Здесь мы представляем протокол для выполнения извлечения этанола лигнина из нескольких источников биомассы. Влияние условий добычи на урожайность лигнина и содержание β-O-4 представлены. Селективный деполимеризации выполняется на полученные лигнин для получения продуктов высокой ароматических мономера.
Лигнин валоризации стратегии являются ключевым фактором для достижения более экономически конкурентоспособной biorefineries, основанные на лигноцеллюлозных биомассы. Большинство возникающих элегантный процедур для получения конкретных ароматических продуктов полагаются на подложке лигнина, с высоким содержанием легко горные β-O-4 связи как в структуре родной лигнина. Это обеспечивает Мисс матч с типичной технический лигнин, которые сильно деградированных и поэтому являются низкими в β-O-4 связей. Таким образом извлечения урожайность и качество полученных лигнина имеют первостепенное значение для доступа новых путей валоризации лигнина. В этой рукописи простой протокол для получения фенольных с высоким содержанием β-O-4 представлена извлечения относительно мягкая этанола, который может быть применен к различным лигноцеллюлозе источникам. Кроме того процедуры анализа для определения качества лигнин представлены деполимеризации протокол, который дает конкретные фенольные 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes, который может использоваться для оценки полученных лигнин. Представленные результаты демонстрируют связь между лигнина качества и потенциал для лигнин в depolymerized в конкретных мономерных ароматических химических веществ. В целом добыча и деполимеризации демонстрирует компромисс между урожайностью лигнина извлечение и сохранение структуры родного арил эфира и таким образом потенциал лигнина для использования в качестве подложки для производства химических веществ для более высокое значение приложения.
Для химической промышленности стать устойчивым возобновляемых видов сырья, например лигноцеллюлозных биомассы должны использоваться как альтернатива нынешней доминирующей ископаемого те1. Однако чтобы сделать использование такого сырья экономически жизнеспособным, дорогостоящих приложений следует искать все его содержимое. Лигноцеллюлозных биомассы может содержать около 30 wt % лигнина, это ароматические биополимер, для которого в настоящее время только несколько приложений были разработаны за пределами его использованию в качестве низкой стоимости топлива2. Таким образом методология к потенциально увеличить значение ароматических компонентов представляет большой интерес для обеспечения успеха будущих biorefineries.
Недавние исследования сосредоточена в значительной степени на разработки новых методологий для селективного расщепление наиболее распространенных связь β-O-4 (рис. 1a) в лигнина для получения конкретных ароматические, обычно фенольные, мономеры3,4 ,5,6. Например применение кислот между 80 ° C до 180 ° C является очень эффективным в раскалывание β-O-4 связь, образуя альдегид и кетон фрагменты7,8. Наши группы и другие недавно показали, что acidolysis в сочетании с методологиями для стабилизации и ловушка реактивной фрагменты является чрезвычайно мощным для получения фенольных мономеров с конкретным химическим мотивы9,10 , 11 , 12. из них, в частности ацеталя треппинга реактивных альдегидов, спиртов для получения фенольных 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (ацетали) оказались мощным из-за его относительно простое приложение и сохранение высоко функционализированных природы лигнин мономеров (рис. 1b)13,14. Эти ацетали получаются от деполимеризации в соотношении, что касается распределения h, G и S мономеров присутствует в родительской лигнина сырья.
Кислота катализировано деполимеризации, как многие из самых элегантных методологий развитым, сравнительно мягкая и не прилепится сильнее C-C-Облигации, которые происходят в лигнина15. Однако C-C-Облигации становятся особенно обильные при суровых лигноцеллюлозе фракционирование условия применяются из-за конденсации реактивной фрагментов, освобождены от расщепления слабее C-O облигации16,17. Потеря β-O-4 содержание из биомассы, метод обработки четко свидетельствует анализ целого ряда технических лигнин, которые были показаны только сохранить до 6 связей β-O-4 на 100 единиц ароматических18, в то время как в лигноцеллюлозе этими числами от 45 до 90 связей на 100 ароматические единиц в зависимости от источника16. Переходя к более мягких условиях добычи, лигнин можно получить с распределениями связь, которые лучше отражают естественный лигнина. Тем не менее это требует компромисс между эффективностью извлечения и качество полученных лигнина материала17. Это также имеет приоритет в экстракции растворителями лигнин, который является популярным методом для фракционировать лигнина. Многие вариации этого процесса существуют, с методами, используя различные температуры, содержания кислоты, извлечения раз и растворителей. Здесь добыча тяжести имеет прямое влияние на структуры полученных лигнина и, таким образом, его пригодности для дальнейшей индексации19,,2021. К примеру растворителями лигнина производства этанола на основе процесса., Alcell, эксплуатируемых на 5 лет в масштабе демонстрации, имел относительно низкое количество β-O-4 связей как он эксплуатировался при сравнительно высокой температуре для обеспечения эффективного делигнификации в чтобы получить высокое качество углеводов для производства биоэтанола. Тем не менее биоресурсах растворителей с мало воздействия на окружающую среду как этанол являются предпочтительными и таким образом методов извлечения, которые приводят к лигнин высокого значения представляют интерес. Алкогольные растворителей представляют особый интерес и в дополнение к быть средство извлечения, они также включают в состав лигнина, например, β’ – O – 4 (рис. 1a)22, который частично «защищает» структуры от нежелательных расщепление. Подходящий метод потенциально бы сначала получить лигнина с высоким содержанием β-O-4 и в последовательный шаг чтобы удалить оставшуюся часть лигнина для доступа к высокой стоимости целлюлозы.
В этой рукописи мы описываем прямо вперед и высокую воспроизводимость процедуры для извлечения высокий β-O-4 лигнина экстракцией мягкая этанола. В зависимости от источника биомассы это может привести к относительно высоким извлечения эффективность и доходность. Предоставляются процедуры для характеристики полученных лигнин, а также как «deprotect» etherified β’ – O – 420. Кроме того процедура оценки представлен потенциал этих фенольных селективного деполимеризации процедур, которые полагаются на выборочной расщепления связи β-O-4. Эта оценка выполняется с помощью iron(III) трифлатов катализируемой деполимеризации присутствии этиленгликоля для получения фенольных 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes23 , который демонстрирует связь между β-O-4 содержание лигнина материал и Мономер дает21. Результаты показывают, баланс между эффективностью извлечения высокой лигнина и потенциал полученные лигнина, чтобы быть depolymerized к конкретным ароматических мономеров.
Результаты из зубов в различных условиях и различных биомассы источников показывают, как оптимальные условия для извлечения лигнина с относительно высоким содержанием β-O-4 связей может варьироваться в зависимости от источника. К примеру, орех добычи на ужесточение условий (метод B) обеспечивает трехкратное увеличение урожайности с вблизи удержания суммы β-O-4 единиц, в то время как для бука и Кедр доходность увеличивается, но сопровождается значительным падением в количество β-O-4 единицы. С другой стороны для сосны, ужесточение условий извлечения предоставляют очень мало пользы в урожайности и также привести к лигнан с очень низким количеством β-O-4 шт. Это означает, что обычно той или иной форме оптимизации должен принимать участие получить правильный баланс между лигнина урожайность и качество в форме удержания суммы β-O-4 единиц в материалах, полученных лигнина.
Значительное увеличение Мw лигнина материала, полученные из более суровые условия добычи показывает, что в этих условиях может быть извлечено более крупных фрагментов, обеспечивая более высокие урожаи. Однако в этих условиях дополнительные фрагментация происходит, обеспечивая дополнительные нижней молекулярный вес материала и таким образом увеличивая полиизопрена, как ясно видно на графиках GPC орех (Рисунок 5a) и Кедр (рис. 5 d) в Форма сигнала на ~ 500 да.
HSQC ЯМР является важным инструментом информативный представить сравнительные данные по качеству различных лигнин. Следует отметить, что в этой процедуре выполняется стандартная HSQC эксперимент, это отлично подходит для получения сравнительных данных, но не обязательно количественных вследствие различий в времена релаксации. Большое количество связей, отображаемых для некоторых лигнин в таблице 1 являются завышенными. Количественных экспериментов HSQC обеспечивают лучшие результаты, но стоят значительно больше времени ЯМР, хотя существуют альтернативы29. В нашем опыте цифры в таблице 1 следует разделить на коэффициент 1.3 чтобы лучше отразить фактическое количество единиц β-O-4 на 100 ароматические единиц.
Как упоминалось ранее результаты указывают как нахождение оптимальных условий может варьироваться в зависимости от источника с целью получения максимальной мономера урожайности. Например когда грецкого ореха используется в качестве исходного материала, в целом общая ацетали доходность увеличивается примерно в два раза если более строгие условия (метод B) используются для извлечения лигнина. Однако это главным образом из-за большой разницы в лигнина Извлечение доходности, не затрагивая содержание β-O-4. По-другому когда используется сосна более мягких условиях добычи (метод А) являются предпочтительными. В самом деле результаты извлечения лигнина в очень похожи урожайности в двух случаях, но более жесткие условия вызывают падение в β-O-4 единицы (особенно-превращенные связей β-O-4), которые могут быть причиной для такого урожая низкий мономерная, как указано в предыдущем пункте. Значительные потери-превращенные β-O-4 связей можно наблюдать также в случаях бук и Кедр если применяются условия (метод B) для извлечения, что возможно приводит к снижению урожайности мономеров. Однако общий выход ацеталя не отличаются что многое зависит от условий добычи. В самом деле для обоих источников биомассы, переход от методов A к B, которая компенсирует снижение примерно два раза мономера урожайности наблюдается приблизительно два раза увеличение лигнина Извлечение доходности.
The authors have nothing to disclose.
Работа финансировалась Европейским союзом (Marie Curie ITN «SuBiCat» PITN-GA-2013-607044, ПСР, КБ и JGdV), помимо исследовательской программы талант и финансовой поддержки от Европейского Совета исследований, КЧП начиная Грант 2015 (CatASus) 638076 (объявления и KB) Схема (ВиДи) с номером проекта 723.015.005 (КБ), который частично финансируется Нидерландами организация научных исследований (НВО).
Materials | |||
Iron (III) triflate | Sigma Aldrich | 708801-1G | purity: 90% |
Octadecane | Sigma Aldrich | 0652-100G | purity: 99% |
Celite | Alfa Aesar | H33152.0B | |
Silica Gel | SiliCycle | R12030B-1KG | P60 40-63 μm |
Dichloromethane | Macron Fine Chemicals | 6779-25 | |
Walnut shells | |||
Pine wood | |||
Cedar wood | |||
Beech wood | |||
Ethanol | JT Baker Chemicals | 00832000001 | Ethanol absolute |
Isopropanol | Acros Organics | 149320025 | 99.5+% extra pure |
Acetone | Macron Fine Chemicals | 2440-06 | |
Tetrahydrofuran | Boom B.V. | 164240025 | stabilized with BHT |
Toluene | Macron Fine Chemicals | 8608-02 | |
Water | Demi water from the internal supply | ||
1,4-Dioxane | Acros Organics | 408820010 | 99+% extra pure |
Hydrochloric acid | Acros Organics | 124620026 | 37% solution in water |
Sulfuric acid | Boom B.V. | 760519081000 | 95-97% |
Acetone-d6 | Acros Organics | 325320500 | 99.8 atom% D |
Deuterium oxide | Sigma Aldrich | 151882-100G | 99.9 atom% D |
Filters | Munktell | 400303185 | 185 mm diameter, 10 μm pore size |
Magnetic stirring bars | VWR | 442-4525 | |
Syringe filter | Sartorius | 17559-Q | 0.45 μm filter |
Autosampler vial (2 mL) | Brown | 151123 | |
Reduced volume inlet (0.3 mL) | Brown | 150820 | |
Autosampler caps (11 mm) | Brown | 151216 | |
Autosampler vial crimper | |||
Oil bath | |||
Syringes (1 mL) | Henke Sass Wolf | 4010-200V0 | |
Heating block-4 positions | IKA | ||
Micro tubes 2 ml | Sarstedt | 72691 | |
Crimp seals-20 mm | Brown Chromatography Supplies | 151287 | with Silicone/PTFE septa |
Equipment | |||
Rotary Ball Mill | Fritsch | 06.2000.00 | Laboratory Planetary Mono Mill PULVERISETTE 6 |
Hammer mill | Brabender | ||
Micro Hammer mill | Brabender | ||
Vacuum oven | Heraeus | Heraeus Vacutherm | |
Reflux setup and other glassware | CBN Suppliers B.V. | Reflux condensor, Roundbottom flask, Beaker glass and funnels | |
Rotary evaporator | IKA | ||
250 mL high pressure autoclave | Berghof | ||
1 L high pressure autoclave | Medimex | ||
Ultrasonic bath | Emerson | type Branson 3210 | |
NMR instrument | Bruker | Ascend 600 | |
THF-GPC | Hewlett Packard | 1100 series | |
Magnetic stirring plate | SalmenKipp | SK861492220263 | type x-1250 |
Coffee grinder | Profi Cook | PC-KSW1021 | |
Drilling machine | Solid | type TB 13 S | |
GC-FID | Shimadzu | ||
BUCHI Reveleris PREP purification system | Buchi | ||
BUCHI C18 column | Buchi | 150 mm × 21.2 mm × 10 μm | |
20 ml microwave vials | ??? | ||
Univapo 150 ECH rotational vacuum concentrator | UniEquip | ||
Eppendorf minispin tabletop centrifuge | Eppendorf | ||
SB2 rotator | Stuart | ||
Vortex | Wilten | ||
Processing Software | |||
WinGPC Unichrom | |||
MestReNova |