Gas Cylinder - - An anhydrous ammonia compressed gas cylinder with a dip tube is required for this process. The dip tube is essential in order to withdraw liquid ammonia from the cylinder.
Distilled water - - Used to add water to the biomass to achieve the desired water loading
Milled or Chopped Corn Stover - - Corn stover is not readily commercially available. Contact local farmers or agricultural extension if you wish to locate some.
Nitrogen Compressed Gas Cylinder - -
Equipment
Ammonia Cylinder Adapter - - CGA fitting that depends on the gas cylinder. Matheson is a good source. Some require teflon gaskets. This connects the cylinder to the ammonia delivery system. A regulator is not necessary as the system uses liquid ammonia.
Ammonia Delivery System (Figure 4) Swagelok Misc. Stainless steel pressure cylinder and components, valves, check valves, and gauges were used for all lines potentially in contact with ammonia.
Analytical Balance Sartorius CPA4202S Balance used for preparing biomass and weighing the reactors. Toploading balance, 4200g x 0.01g
Chemraz O-rings Harvard Apparatus 5013091 Ammonia-resistant o-rings for the SS syringe
Custom Tubular Reactors (Figure 3) Parts were purchased from McMaster-Carr, Swagelok, Omega, and Motion Industries (Dixon Fittings) Misc. To be compatible with ammonia, the custom reactor was constructed from stainless steel components (sanitary tube and fittings, compression fittings, quick connect, pressure gauge, thermocouple), and teflon gaskets. The maximum pressure rating of the vessel is 1500 psig, which is the maximum pressure rating of the bolted sanitary clamps.
Drying Box - - Optional: an enclosed system for drying is necessary if planning to do microbial experiments to avoid contamination. Avoid drying at elevated temperatures.
High Pressure Syringe Pump Harvard Apparatus 70-3311 Infuse/Withrdraw PHD ULTRA HPSI Programmable Syringe Pump for transferring liquid ammonia
Moisture Analyzer Sartorius MA35 Moisture analyzer for determining moisture content of biomass prior to pretreatment.
Nitrogen Delivery Misc. Misc. Nitrogen compressed gas cylinder, inert gas regulator (at least 1000 psig max pressure rating), lines, and valves.
Ratchet wrench and 7/8" socket - - Ratchet and socket to quickly tighten and open bolts on the sanitary clamp. Can be purchased anywhere.
Retractable Thermocouple Cables Omega RSC-K-3-4-5 Retractable thermocouple cable. You need one for each reactor.
Stainless Steel Syringe Harvard Apparatus 702261 Stainless steel syringe for tranferring ammonia to the reactors.
Temperature Monitor Omega HH12B Dual input temperature monitor. You need one for every two reactors.
Voltage Controller McMaster-Carr 6994K11 Variable-Voltage Transformer for controlling heating to the reactors. You need one for each reactor.
Supplies
Metal Scoops, Spoons and/or Spatulas - - For transferring biomass for weighing, mixing, transferring into the reactor and removing from the reactor at the end of the run
Plastic Bowls or Tubs - - Used for mixing the biomass with the water. Any bowl or tub could be used.
Spray Bottle - - Used to add water to the biomass to achieve the desired water loading
Wide-Mouth Funnel - - Any funnel that has a bottom opening 0.5-1.0 inches diameter.
Wooden Dowel - - 1-1.5" diameter wooden dowel to assist with loading/unloading the reactor
Consumables
Glass Wool Sigma-Aldrich CLS3950-454G For packing the top of the reactor to prevent biomass escape and clogging the tubing
Plastic Press-to-Close Bags McMaster-Carr 1959T24 Bags for storing processed samples and for transferring to drying box
Plastic Tote - - Used to transfer pretreated biomass to an alternate location for drying
Plastic Weighboats or Metal Trays - - Used to catch the biomass when removing from the reactors, and for storing the samples while drying

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पर्यावरण विज्ञान अंक 158 अमोनिया फाइबर विस्तार (AFEX) प्रीट्रीटमेंट लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास सेल्यूलोसिक बायोफ्यूल एनिमल फीड सेल्यूलेस एंजामेटिक हाइड्रोलिसिस बायोरिफाइनरी
अमोनिया फाइबर विस्तार (AFEX) लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास का प्रीट्रीटमेंट
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Chundawat, S. P. S., Pal, R. K., Zhao, C., Campbell, T., Teymouri, F., Videto, J., Nielson, C., Wieferich, B., Sousa, L., Dale, B. E., Balan, V., Chipkar, S., Aguado, J., Burke, E., Ong, R. G. Ammonia Fiber Expansion (AFEX) Pretreatment of Lignocellulosic Biomass. J. Vis. Exp. (158), e57488, doi:10.3791/57488 (2020).

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