Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Ammoniak Fiber Expansion (AFEX) Förbehandling av Lignocellulosa biomassa

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

Ammoniakfiberexpansion (AFEX) är en termomkemisk förbehandlingsteknik som kan omvandla lignocellulosisk biomassa (t.ex. majsspis, rishalm och sockerrörspåse) till en lättsmält råvara för både biobränslen och djurfoder. Här beskriver vi en laboratorieskala metod för att genomföra AFEX förbehandling på lignocellulosabiomassa.

Abstract

Lignocellulosamaterial är vegetabiliska råvaror, såsom restprodukter från grödor (t.ex. majsspis, rishalm och sockerrörssäcksa) och specialodlade energigrödor (t.ex. miscanthus och switchgrass) som finns i stora mängder för att producera biobränslen, biokemikalier och djurfoder. Växtpolysackarider (dvs. cellulosa, hemicellulosa och pektin) inbäddade i cellväggar är mycket motsträviga mot omvandling till användbara produkter. Ammoniakfiberexpansion (AFEX) är en termomkemisk förbehandling som ökar tillgängligheten av polysackarider till enzymer för hydrolys till fermenterbara sockerarter. Dessa frigjorda sockerarter kan omvandlas till bränslen och kemikalier i ett bioraffinaderi. Här beskriver vi en laboratorieskala parti AFEX process för att producera förbehandlad biomassa på gram-skalan utan ammoniak återvinning. Laboratorieskalan kan användas för att identifiera optimala förbehandlingsförhållanden (t.ex. ammoniakbelastning, vattenbelastning, lastning av biomassa, temperatur, tryck, uppehållstid osv.) och genererar tillräckliga mängder förbehandlade prover för detaljerad fysikalisk karakterisering och enzymatisk/mikrobiell analys. Avkastningen av fermenterbart socker från enzymatiska hydrolys av majs stover förbehandlad med hjälp av laboratorieskala AFEX processen är jämförbar med pilotskala AFEX process under liknande förbehandling villkor. Detta dokument är avsett att ge ett detaljerat standardförfarande för säker och konsekvent drift av laboratoriereaktorer för utförande afex förbehandling av lignocellulosabiomassa.

Introduction

Ammoniak fiber expansion (AFEX) är en termomkemisk förbehandling som använder flyktiga ammoniak som den viktigaste reaktant för cellulosa biomassa förbehandling. Denna process uppfanns ursprungligen av Bruce Dale för att kostnadseffektivt minska motsträvighet av lignocellulosabiomassa och förbättra biologiskt katalyserad förbehandlad biomassa dekonstruktion till fermenterbarasockerarter 1,2. Till skillnad från de flesta andra vattenbaserade termomkemiska förbehandlingar3,AFEX är en torr-till-torr process som inte orsakar någon betydande förändring i biomassa sammansättning och kräver ingen tvätt steg med tillhörande avfall produktion och kostnader. Återvinning av överskott av flyktig ammoniak har påvisats i pilotskalan, vilket har lett till minskade avfallsgenererings- och bearbetningskostnader. Det pilotskalade förpackade reaktorsystemet AFEX som utvecklats av MBI(figur 1)återvinner kvarvarande ammoniak med hjälp av ångstriel och överför den varma, koncentrerade ammoniaken till en ny packad säng4,,5. Efter AFEX förbehandling kan de mindre mängder kväve som ingår i biomassan som kväve som icke-protein kväve av idisslare djur och mikroorganismer. Dessutom, genom att ändra biomassa ultrastruktur genom olika fysikaliska kemiska mekanismer6,7,8, AFEX ökar tillgängligheten av biomassa till kolhydrataktiva enzymer (CAZymes) och ökar andelen polysackarider hydrolys med flera gånger8,9, som också ökar dess smältbarhet av idisslare djur via deras cellulolytiska mikrobiomet4,10,11,12. Jordbrukare har länge använt en enklare version av denna metod för att öka smältbarheten av idisslare foder genom att ruva biomassa i dagar eller veckor under plast presenningar i närvaro av låg vattenfri ammoniak laster (<4% w / w bas av torr biomassa) och omgivande tryck och temperaturer10,11.

Vattenfri ammoniak undersöktes först för sin potential att delignify trä på 1950-talet och som en pulping kemikalie i början av 1970-talet13,14,15,16,17,18. I början av 1980-talet användes först trycksatt, högtemperatur, koncentrerad ammoniak (>30% NH4OH) under subkritiska förhållanden i Dale-laboratoriet för att förbättra den enzymatiska smältbarheten och mikrobiell jäsbarheten hos lignocellulosic biomassa19. Denna process genomgick flera namnändringar under åren, med början som ammoniak frysa explosion, och sedan ammoniak fiber explosion, och slutligen, ammoniak fiber expansion, eller helt enkelt AFEX. Ungefär samtidigt (mitten av slutet av 1980-talet), DuPont (nu Dow-DuPont) utforskas också med hjälp av superkritiska och nästan kritiska vattenfri ammoniak baserade förbehandling processer för att öka smältbarheten av biomassa20,21,22. Under de senaste decennierna har det varit ökad betoning på att använda späd vattenhaltiga ammoniaklösningar som en pretreatment reagens inklusive ammoniak återvinna / perkolation23 (ARP), blötläggning i vattenhaltiga ammoniak (SAA), eller Dow-DuPont processen utan ammoniak återvinna24. Några ytterligare metoder har tittat på användningen av vattenfri ammoniak (låg fukt vattenfri ammoniak (LMAA), och lågflytande ammoniak förbehandling25 (LAA). två nya avancerade organosolv-typ förbehandling teknik som använder flytande vattenfri ammoniak26,,27 och ammoniak-salt baserade lösningar28 vid hög vätska till fasta belastningar har nyligen utvecklats som möjliggör selektiv lignin fraktionering och hög effektivitet enzymatiska hydrolys av förbehandlade cellulosabiomassa vid ultra-låg enzym belastningar. En nyligen genomförd översyn artikel har belyst likheter och distinkta skillnader mellan olika former av ammoniak-baserade förbehandlingar29. Men tills nyligen4, det fanns ingen pilot-skala demonstrationer av ammoniak-baserade förbehandling processer (som AFEX) som var effektivt tillsammans med slutna slinga kemisk återvinning av koncentrerad ammoniak som används i processen.

I detta dokument beskriver vi i detalj det vanligaste AFEX-protokollet för förbehandling av cellulosabiomassa i labbskalan för att producera gramskalor av förbehandlad biomassa (t.ex. 1 till flera 100 g). Vanligtvis blandas biomassa med vatten (0,1–2,0 g H2O/g torr biomassa) och lastas i en specialbyggd reaktor i rostfritt stål eller reaktorer av parrtyp. Vattenfri ammoniak tillsätts sedan (0,3–2,0 g NH3/g torr biomassa) till reaktorn och blandningen värms upp till önskad reaktionstemperatur (60–180 °C). Tidigare publikationer om AFEX-processen från 1980-1990-talet inledde förbehandlingsresidenstiden (t.ex. 5-60 min) omedelbart efter temperaturrampen. Men eftersom reaktionerna inträffar så snart ammoniak läggs till reaktorn, är det nuvarande AFEX-förfarandet att börja övervaka uppehållstiden omedelbart efter ammoniaktillskottet till reaktorn. För temperaturer på 90 °C eller högre är det ofta nödvändigt att förvärma biomassan innan ammoniak lastas för att hålla den ursprungliga temperaturen till en minsta tidsperiod (dvs. <5 min). Vid slutförandet av uppehållstiden öppnas en ventil för att snabbt frigöra trycket och gasfasinnehållet i en lämplig kemisk rökhuv. Den snabba omvandlingen av ammoniak från flytande till gasfas gör också att reaktorn svalnar. Små reaktorer (<100 ml reaktorvolym) kan ofta lossas i rökhuven omedelbart, medan större reaktorer (>100 ml reaktorvolym) kan behöva ytterligare tid för att svalna. För användarsäkerhet rekommenderas rensning med kväve i större skala (>100 g ammoniak per reaktorkörning) för att avlägsna så mycket kvarvarande ammoniak som möjligt från kärlet och hjälpa till att kyla reaktorinnehållet före lossning. Vanligtvis görs inga försök på labbet skala att återvinna och / eller återställa ammoniak. En av de viktigaste designutmaningarna för att skala upp AFEX-förbehandlingsprocessen har varit återvinning av ammoniak med minimala kapital- och driftskostnader. Dessutom, lägga flytande ammoniak till biomassa i allmänhet driver partiell blinkande av vätskan som kyler biomassa, kräver uppvärmning av biomassa-ammoniak blandningen innan AFEX behandling kan börja. Hellre än att lägga ammoniak som vätska, lägga ammoniak ånga till biomassa erbjuder två fördelar: För det första, den höga porositet av bulk biomassa tillåter ammoniak ånga som skall transporteras snabbt, vilket resulterar i även ammoniak distribution i hela biomassa. För det andra löser ammoniakånga lätt och exotermt upp i vattnet som är intränat i fuktig biomassa, vilket resulterar i värmegenerering som snabbt och jämnt värmer biomassan. För att utnyttja dessa fördelar har både MSU Dale lab och MBI utvecklat AFEX behandlingsmetoder med hjälp av ammoniakånga. Dale labbet har utvecklat Gaseous Ammoniak Pretreatment (GAP) process30, och MBI har utvecklat den packade sängen AFEX reaktorprocessen (figur 1)4, som har visats på pilotskalan. Det förpackade reaktorsystemet AFEX kan delvis i satsläge drift med fullständig återvinning av ammoniak med hjälp av en ångstripningsmetod4,5. Denna nya MBI pilot-skala process utnyttjar de kemiska och fysiska egenskaperna hos ammoniak för att effektivt förbehandla biomassa samtidigt effektivt återvinning av ammoniak.

Här presenterar vi en detaljerad översikt för att genomföra AFEX förbehandling av majs stover på labbet skala med specialbyggda 200 ml volym rörformiga reaktorer(figur 2). AFEX förbehandlade prover röts till fermenterbart socker med kommersiellt tillgängliga cellulolytiska enzym cocktails för att visa effekten av förbehandling processer. De enzymatiska hydrolysresultaten för den labskala AFEX-reaktorn jämfördes med stora AFEX-reaktorgenererade prover i pilotskala. Vårt mål är att tillhandahålla ett standardförfarande för säker och konsekvent drift av lab-skala trycksatta reaktorer för att utföra AFEX förbehandling på cellulosabiomassa som majs stover. Ytterligare stödjande information om variationer i denna lab-skala AFEX förbehandling process (t.ex. pilot-skala packade säng AFEX process) är ytterligare markerade i den medföljande kompletterande pdf-filen. En detaljerad rapport om den packade sängen AFEX processen operativa steg kommer att belysas i en separat publikation och finns tillgänglig på begäran från MBI-MSU.

Protocol

1. Justering av biomassa fukthalt

  1. Se tabellen över material som beskriver all större utrustning och allt material som behövs för att utföra afex-förbehandling med bänk- eller labbskala med den specialbyggda rörformiga AFEX-reaktorn (figur 2).
  2. Bestäm den totala vattenhalten i biomassa med hjälp av en fuktanalysator, eller en ugn inställd på 105 °C för 8 h. För ugnsmetoden överför du proverna till en värmebeständig exsickator för att svalna för att förhindra vattenansorption före torkning. Utför processen i duplicera eller tre exemplar och beräkna den genomsnittliga fukthalten.
  3. För en given torr biomassa lastning i reaktorn (här, den håller 25 g), använd den fukthalt som bestäms i steg 1.2, för att beräkna hur mycket våt biomassa behöver laddas.
    Equation 1[1]
    Där mvåt = biomassas totala massa (våtviktsbas), mtorr = biomassamassa på torrviktsbasis; MCTWB = fukthalten i biomassa på grundval av total vikt
  4. Väg ut denna mängd biomassa (mvåt)i en plastbehållare.
  5. Beräkna hur mycket vatten som behöver blandas med den våta biomassan för att uppnå önskad fukthalt. För majs stover, detta är vanligtvis 0,6 g H2O per g torr biomassa.
    Equation 2[2]
    Om mvatten = massan vatten som tillsätts reaktorn (utöver vattnet i biomassan). xvatten = AFEX vattenbelastning (g:g torr biomassa)
  6. Med hjälp av en sprayflaska, tillsätt långsamt denna mängd vatten (mvatten)till biomassa som tidigare hade vägts ut och blanda väl för hand.

2. Lasta och montera reaktorn

  1. Montera reaktorkroppen genom att placera ett lock och Teflon packning på botten av reaktorröret. Skruva fast en klämma på plats, dra åt båda muttrarna jämnt med hjälp av en rachet.
  2. Överför den våta biomassan till den monterade reaktorbasen och placera en plugg av glasull på toppen av biomassan.
  3. Placera en Teflonpackning på toppen av reaktorn. Se till att regionen är fri från biomassa och glasull, vilket skulle kunna förhindra en effektiv tätning, och placera reaktorhuvudet ovanpå, manövrera termoelementet genom glasull och biomassa.
  4. Skruva fast klämman till toppen av reaktorn med hjälp av en spärr jämnt på båda sidor.
  5. Väg reaktorn (mreaktorn)och registrera vikten.

3. Ställ in reaktorsystemet och fyll ammoniaköverföringscylindern

  1. Kontrollera att all utrustning är inkopplad och funktionsduglig (temperaturregulator, temperaturmonitor, sprutpump, timers).
  2. Ställ in timers till önskad uppehållstid för varje reaktor och prov som ska köras.
  3. Slå på och, om du använder en programmerbar sprutpump, ställ in ammoniaktillförselmetoden på sprutpumpen.
    Steg 1: Uttag.
    Steg 2: Vänta i 15 sekunder (för att ge tid att öppna och stänga ventiler).
    Steg 3: Infus (för att överföra ammoniaken till reaktorn).
    1. Spara som AFEX-metoden för att möjliggöra enkel återanvändning.
  4. Kontrollera att alla ventiler till och från den lilla ammoniakcylindern är stängda.
  5. Om cylindern har använts tidigare och innehåller kvarvarande ammoniak/kväve, öppna långsamt ventil A på toppen av den lilla ammoniakcylindern för att avlufta kväve och stäng ventilen när flytande ammoniak börjar sockla ut.
  6. För att fylla den lilla ammoniakcylindern, öppna den stora vattenfria ammoniakcylindern och alla ventiler på ammoniaklinjen. Långsamt öppen ventil (B) nära toppen av den lilla ammoniakcylindern tills trycket stabiliseras. Vänta i 5 min innan du fortsätter till nästa steg. Cirka 120 ml ammoniak laddas från huvudcylindern till överföringscylindern under denna tid.
  7. Stäng alla ventiler mellan ammoniaktanken och den lilla ammoniakcylindern, som arbetar från vänster till höger, med början från den lilla cylindern (ventil B) och slutar vid huvudventilen ovanpå tanken.
  8. Ställ in kväveregulatorn på 350 psi. Öppna ventilen på kvävecylindern och ventilen på den bifogade regulatorn. Öppna ventil C på den lilla ammoniakcylindern för att långsamt tillsätta kväve och övertrycka systemet. Justera trycket på den lilla cylindern till 350 psi, efter behov, genom att justera börpunkten på regulatorn. Håll kväveledningarna öppna medan du doserar ammoniak.

4. Förvärm reaktorn (för reaktionstemperaturer på >100 °C)

  1. Anslut temperaturmonitorn till termoelementet och värmetejpen till temperaturregulatorn.
  2. Justera temperaturregulatorn manuellt för att få reaktorn upp till 60 °C.

5. Ladda reaktorn med ammoniak

  1. Slå på sprutpumpen om den inte redan är på.
  2. Beräkna den mängd ammoniak som krävs baserat på önskad ammoniakbelastning (g:g torr biomassa) och en tidigare bestämd ammoniakkalibrering.
    Equation 3[3]
    OBS: Eftersom ammoniakpumpen laddas på volymbasis, kalibrerar du för att konvertera från önskad massa till volym. Följ samma procedur som används för AFEX, men avsluta körningen (ventilera reaktorn) omedelbart efter lastning av ammoniak och vägning av reaktorn. Följ samma procedur för lossning av reaktorn.
  3. Ställ in metoden för att läsa in rätt mängd ammoniak:
    1. Välj AFEX-metoden i avsnitt 3.3.
    2. Definition av trycksteg | Steg: 1 | Ange målvolym eller måltid.
    3. Knappa in den volym som krävs i ml med hjälp av nummerplattan och tryck på den gröna bocken.
    4. Om mer än 85 ml krävs anger du målvolymen som hälften av den mängd som anges i kalkylbladet och fyller reaktorn två gånger med samma sprutavolym.
    5. Upprepa steg 5.3.2 till 5.3.4 för "Steg: 3".
    6. Tryck på bakåtknappen.
  4. Öppna ventilen (D) på botten av den lilla ammoniakcylindern mot avgaserna och stäng den sedan när eventuell kvarvarande ammoniak har lämnat.
  5. Öppna ventilen (E) på sprutapumpens ände mot rökhuvens framsida och öppna sedan ventilen (F) för att frigöra eventuell kvarvarande ammoniak. Stäng ventilerna (E) och (F).
  6. Koppla bort reaktorn från temperaturmonitorn och temperaturregulatorn. Fäst reaktorn på snabbkopplingen.
  7. Öppen ventil (D) mot den lilla ammoniakcylindern och öppningsventilen (E) mot den lilla ammoniakcylindern.
  8. Tryck på den gröna pilen på pumpen för att starta sekvensen och dra ammoniak i sprutan.
  9. När sprutan stannar automatiskt under väntetiden vrider du sprutventilen (E) mot reaktorn och reaktorns inloppsventil så att den pekar mot snabbkopplingsstammen.
    Efter fördröjningen börjar sprutan infundera och stannar automatiskt vid börbörjarpunkten.
  10. Om mer än 85 ml ammoniak krävs, upprepa steg 5.7 till 5.9.
  11. Stäng reaktorventilen och ventilen (D). Öppna ventilen (F) för att frigöra kvarvarande ammoniak från sprutan och stäng sedan ventilen (F) och stäng ventilen (E).
  12. Öppna ventilen (D) mot avgaserna och stäng den sedan när den kvarvarande ammoniaken har lämnat.
  13. Bär kryogena handskar, ta bort reaktorn från snabbkopplingen. Var försiktig med potentiella ammoniak spray. Använd elefantstammens ventilationslinje för att ventilera den frigjorda ammoniaken, om det behövs.
  14. Starta timern för lämplig reaktor.
  15. Väg reaktorenheten för att kontrollera att ammoniakets vikt lades till baserat på kalkylarkberäkningarna.

6. Börja värma och övervaka reaktionen

  1. Anslut temperaturmonitorn till termoelementet och värmetejpen till temperaturregulatorn.
  2. Registrera den initiala temperaturen och trycket av reaktorn efter ammoniaktillsats (början av uppehållstiden).
  3. Justera temperaturregulatorn manuellt för att få reaktorn upp till den inställda temperaturen. Målet är att nå börspunkten i <5 min.
  4. Registrera reaktorns tryck och temperatur var 3:e minut fram till slutet av uppehållstiden.
  5. I slutet av uppehållstiden, koppla bort reaktorn från temperaturregulatorn och termoelementet, ta bort reaktorn från stativet och öppna långsamt kulavlastningsventilen inuti rökhuven.
    OBS: Använd alltid en ansiktssköld under detta steg.

7. Stäng av systemet

  1. Efter att reaktorn har svalnat i några minuter, använd en spärrnyckel för att öppna klämmorna på reaktorn.
  2. Lasta av biomassa och glasull från reaktorn inuti en rökhuva. För att förhindra luftburen kontaminering av biomassan när kvarvarande ammoniak avdunstar är det bäst att torka inuti en sluten torkbox i ett ventilerat utrymme.
  3. Rengör reaktorn med destillerat vatten tills vattnet rinner klart och låt reaktorerna torka.
  4. Om den fortfarande är öppen, stäng alla ventiler på och ansluta till ammoniakcylindern.
  5. Stäng alla ventiler på kväveledningen.
  6. Stäng av temperaturregulatorn, temperaturmonitorn, balansen, sprutpumpen och timern.
    VARNING: Om du planerar att köra fler reaktioner är det inte nödvändigt att ventilera den lilla ammoniakcylindern. Men om det inte finns någon plan för att köra fler experiment, för säkerhet är det bäst att ventilera den lilla cylindern i huven i slutet av experimentet. När du gör detta är det viktigt att lämna ventilerna öppna eftersom utsläpp av ammoniak kan orsaka isbildning som kan blockera vissa linjer. När linjerna tina, ytterligare ammoniak kan frigöras. Se alltid till att ventilationen fungerar samtidigt som systemet kan ventileras. All ammoniakbehandlad biomassa, även om den inte är avsedd att användas, måste torkas i rökhuven över natten så att restammoniak avdunstar. Det kan inte omedelbart kastas i soporna.

Representative Results

Efter AFEX förbehandling är biomassan mörkare till färgen, men i övrigt visuellt oförändrad (figur 3). AFEX-processen genererar ett mycket lättsmält material i en mängd olika skalor förutom det som beskrivs i detta protokoll. Här förbehandlade vi samma majs stover prov i vår lilla 200 ml, packad säng, bänkskala system; en större 5 gallon, rörd Parr reaktor; och MBI:s pilotreaktor. De förhållanden som användes för de två mindre reaktorerna (dvs. 200 ml och 5 gallon skala) var 1,0 g NH3:gtorr biomassa, 0,6 g H2O:g torr biomassa, för 30 min vid 100 ± 5 °C. Pilotskala AFEX4 utfördes på samma material vid 0,6 g NH3:g torr biomassa, 0,6 g H2O:g torr biomassa, i 30 min vid 100 ± 5 °C. Närmare uppgifter om de protokoll som används för att genomföra AFEX-förbehandling i större skala finns i den stödjande informationen (se tilläggsfil 1). Följande "Kvalitetskontrollkriterier" har fastställts baserat på måltemperatur för AFEX-förbehandling. Om reaktortemperaturen efter att ha nått börvärdet går utanför ± 10 °C från börvärdet, skall försöket avbrytas. Om måltemperaturen (inom 5 °C) inte uppnås inom 5 minuter efter ammoniakpumpning, avbryt experimentet. Dessutom kan förbehandlingseffekten för AFEX-processen testas med hjälp av cellulolytiska enzymcocktails för att hydrolysera de tillgängliga polysackariderna till fermenterbara sockerarter. Proverna hydrolyserades enzymatiskt i 72 timmar vid 6% glukanbelastning, pH 5.0, 50 °C och 250 rpm i en skakande inkubator. En kommersiell cocktail av enzymer som består av 60% cellulas (CTec3):40% hemicellulase (HTec3 eller NS22246) på en fast total proteinbelastning basis lastas på 15 mg enzym/g glucan användes för alla saccharification analyser. Resultaten (figur 4) visar att AFEX förbehandling avsevärt ökar avkastningen av fermenterbart socker i samtliga fall. Dessutom är cellulosa/xylan hydrolys avkastning för biomassa förbehandlad med hjälp av lab-skala AFEX processen jämförbar med den större 5-gallon Parr reaktorn och MBI: s pilot-skala packade säng AFEX process.

Figure 1
Bild 1. Schematisk översikt över steg som ingår i pilotskalan drift av MBI: s AFEX reaktor för förbehandling lignocellulosa biomassa helt integrerad med effektiv ammoniak återvinning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2. Scheman för lab-skala av A) ammoniak leveranssystem och B) små 200 ml AFEX förbehandling reaktor som används för att utföra AFEX process som beskrivs i videoprotokollet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Bild 3. AFEX förbehandlad biomassa har en mycket liknande bruttomorfologi jämfört med obehandlad biomassa, förutom att vara något mörkare till färgen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Bild 4. Glukos- och xylosavkastning som erhålls efter 72 h enzymatisk hydrolys på 6% glukan lastning AFEX behandlad majs stover visas här. Alla saccharification analyser utfördes i två exemplar med medelvärden (m) rapporteras här. Standardavvikelser (1s) rapporteras här som felstaplar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande fil 1: Ytterligare protokoll Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande tabell 1: Ammoniak leveranssystem och fjäderben ram Klicka här för att ladda ner den här filen.

Discussion

AFEX-protokollet beskriver hur man bearbetar växtmaterial i närvaro av vattenfri ammoniak och vatten vid förhöjda temperaturer för att öka förbehandlingsmaterialets smältbarhet genom cellulolytiska enzymer och/eller mikrober. AFEX är mycket effektiv på graminoid monocot arter (t.ex. majs stover, switchgrass, miscanthus, ris halm, vete halm, och sockerrör bagasse) på grund av effektiviteten i processen att klyva ester kopplingar som är naturligt rikligt i dessa material31. AFEX är mycket mindre effektiv på biomassa som härrör från dicots och gymnosperms (lövträd, barrträd, och inhemska forbs)32,33 på grund av den mindre andelen lignin-kolhydratbaserade ester kopplingar. Men när dessa kopplingar införs i woody cell väggar med hjälp av växt bioteknik, afex förbehandling processen blir mycket effektivare34.

Klyvning av ester kopplingar tillåter vissa biomassa komponenter som skall tas bort från materialet, men redeposited som extraktiva på den yttre cellväggen ytor, vilket resulterar i bildandet av nanoskala hål som underlättar penetration och verkan av cellulolytiska enzymer6. AFEX förbehandlade majs stover visade en ungefär 3-faldig ökning av glukos och xylose release takt efter enzymatiska hydrolys under höga fasta förhållanden jämfört med obehandlat material. Ammoniak förbehandlingar producerar också färre och mycket mindre hämmande nedbrytningsprodukter jämfört med utspädd syra förbehandling35. En tidigare jämförelse av AFEX och späd syrabehandlad majs stover visade att utspädd syra förbehandling producerar 316% fler syror, 142% mer aromater, och 3.555% mer furan aldehyder än AFEX36, som alla kan hämma för mikroorganismer35,,37. Eftersom AFEX är en torrtorr process, det finns inte heller någon förlust av socker som en utspädd flytande ström som inte ekonomiskt kan utnyttjas under enzymatisk hydrolys. Detta leder dock till komplikationer som enzymer med både cellulosa-nedbrytbara och hemicellulosa-nedbrytning förmåga krävs för att helt bryta ner cellväggen polysackarider under enzymatisk hydrolys i blandade fermenterbara sockerarter som glukos och xylose. Hemicellulosic oligomers har rapporterats hämma cellulase verksamhet38, vilket kan kräva en högre enzym belastning för att upprätthålla en hög slutlig socker avkastning. Optimering av lämpliga enzymcocktails kan dock minska den totala enzymanvändningen vid sackarifiering av AFEX förbehandlad biomassa39,40,,41,,42,43,44,45., Under AFEX förbehandlingsprocess leder hydrolys och ammonolys av esterkopplingar till bildandet av syra och blandprodukter i den förbehandlade biomassan (t.ex. ättiksyra/ acetamid, ferulinsyra/ferulamid, kumarinsyra/koumumarylamid)36. Även bildandet av amider har visat sig hjälpa jäsningsprocessen, deras närvaro vid mycket höga koncentrationer i förbehandlade råvaror kan vara ett problem om utfodring djur förbehandlade biomas. Prehydrolys av ester kopplingar med alkali som NaOH eller Ca (OH)2 före AFEX förbehandling kan användas för att lösa problemet.

Det finns ett antal säkerhetsaspekter att tänka på när man arbetar med vattenfri ammoniak under AFEX-processen. Vattenfri ammoniak reagerar med koppar, mässing, aluminium, kolstål och vanliga fluorelastomerpolymerer som används i tätningar (t.ex. Slangar eller reaktorkomponenter som kan komma i kontakt med ammoniak bör vara tillverkade av rostfritt stål, och packningar, ventilsäten och snabbkopplingstätningar bör göras från Teflon eller Kalrez när det är möjligt. Ammoniak anses inte vara en giftig kemikalie, men det är fortfarande farligt på grund av dess hygroskopiska och kryogena egenskaper. Det riktar sig lätt och kan allvarligt skada slemhinnor i ögon och andningsorganen. Ammoniak är en kryogen vätska och ammoniakläckor kan orsaka svåra köldskador på grund av direkt kontakt med gasströmmen eller kyld utrustning. Ammoniak är omedelbart farligt för liv och hälsa (IDLH) vid koncentrationer över 300 ppm. Arbetstagare bör evakuera omedelbart i händelse av att koncentrationen överstiger 50 ppm. Det rekommenderas att operatörerna bär en kalibrerad ammoniakmonitor för att varna för farliga koncentrationer i deras närhet. Det är också tillrådligt att installera sensorer med larm i huvudarbetsområdet. Arbetstagare som hanterar ammoniak bör vara ordentligt utbildade och bära skyddsutrustning såsom utrymningsskyddsvägar utrustade med metylaminpatroner och kryogena och värmeskyddande handskar, och vara beredda att hantera nödsituationer. Vid exponering för vattenfri ammoniak bör operatören röra sig i säkerhet och omedelbart spola det drabbade området med vatten i minst 15 minuter. Ammoniakförbehandlingsprocessen bör utföras inuti en rökhuva, och ammoniakcylindern ska antingen förvaras i en rökhuva eller ventilerat skåp. Efter experimentet kommer förbehandlad biomassa att ha en del restfri ammoniak och bör antingen torkas i huven över natten eller i en anpassad ventilerad torkbox före förvaring i plastpåsar vid rumstemperatur för uppföljande experiment. Några andra viktiga säkerhetsöverväganden är installation av ett ammoniakleveranssystem med en flödesmätare som hjälper till att exakt leverera ammoniak till reaktorn och en reaktor som är konstruerad för att hantera minst 1,5 gånger det tryck som förbehandlingsprocessen kommer att genomgå (t.ex. för hantering av AFEX-processen vid 2 x 106 Pa-tryck, bör lägsta tryckklassning av reaktorn vara 3 x 106 Pa).

AFEX förbehandling är en lovande metod för att producera mycket lättsmält växtbiomassa som kan användas direkt som djurfoder eller som råvara för att generera bränslen och kemikalier. Utöver dessa två industrier kan AFEX komma att användas på andra områden, såsom en biodyrbar råvara för att tillverka biomaterial, eller som råvara för produktion av biogas. Laboratorieskalaprocessen kan utföras i ett laboratorium utrustat med lämpligt ventilerat utrymme och säkerhetsåtgärder, och vårt nuvarande arbete bekräftar att denna nedskalade AFEX-process visar liknande resultat som material som genereras i en skalad och/eller pilot-AFEX-reaktor. Den lab-skala AFEX processen kan användas för att testa råvaror, bearbetningsförhållanden och applikationer på ett högre genomströmning sätt, samtidigt som en rimlig förväntan om hur processen skulle fungera på pilot- eller industriella skalor.

Disclosures

Flera författare (nämligen Shishir P S Chundawat, Tim Campbell, Farzaneh Teymouri, Leonardo Sousa, Bruce E Dale, Venkatesh Balan) är uppfinnare / meduppfinnare på flera patent in på ammoniak förbehandling och reaktor design på MSU / MBI.

Acknowledgments

Detta material är baserat på arbete som delvis stöds av Great Lakes Bioenergy Research Center, US Department of Energy, Office of Science, Office of Biological and Environmental Research under Award Numbers DE-SC0018409 och DE-FC02-07ER64494. Rebecca Ong erkänner delvis stöd från Michigan Technological University (startup finansiering). Shishir Chundawat erkänner delvis stöd från US National Science Foundation CBET award (1604421), ORAU Ralph E. Powe Award och Rutgers School of Engineering (Startup Funding). Bruce Dale erkänner delvis stöd från Michigan State University AgBioResearch kontor och även USDA National Institute of Food and Agriculture. Venkatesh Balan erkänner delvis stöd från delstaten Texas och University of Houston (Startup Finansiering). MBI anställda erkänner delvis stöd från US Department of Energy och Michigan State University stiftelse. Slutligen vill vi ägna detta dokument till vår mentor och medförfattare Prof. Bruce Dale för att inspirera oss att tillsammans fullfölja vår dröm om att göra hållbara cellulosa biobränslen.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Dale, B. E., Henk, L. L. Response of Lignocellulosic Materials to Ammonia Freeze Explosion. Abstracts of Papers of the American Chemical Society. 190, 78 (1985).
  2. Dale, B. E., Henk, L. L., Shiang, M. Fermentation of Lignocellulosic Materials Treated by Ammonia Freeze-Explosion. Symposium: Bioconversion of Waste Materials to Useful Industrial Products. , 223-233 (1985).
  3. Mosier, N. S., et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology. 96 (6), 673-686 (2005).
  4. Campbell, T. J., et al. A packed bed Ammonia Fiber Expansion reactor system for pretreatment of agricultural residues at regional depots. Biofuels. 4 (1), 23-34 (2013).
  5. Bals, B., Teymouri, F., Campbell, T., Jin, M., Dale, B. E. Low temperature and long residence time AFEX pretreatment of corn stover. BioEnergy Research. 5 (2), 373-379 (2012).
  6. Chundawat, S. P. S., et al. Multi-scale visualization and characterization of plant cell wall deconstruction during thermochemical pretreatment. Energy & Environmental Science. 4 (3), 973-984 (2011).
  7. Chundawat, S. P. S., Beckham, G. T., Himmel, M., Dale, B. E. Deconstruction of Lignocellulosic Biomass to Fuels and Chemicals. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2, 121-145 (2011).
  8. Chundawat, S. P. S., et al. Primer on Ammonia Fiber Expansion Pretreatment. Aqueous Pretreatment of Plant Biomass for Biological and Chemical Conversion to Fuels and Chemicals. , 169-200 (2013).
  9. da Costa Sousa, L., Chundawat, S. P. S., Balan, V., Dale, B. E. "Cradle-to-grave" assessment of existing lignocellulose pretreatment technologies. Current Opinion in Biotechnology. 20 (3), 339-347 (2009).
  10. Solaiman, S. G., Horn, G. W., Owens, F. N. Ammonium Hydroxide Treatment on Wheat Straw. Journal of Animal Science. 49 (3), 802-808 (1979).
  11. Harbers, L. H., Kreitner, G. L., Davis, G. V., Rasmussen, M. A., Corah, L. R. Ruminal Digestion of Ammonium Hydroxide-Treated Wheat Straw Observed by Scanning Electron Microscopy. Journal of Animal Science. 54 (6), 1309-1319 (1982).
  12. Dale, B. E., Bals, B. D., Kim, S., Eranki, P. Biofuels Done Right: Land Efficient Animal Feeds Enable Large Environmental and Energy Benefits. Environmental Science & Technology. 44, 8385-8389 (2010).
  13. Schuerch, C., Burdick, M. P., Mahdalik, M. Liquid Ammonia-Solvent Combinations in Wood Plasticization: Chemical Treatments. Industrial & Engineering Chemistry Product Research and Development. 5 (2), 101-105 (1966).
  14. O'Connor, J. J. Ammonia explosion pulping: A new fiber separation process. Tappi. 55 (3), 353-358 (1972).
  15. Yan, M. M., Purves, C. B. Extraction of a Lignin Fraction from Maple Wood by Liquid Ammonia. Canadian Journal of Chemistry-Revue Canadienne De Chimie. 34 (12), 1747-1755 (1956).
  16. Yan, M. M., Purves, C. B. Attempted Delignifications with Sodium Bicarbonate - Carbon Dioxide, and with Anhydrous Liquid Ammonia, Under Pressure. Canadian Journal of Chemistry. 34 (11), 1582-1590 (1956).
  17. Tarkow, H., Feist, W. C. A Mechanism for Improving the Digestibility of Lignocellulosic Materials with Dilute Alkali and Liquid Ammonia. Cellulases and Their Applications. (95), 197-217 (1969).
  18. Peterson, R. C., Strauss, R. W. Chemi-mechanical pulping of hardwoods using ammonia vapor. Journal of Polymer Science Part C: Polymer Symposia. 36 (1), 241-250 (2007).
  19. Dale, B. E., Moreira, M. J. A Freeze-Explosion Technique for Increasing Cellulose Hydrolysis. Biotechnology and Bioengineering. , 31-43 (1982).
  20. Weimer, P. J., Chou, Y. -C. T. Anaerobic Fermentation of Woody Biomass Pretreated with Supercritical Ammonia. Applied and Environmental Microbiology. 52 (4), 733-736 (1986).
  21. Weimer, P. J., Chou, Y. C. T., Weston, W. M., Chase, D. B. Effect of supercritical ammonia on the physical and chemical structure of ground wood. Biotechnol Bioeng Symp. 17, 5-18 (1986).
  22. Chou, Y. C. T. Supercritical ammonia pretreatment of lignocellulosic materials. Biotechnol Bioeng Symp. 17, 19-32 (1986).
  23. Iyer, P. V., Wu, Z. -W., Kim, S. B., Lee, Y. Y. Ammonia recycled percolation process for pretreatment of herbaceous biomass. Applied Biochemistry and Biotechnology. 57, 121-132 (1996).
  24. Dunson, J. R., Elander, R. T., Tucker, M., Hennessey, S. M. Treatment of biomass to obtain fermentable sugars. U.S. Patent. , 0031918 US 2007/00 (2007).
  25. Kim, T. H., Lee, Y. Y., Sunwoo, C., Kim, J. S. Pretreatment of corn stover by low-liquid ammonia recycle percolation process. Applied Biochemistry and Biotechnology. 133 (1), 41-57 (2006).
  26. da Costa Sousa, L., et al. Next-generation ammonia pretreatment enhances cellulosic biofuel production. Energy & Environmental Science. 9, 1215-1223 (2016).
  27. da Costa Sousa, L., Foston, M., et al. Isolation and characterization of new lignin streams derived from extractive-ammonia (EA) pretreatment. Green Chemistry. 18 (15), 4205-4215 (2016).
  28. Chundawat, S. P. S., et al. Ammonia-salt solvent promotes cellulosic biomass deconstruction under ambient pretreatment conditions to enable rapid soluble sugar production at ultra-low enzyme loadings. Green Chemistry. 22, 204-218 (2020).
  29. Zhao, C., Shao, Q., Chundawat, S. P. S. Recent Advances on Ammonia-based Pretreatments of Lignocellulosic Biomass. Bioresource Technology. , 122446 (2019).
  30. Balan, V., Dale, B. E., Chundawat, S., Sousa, L. Methods for pretreating biomass. U.S. Patent. , US9644222 B2 (2011).
  31. Garlock, R. J., Chundawat, S. P. S., Hodge, D. B., Keskar, S., Dale, B. E. Linking Plant Biology and Pretreatment: Understanding the Structure and Organization of the Plant Cell Wall and Interactions with Cellulosic Biofuel Production. Plants and BioEnergy (Advances in Plant Biology). 4, 231-253 (2014).
  32. Balan, V., et al. Enzymatic digestibility and pretreatment degradation products of AFEX-treated hardwoods (Populus nigra). Biotechnology Progress. 25 (2), 365-375 (2009).
  33. Garlock, R. J., Bals, B., Jasrotia, P., Balan, V., Dale, B. E. Influence of variable species composition on the saccharification of AFEX pretreated biomass from unmanaged fields in comparison to corn stover. Biomass and Bioenergy. 37, 49-59 (2012).
  34. Wilkerson, C. G., et al. Monolignol Ferulate Transferase Introduces Chemically Labile Linkages into the Lignin Backbone. Science. 344 (6179), 90-93 (2014).
  35. Tang, X., et al. Designer synthetic media for studying microbial-catalyzed biofuel production. Biotechnology for Biofuels. 8 (1), 1 (2015).
  36. Chundawat, S. P. S., et al. Multifaceted characterization of cell wall decomposition products formed during ammonia fiber expansion (AFEX) and dilute-acid based pretreatments. Bioresource Technology. 101, 8429-8438 (2010).
  37. Lau, M. W., Dale, B. E. Cellulosic ethanol production from AFEX-treated corn stover using Saccharomyces cerevisiae 424A(LNH-ST). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (5), 1368-1373 (2009).
  38. Baumann, M., Borch, K., Westh, P. Xylan oligosaccharides and cellobiohydrolase I (TrCel7A) interaction and effect on activity. Biotechnology for Biofuels. 4 (1), 45 (2011).
  39. Chundawat, S., et al. Shotgun approach to increasing enzymatic saccharification yields of Ammonia Fiber Expansion (AFEX) pretreated cellulosic biomass. Frontiers in Energy Research. 5, 9 (2017).
  40. Gao, D., Chundawat, S. P. S., Uppugundla, N., Balan, V., Dale, B. E. Binding Characteristics of Trichoderma reesei Cellulases on Untreated, Ammonia Fiber Expansion and Dilute-acid Pretreated Lignocellulosic Biomass. Biotechnology and Bioengineering. 108 (8), 1788-1800 (2011).
  41. Gao, D., Chundawat, S. P. S., Krishnan, C., Balan, V., Dale, B. E. Mixture optimization of six core glycosyl hydrolases for maximizing saccharification of ammonia fiber expansion (AFEX) pretreated corn stover. Bioresource Technology. 101 (8), 2770-2781 (2010).
  42. Gao, D., et al. Strategy for identification of novel fungal and bacterial glycosyl hydrolase hybrid mixtures that can efficiently saccharify pretreated lignocellulosic biomass. BioEnergy Research. 3, 67-81 (2010).
  43. Banerjee, G., et al. Synthetic multi-component enzyme mixtures for deconstruction of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology. 101 (23), 9097-9105 (2010).
  44. Banerjee, G., Car, S., Scott-Craig, J. S., Borrusch, M. S., Aslam, N., Walton, J. D. Synthetic enzyme mixtures for biomass deconstruction: Production and optimization of a core set. Biotechnology and Bioengineering. 106 (5), 707-720 (2010).
  45. Banerjee, G., Car, S., Scott-Craig, J., Borrusch, M., Walton, J. Rapid optimization of enzyme mixtures for deconstruction of diverse pretreatment/biomass feedstock combinations. Biotechnology for Biofuels. 3 (1), 22 (2010).

Tags

Miljövetenskap Utgåva 158 Ammoniakfiexpansion (AFEX) förbehandling Lignocellulosabiomassa cellulosabiobränslen djurfoder cellulaser enzymatisk hydrolys bioraffinaderi
Ammoniak Fiber Expansion (AFEX) Förbehandling av Lignocellulosa biomassa
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chundawat, S. P. S., Pal, R. K.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter