Waiting
Login processing...

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

Chemistry

מיצוי של ליגנין עם תכולה גבוהה של β-O-4 על-ידי הפקת אתנול מתון והשפעתו על התשואה Depolymerization

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/58575
Automatic Translation
1, 2, 1,2, 2,3, 2, 1
1Department of Chemical Engineering (ENTEG), University of Groningen, 2Stratingh Institute for Chemistry, University of Groningen, 3Leibniz-Insitut f ür Katalyse e.V., Universität Rostock

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לבצע הפקת אתנול ליגנין ממספר מקורות ביומסה. השפעת התנאים החילוץ על התשואה ליגנין ותוכן β-O-4 מוצגים. Depolymerization סלקטיבית מבוצעת על lignins שהושג להשיג מוצרים גבוהה מונומר ארומטי.

Abstract

ליגנין valorization אסטרטגיות הן גורם מפתח להשגת biorefineries יותר מבחינה כלכלית תחרותי המבוסס על ביומסה lignocellulosic. רוב ההליכים אלגנטי המתעוררים להשיג מוצרים ארומטיים ספציפיים להסתמך על המצע ליגנין בעל תכולה גבוהה של ניגודים β-O-4 cleavable בקלות כפי שהוא נוכח במבנה ליגנין מקורית. הדבר מספק מיס-התאמה טיפוסי lignins טכני מאוד מושפל, לכן נמוכים בβ-O-4 קישורים. לכן, את התשואות החילוץ, והאיכות של ליגנין שהושג הן בעל חשיבות עליונה כדי לגשת משעולים valorization ליגנין חדשים. כתב יד זה, מוצג פרוטוקול פשוט להשיג lignins עם תכולה גבוהה של β-O-4 הפקת אתנול מתון יחסית שניתן להחיל למקורות שונים lignocellulose. יתר על כן, ניתוח הליכים לקביעת איכות lignins מוצגים יחד עם פרוטוקול depolymerization מניב ספציפי בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes, בו ניתן להשתמש כדי להעריך את lignins שהושג. התוצאות שהוצגו מדגימים את הקישור בין איכות ליגנין פוטנציאל lignins להיות depolymerized לתוך כימיקלים ארומטי monomeric מסוימים. בסך הכל, החילוץ של depolymerization מדגים פשרה בין התשואה החילוץ ליגנין, השמירה של המבנה aryl מקורי-אתר ובכך את הפוטנציאל של ליגנין כדי לשמש את המצע לייצור כימיקלים ערך גבוה יותר יישומים.

Introduction

התעשייה הכימית להיות בר קיימא, מתחדשים כגון ביומסה lignocellulosic אמור לשמש כאלטרנטיבה דומיננטי מאובנים אלו הנוכחי1. עם זאת, כדי להפוך את השימוש כזה ביניים לדלק כלכלית, יש לחפש יישומים בעלי ערך גבוה עבור כל התוכן שלה. ביומסה lignocellulosic יכולים להכיל כ-30% wt של ליגנין זה ביופולימרים ארומטי אשר כעת רק כמה יישומים פותחו מעבר את השימוש בשם דלק נמוך ערך2. לכן, המתודולוגיה כלפי רכיבי ארומטי פוטנציאלי מוגבר-ערך הוא עניין מרכזי כדי להבטיח ההצלחה של biorefineries בעתיד.

מחקר שנערך לאחרונה התמקדה בכבדות על פיתוח מתודולוגיות הרומן למחשוף סלקטיבי של ניגודים β-O-4 הנפוץ ביותר (איור 1 א') בליגנין להשיג מונומרים ספציפיים, ארומטי, בעל תאים, בדרך כלל פנוליים3,4 5, ,6. לדוגמה, היישום של חומצות בין 80 ° C עד 180 ° C יעיל מאוד ביקוע של הצמדה β-O-4 ויוצרים אלדהיד, קטון שברים7,8. הקבוצות שלנו ואחרים לאחרונה הראו כי acidolysis בשילוב מתודולוגיות לייצב, שברי תגובתי ההשמנה הוא מאוד חזק כדי להשיג בעל תאים פנוליים מונומרים עם מוטיבים כימי מסוים9,10 , 11 , 12. אלה, במיוחד השמנה אצטל של תגובתי aldehydes עם כהלים להשיג בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes (acetals) הוכיח חזק בשל יישום פשוט יחסית שלה ואת השמירה של הטבע functionalized מאוד של ליגנין מונומרים (איור 1b)13,14. Acetals אלה מתקבלים מן depolymerization על יחס המתייחס להתפלגות של ה G ו- S מונומרים להציג זינה ליגנין האב.

חומצה מזורז depolymerization, כמו רבים מתודולוגיות האלגנטי ביותר שפותחו, הם מתון יחסית, לא קליב חזק אג ח C-C המתרחשים ליגנין15. עם זאת, אג ח C-C הופכים שופע במיוחד כאשר התנאים fractionation lignocellulose קשים מוחלים עקב עיבוי של קטעים תגובתי שוחררו את המחשוף של חלשים C-O אג ח16,17. האובדן של ביומסה שיטת עיבוד תוכן β-O-4 עולה בבירור מדבריו הניתוח של מגוון טכני lignins, אשר הוצגו רק לשמור על קישורים β-O-4 עד 6 עבור כל 100 יחידות ארומטי18, בזמן lignocellulose טווח מספרים אלה מ-45 90 קישורים לכל 100 יחידות ארומטי בהתאם מקור ה-16. בפנותו לתנאים החילוץ מתון יותר, lignins ניתן להשיג עם ההפצות הצמדה כך שישקפו טוב יותר את ליגנין טבעי. בכל זאת, זה דורש פשרה בין החילוץ היעילות והאיכות של ליגנין שהושג גשמי17. זה יש גם קדימות organosolv החילוץ של ליגנין, וזו שיטה פופולארית כדי fractionate ליגנין. וריאציות רבות של קיימים בתהליך הזה, עם השיטות המעסיקים טמפרטורות שונות, תוכן חומצה, חילוץ פעמים, ממיסים. . הנה, לחומרת החילוץ יש השפעה ישירה על המבנה ליגנין שהושג ובכך התאמתו נוסף valorization19,20,21. לדוגמה, ליגנין organosolv המיוצר על ידי תהליך Alcell אתנול מבוסס, פעלו במשך 5 שנים בקנה מידה הפגנה, היתה כמות נמוכה יחסית של β-O-4 קישורים כפי הוא מופעל בטמפרטורה גבוהה יחסית כדי להבטיח delignification יעיל ב סדר כדי לקבל איכות גבוהה פחמימות לייצור bioethanol. ובכל זאת, ממיסים biobased עם השפעה סביבתית קטנה כמו אתנול עדיפים, לפיכך השיטות החילוץ לגרום lignins של ערך גבוה יותר הן עניין. ממיסים אלכוהוליים הם מעניינים במיוחד כמו תוספת להיות המדיום החילוץ הם גם לשלב בתוך המבנה ליגנין, לדוגמה, β' - O - 4 (איור 1 א')22, אשר בחלקו "מגן" המבנה רצויה המחשוף. שיטה מתאימה באופן פוטנציאלי יהיה קודם להשיג ליגנין עם תוכן β-O-4 גבוהה, בצעד רציפים כדי להסיר את שארית ליגנין לגשת תאית ערך גבוה.

כתב יד זה, אנו מתארים הליך ישר קדימה ולא מאוד לשחזור על החילוץ של ליגנין β-O-4 גבוהה הפקת אתנול מתון. בהתאם לסוג מקור ביומסה, זה יכול להוביל יעילות גבוהה יחסית החילוץ, תשואות. נהלי אפיון ליגנין שהושג מסופקים וכן כיצד "deprotect" של β etherified' - O - 420. בנוסף, הליך הערכת הוא הציג את הפוטנציאל של אלה lignins בהליכים depolymerization סלקטיבית המסתמכים על המחשוף סלקטיבי קישורים β-O-4. הערכה זו מתבצעת באמצעות depolymerization triflate iron(III) catalyzed בנוכחות אתילן גליקול להשיג בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes23 אשר מדגים את הקשר בין 4-O-β-תכולת החומר ליגנין, מונומר התשואות21. התוצאות מציגות את האיזון בין יעילות גבוהה ליגנין מיצוי הפוטנציאל של ליגנין שהושג להיות depolymerized כדי מונומרים ארומטי ספציפיים.

Protocol

1. רעלני של זינה אגוז לפני חילוץ ליגנין

  1. הייצור של קליפות לחתוך אגוזי מלך
    1. להאכיל את הקליפות אגוז חותך פטיש כדי לשבור את הקליפות. לצייד את החותך פטיש עם מסננת 5 מ מ משקע החשמל. איסוף קליפות אגוזים שבר בתוך זכוכית 1 ליטר.
    2. להאכיל את הקליפות שבורה בחותך פטיש מיקרו להשיג קרקע פגזים. לצייד את החותך פטיש מיקרו עם מסננת 2 מ מ משקע החשמל. לאסוף את הקליפות הקרקע אגוז בתוך זכוכית 1 ליטר.
  2. מיצוי של חומצות שומן מן הפגזים הקרקע אגוז
    1. לשים 150 גר' קליפות אגוזים חתוכים בקבוקון סיבוב המדרגה 500 מ"ל. להוסיף 200 מ של טולואן ובר מלהיב הבקבוק העגול-התחתון.
    2. לצרף הבקבוק העגול למטה הקבל ריפלוקס. חום התערובת בטמפרטורה ריפלוקס (111 הלעפה תרוטרפמט) עם אמבט שמן עבור 2 h עם נמרצת זע.
    3. לעצור את החימום אחרי 2 h ומצננים את התערובת עד לטמפרטורת החדר על-ידי הסרתו מכוננים האמבטיה שמן.
    4. הסר את טולואן על ידי סינון (בקוטר 185 מ מ, 10 גודל הנקבוביות מיקרומטר). למחוק את פילטרט של טולואן.
    5. הסר את טולואן שאריות על ידי חימום את הקליפות אגוז למשך הלילה בתנור ואקום הלעפה תרוטרפמט 80, 50 mbar.
  3. הטחינה של אגוז טרום שחולצו פגזים
    1. מקום 7 ZrO2 טחינת כדורים בקוטר 20 מ מ לתוך 250 מ ל, טחינת קערה עשויה ZrO2.
    2. למלא את הקערה עם 40 גר' אגוז חלקיקים. להוסיף 60 מ ל אלכוהול איזופרופיל לקערה שחיקה.
    3. לבצע את שחיקה של קליפות אגוזים עם טחנת הכדור רוטרי. לטחון 4 מחזורים של 2 דקות טחינת ב g x 27 ולאחריו הפסקה 4 דקות. לשמור על הטמפרטורה של הקערה מתחת 80 הלעפה תרוטרפמט בכל עת. לבצע לא יותר מ-3 קבוצות ומצננים את הקערה למטה אחר כך.
    4. לאסוף את טחון אגוז פגזים לתוך בקבוקון סיבוב המדרגה 500 מ"ל. להסיר את אלכוהול איזופרופיל על ידי אידוי רוטרי הלעפה תרוטרפמט 40, 125 mbar.
    5. יבש הקליפות אגוז לילה בתנור ואקום הלעפה תרוטרפמט 50, 50 mbar.
    6. ניפוי של טחון אגוז פגזים ובמכתש 1 מ מ. פרוק את החלקיקים גדולים מדי שוב עם טחנת הכדור רוטרי.

2. הכנת עץ ביניים לדלק

  1. חיתוך הלוחות מעץ
    1. מקם את לוחות עץ תחת תרגיל, אשר מצויד עם מקדחה מהירות עץ שטוח. לאסוף את שבבי עץ בתוך זכוכית.
    2. מקם את שבבי עץ מטחנת קפה לחתוך אותם לחתיכות קטנות יותר.
  2. מיצוי של חומצות שומן מעץ
    1. לבצע את החילוץ של חומצות שומן מעץ בדיוק באותו אופן כמתואר אגוז פגזים ב 1.2 שלב.
      הערה: אין הטחינה של העץ מבוצע בתוך טחנת הכדור, כמו התנאים המתוארים שלב 1.3 לא לגרום לירידה של גודל החלקיקים.

3. מיצוי של ליגנין Ethanosolv β-O-4 גבוה

  1. הפקת אתנול מתון (שיטת A)
    1. לשים 25 גר' זינה בקבוקון סיבוב המדרגה 500 מ"ל. להוסיף תערובת אתנול/מים 80:20 (200 מ"ל), 4 מ"ל של 37% HCl פתרון (0.24 מ') ובר מלהיב מגנטי הבקבוק העגול-התחתון.
    2. לצרף הבקבוק העגול למטה הקבל ריפלוקס. חום הטמפרטורה atreflux תערובת עם אמבט שמן עבור 5 שעות עם נמרצת זע.
    3. מאפשרים לתערובת להתקרר לטמפרטורת החדר על-ידי הסרתו מכוננים האמבטיה שמן. לסנן את התערובת (בקוטר 185 מ מ, 10 גודל הנקבוביות מיקרומטר) ולשטוף את השאריות עם 4 פעמים 25 מ של אתנול.
  2. להמציא עבודה ובידוד של ליגנין
    1. לאסוף את המשקאות בבקבוקון סיבוב המדרגה 500 מ"ל. לרכז את האלכוהול על ידי אידוי רוטרי הלעפה תרוטרפמט 40 ו 150 mbar.
    2. להמיס המוצק שהושג ב 30 מ של אצטון. להשתמש באמבט אולטרא אם המוצק לא מתמוסס לחלוטין.
    3. לזרז את ליגנין על-ידי הוספת את התערובת 600 מ ל מים. אם אין משקעים מתרחשת, להוסיף כמות קטנה של רווי נה מימית2אז4 פתרון flocculate של ליגנין.
    4. לאסוף את ליגנין על ידי סינון (בקוטר 185 מ מ, 10 גודל הנקבוביות מיקרומטר). לשטוף את ליגנין עם 25 מיליליטר מים 4 פעמים. למחוק את פילטרט של אם אין ניתוח של השבר hemicellulose נדרשת. אם פילטרט של מאוד עכורים, להוסיף את צינור צנטריפוגה ולאסוף את השבר התחתון (מוצק) על ידי צנטריפוגה.
    5. לאפשר את ליגנין לאוויר יבש למשך הלילה. יבש את ליגנין נוספות בתנור ואקום (בן לילה-הלעפה תרוטרפמט 50 ו- 50 mbar).
    6. לקבוע את התשואה לאחר ליגנין זה יבש במשך הלילה בתנור ואקום.
    7. לקבוע את היעילות החילוץ ליגנין חילוק זה עם התוכן ליגנין הכולל כפי שיקבע את שיטת Klason24.
  3. טמפרטורה גבוהה יותר אתנול החילוץ (שיטה ב')
    1. לשים 15 גרם של זינה החיטוי 250 מ. להוסיף תערובת אתנול/מים 80:20 (120 מ ל), 2.4 מ"ל HCl (0.24 מ') ובר מלהיב מגנטי.
    2. חום התערובת ב 120 הלעפה תרוטרפמט עבור 5 שעות עם מהירות מלהיב של 5.2 x ג'י מגניב את התערובת לאחר מכן באמבט קרח.
    3. לסנן את התערובת (בקוטר 185 מ מ, 10 גודל הנקבוביות מיקרומטר) ולשטוף את שאריות 4 פעמים עם 15 מ"ל אתנול.
    4. לבצע עבודה נוספת-up ובידוד בדיוק כפי שמתואר בשלב 3.2.
  4. גדול בקנה מידה גבוה יותר הטמפרטורה אתנול החילוץ של קליפת אגוז (שיטת C *.)
    1. הכניסו 90 g של קליפת אגוז טחון דק אוטוקלב בלחץ גבוה 1 ליטר. להוסיף תערובת אתנול/מים 80:20 (750 מ"ל) ו מ 6.25 ל H2אז4 (0.12 M).
    2. חום התערובת ב 120 הלעפה תרוטרפמט עבור 5 שעות עם מהירות מלהיב של 35.8 x ג'י מגניב את התערובת חזרה לטמפרטורת החדר על-ידי הפעלת הכורים מערכת הקירור לאחר זמן תגובה 5 שעות.
    3. לסנן את התערובת (בקוטר 185 מ מ, 10 גודל הנקבוביות מיקרומטר) ולשטוף את שאריות 4 פעמים עם 75 מ"ל אתנול.
      הערה: שימוש במסננים מרובים חוסך הרבה זמן.
    4. לאסוף את וליקרים 2 אצוות שווה. לבצע את העבודה ובידוד כמתואר כמו שלב 3.2 עם כמות כפולה ממיסים עבור שתי קבוצות.
  5. בקרת ניסויים של 3.1 שלב. (שיטת A *) ועל שלב 3.3. (שיטת B *) (אופציונלי)
    1. לשים בדיוק כמה חומרים כפי שמתואר בשלב 3.1.1 אבל החלף הפתרון HCl עם 1.67 mL של H2אז4 (0.12M). שאר שלב 3.1 3.2 הוא זהה לשיטה A.
    2. לשים בדיוק כמה חומרים כפי שמתואר בשלב 3.3.1 אבל החלף הפתרון HCl עם 1.0 מ"ל של H2אז4 (0.12M). שאר 3.3 צעד זהה שיטהב'.

4. דה-etherification של ליגנין (אופציונלי)

  1. להמיס 1000 מ ג של ליגנין ב mL 24 של 1:1 1, 4-dioxane/מים תערובת בבקבוקון סיבוב המדרגה 100 מ. להוסיף 1 מ"ל של פתרון HCl 37% התערובת.
  2. הוספת סרגל מלהיב וחבר הקבל ריפלוקס הבקבוק העגול-התחתון. חום התערובת עד 100 הלעפה תרוטרפמט עם אמבט שמן עבור 5 שעות עם נמרצת זע.
  3. מאפשרים לתערובת להתקרר לטמפרטורת החדר על-ידי הסרתו מכוננים האמבטיה שמן. להוסיף את התערובת 160 מ ל מים, כדי לזרז את ליגנין.
  4. לאסוף את ליגנין על ידי סינון (בקוטר 185 מ מ, 10 גודל הנקבוביות מיקרומטר) ולשטוף את ליגנין עם 25 מיליליטר מים פי 2. לאפשר את ליגנין לאוויר יבש למשך הלילה. יבש את ליגנין נוספות בתנור ואקום (בן לילה-הלעפה תרוטרפמט 50 ו- 50 mbar).

5. ניתוח של ליגנין

  1. ניתוח דו מימדי תהודה מגנטית גרעינית (2D-NMR)
    1. להמיס 60 מ ג של ליגנין יבשים ב- 0.7 מ ל ד6-אצטון. הוסף מספר טיפות של D2O אם ליגנין לא מלא להתמוסס. מכניסים את התערובת NMR-שפופרת ולקחת פרוטון 2D ספקטרה קוהרנטיות קוונטית בודדת heteronuclear (HSQC) עם ספקטרומטר NMR עם הפרמטרים הבאים: (11,-1), (160,-10), nt = 4, ni = 51220.
    2. נתח ספקטרום HSQC שהושג. התאם את הספקטרום על ידי תיקונים ידניים שלב בציר בשני עד כל הסימנים הם חיוביים, כמו זה חשוב במיוחד לאורך הציר האופקי (f2). לבצע תיקונים בסיסית אין. העמדות של כל קישורים ניתנים בשלב 5.1.3, 5.1.6.
    3. לשלב את האותות באזור ארומטי התואמים שלוש יחידות ארומטיים שונים (פרוטון מספור לפי איור 4). אותות אלה נמצאים אזור [(Proton range) (טווח פחמן)]:
      S2/6: [(6.48-6.90)(104-109)]
      S'2/6: [(7.17-7.50)(105-109)]
      Sמרוכז: [(6.35-6.65)(106-109)]
      G2: [(6.78-7.14)(111.5-116)]
      G5: [(6.48-7.06)(115-120.5)]
      ג'י6: [(6.65-6.96)(120.5-124.5)]
      H2/6: [(7.05-7.29)(128.5-133)]
      הערה: H3/5 חופף עם האות G5 , ההנחה היא כי H2/6 יש באותה האינטנסיביות כמו H3/5. האות G מרוכז חופף G5. אם לא (או כמעט כל) G2 ו- G6 אותות קיימות, מציין שאירעה עיבוי מלא של G.
    4. לחשב את כמות יחידות ארומטי עם הנוסחה:
      ארומטי סה כ = (((S2/6 + S'2/6) / 2) + Sמרוכז) + ((G2 + G5 + G6- H2/6) / 3) + (H2/6 / 2)
    5. לחשב את אחוז היחידות G, H ו- S עם הנוסחאות הבאות:
      יחס S = (((S2/6 + S'2/6) / 2) + Scondensed): סה כ ארומטי x 100%
      יחס G = ((G2+ G5+ G6- H2/6) / 3): סה כ ארומטי x 100%
      יחס H = (H2/6 / 2): סה כ ארומטי x 100%
    6. לשלב את האותות בין אותות אזור אליפטיות התואמים β-O-4, β-β לβ-5 קישורים, קטונים היברט. הן אזור [(proton range) (טווח פחמן)]:
      4-O-β-α [(4.76-5.10)(73-77.5)]
      Β ' - O - 4α [(4.44-4.84)(81.5-86)]
      4-O-β-β וβ ' - O - 4β [(4.03-4.48)(85-90.5)]
      Β-O-4וγ וβ ' - O - 4וγ [(3.10-4.00)(58.5-62)]
      Β-5α [(5.42-5.63)(88-92)]
      Β-5β [(3.36-3.56)(53-54.5)]
      Β-5וγ [(3.50-4.00)(62-64.5)]
      Β-βα [(4.59-4.77)(86.5-89.5)]
      Β-ββ [(2.98-3.20)(55.5-59)]
      Β-βγ [(3.75-3.96)(72.5-76)] ו- [(4.10-4.31)(72.5-76)]
      HKγ [(4.20-4.30)(66-68)]
      הערה: β-הפרוטונים של β-O-4 וβ ' - O - קישורים 4 חפיפה. המוטיבים מבנית של קישורים אלה ניתנים באיור1.
    7. המספר הכולל של קישורים לכל 100 יחידות C9 יתבססו על האות של הפרוטון α של קישורים. לחשב את המספר הכולל של קישורים עם הנוסחאות הבאות:
      קישורים β-O-4 = (β-O-4α + β' - O - 4α) / סה כ x 100 ארומטי
      # Β-5 קישורים = β-5α / סה כ x 100 ארומטי
      Β-βקישורים = β-βα / סה כ x 100 ארומטי
  2. ג'ל הסתננות כרומטוגרפיה (GPC) ניתוח
    1. להמיס 10 מ ג של ליגנין יבשים ב 1 מ"ל של tetrahydrofuran (THF) (עם טיפה של טולואן התקנית פנימי). לסנן תערובת זו דרך מסנן מזרק מיקרומטר 0.45 לתוך מבחנה תעשיה עם כניסת נפח מופחת של 0.3 mL. סגור מזהמי מזון המבחנה עם כובע.
    2. מזריקים µL 20 המדגם לתוך GPC THF. לעבד נתונים המתקבלים.
    3. תקן את האות שהושג עבור האות הפניה (טולואן). בחר את אמצעי האחסון • תנאי עבור הטווח הנכון (~ 200-10000 Da). חישוב התפלגות מסה על ידי התוכנה.

6. depolymerization של Lignins כדי בעל תאים פנוליים 2-Arylmethyl-1, 3-Dioxolanes (Acetals)

  1. במקום 50 מ ג של ליגנין מיובשים בתוך בקבוקון מיקרוגל 20 מ"ל קיבול התגובה מצויד של פגים. להוסיף 0.85 מ ל 1, 4-dioxane, µL 50 של-אתילן גליקול ב- 1, 4-dioxane (0.54 mL/mL) ו- 50 µL של octadecane (תקן פנימי) 1, 4-dioxane (26 mg/mL).
  2. לסגור את מיכל התגובה וחום הפתרון עד 140 ° C תוך ערבוב ב g 3.8 x.
  3. מיכל התגובה מגיעה 140 ° C, להוסיף 50 µL של Fe (III) OTf3 ב- 1, 4-dioxane (0.1 g/mL).
  4. מערבבים את הכור למשך 15 דקות.
  5. מגניב הכור לטמפרטורת החדר ולהסיר את הנוזל depolymerization כפי שמתואר בשלב 7.1.

7. עבודה up וניתוח של תערובות Depolymerization

  1. מסננים את הנוזל על Celite (חדירות: 2.60-6-50 דארסי; גודל החלקיקים: 150 mesh טיילר; מסננת לשמור (140 מ' ארה ב): 2.0-25.0%) ו לאסוף בשפופרת צנטרפוגה 2 מ"ל.
  2. להתרכז הלילה נוזלי ב 35 ° C ברכז כשעוצמת ואקום.
  3. תמצית השמן/המוצק הסופי באמצעות ההליך שלהלן:
    1. הושעה ו להתנפח השאריות ב- 0.15 מ ל דיכלורומתאן (DCM) על ידי ערבוב נרחב (על-ידי מערבולת), 15 דקות של sonication ו- 30 דקות בגלגל אוטומטית.
    2. Centrifuge את הדגימות עבור עד 10 s באמצעות צנטריפוגה שולחן minispin כדי להבטיח הנוזל בתחתית הצינורית (מהירות צנטריפוגה: g 671 x).
    3. הוסף 0.75 מ של טולואן ושילוב בהרחבה (על-ידי sonication מערבולת, 10 דקות).
    4. Centrifuge את הדגימות עבור עד 10 s באמצעות צנטריפוגה שולחן minispin (מהירות צנטריפוגה: g 671 x) כדי להבטיח הנוזל בתחתית הצינורית.
    5. להפריד את הנוזל אורגני אור שאריות שמן מוצק או עבה, לסנן את הנוזל על פקק של Celite ולאסוף בקבוקון זכוכית.
      הערה: הליך זה עבור השעיה/שטיפת חוזר על עצמו שלוש פעמים ולאחר החילוץ האחרונה, 0.5 מ של טולואן משמש.
  4. לרכז את שלבי אורגני בשילוב רוטרי אידוי (הלעפה תרוטרפמט 40, 20 mbar).
  5. להמיס את השאריות שמנוני ב 1 מ"ל של DCM עבור גז כרומטוגרפיה להבה יינון גלאי (GC-FID) ניתוח.
  6. לבצע GC-FID באמצעות GC מצויד עם הליום גלאי ושימוש FID כמו הגז המוביל. הגדרות רגילות: הזרקת µL 1, קצבה פיצול של 50:1, זרם הליום של 0.95 מ"ל לדקה Equip GC מכשיר עם HP5 טור (30 מ' x 0.25 מ"מ x 0.25 מיקרומטר), לרוץ עם פרופיל הטמפרטורה אשר מתחיל עם איזותרמה 60 ° C 5 דקות. מעקב על ידי כבש 10 ° C/דקה 20 דקות ל- 260 מעלות צלזיוס. החזק את החום למשך 20 דקות.
  7. לשלב את פסגות ההרים הספקטרום באופן ידני. הטיימס השמירה של הפסגות הן הבאות: octadecane (נמצא 21.4 דקות), H-אצטל (19.5 דקות), G-אצטל (20.8 דקות), S-אצטל (23.4 דקות). השתמש בערכים שהושג ב- 7.8 שלב כדי לבצע כימות.
  8. לבצע כימות של G אצטל, אשר מבוססת על עקומת כיול עם תקן מתחם מבודד באמצעות תקן פנימי (octadecane).
    הערה: עקומת כיול: Equation 1 (R2= 0,9991)
    התשואה G-אצטל:Equation 2
    מבוסס על הקודם תוצאות9,21,23 שגורם לתגובה הוערך עבור H ו- S אצטל 2.19, 1.82, בהתאמה.

Representative Results

איור 2, זינה שהושג לאחר רעלני מוצגים (עמודה שמאלית). זינה כל הושג כמו צ'יפס קטן נוכח מלבד עץ אשור, אשר נרכשה כמו שבבי של גודל החלקיקים מתאימים עבור החילוץ. Lignins מתקבל אחרי המופע מיצוי מגוון רחב של צבעים וגדלים של חלקיקים. Lignins המתקבל טיפולים מתון (שיטת A והעמודה השניה איור 2) הם בדרך כלל אדום/ורוד בצבע ו רכשה כמו פתיתים קטנים. כאשר תנאים קשים יישומית (שיטות B ו- C *), lignins שהושג יש צבע חום/חום צהוב (השלישית והרביעית עמודה איור 2). התשואה גדל עבור כל עקירות תחת תנאים קשים (שיטות B ו- C*) לעומת התנאים מתון (סכימת התגובה איור 1, תוצאות, טבלה 1). אפקט זה היה הרבה יותר מעמיקה אגוז (10.2% עלייה), אשור (8.5% עלייה), עץ ארז (ב- 5.1% עלייה) לעומת עץ אורן (רק 0.5% גידול). בהתבסס על התוכן ליגנין של ביומסה לפני מיצוי (40.3% עבור אגוז, 28.6% עבור אורן25, 18.8% של אשור25 ו 35.1% עבור ארז25), יעילות הפקת ליגנין של עץ אשור הוא גבוה במיוחד (73.9%), ואילו עבור מקורות אחרים ליעילות נמוכה של החילוץ היה מתקבל. שיטות א * ו B *, בקרת ניסויים עם חומצה גופרתית עבור שיטות A ו- B, הראה שקצת לנקות הבדלים התשואה החילוץ. חילוץ מתון של קליפות אגוזים עם חומצה גופרתית (שיטת A *) נתן רק תשואה נמוכה מאוד של 2.6%, שזה נמוך במידה ניכרת יותר החילוץ עם חומצה הידרוכלורית (שיטת A) (2.6% ו- 5.0%). עם זאת, עם תנאים קשים החילוץ, החילוץ עם חומצה גופרתית (שיטת B *) מציגה תשואה גבוהה יותר בהשוואה חומצה הידרוכלורית (שיטת B) (19.3% ו- 15.2%), אך יצוין כי סוכר עקבות נמצאים המוצר מתקבל על ידי מיצוי עם חומצה גופרתית.

מניתוח NMR lignins שונים (למשל המוצג באיור 4), נקבעו את יחס H/G/S והכמות של קישורים (טבלה 1). עקב החפיפה של β, γ-פרוטונים של β-O-4 וβ של ' - O - 4 הצמדה, כמות קישורים הוא לכמת באמצעות α-הפרוטונים. בנוסף, G5/6 ו- H3/5 אותות חפיפה אבל אלו ניתן לתקן על ידי התאמת את יחס בהתאם באמצעות האות H2/6 . כמו כן, אות התואם הפרוטונים-γ של קטונים היברט, אות עבור יחידות S מחמצנים, אשר סביר להניח נגרמות על ידי ליגנין סוף-קבוצות, מזוהים.

היחס המתקבל NMR מראים כי באופן כללי הקוד שיחולץ עם שיטת B מספק ליגנין עם תוכן S גבוה יותר בהשוואה לאלו עם שיטת A במקרה כי החומר המקורי מכיל S יחידות. כמו כן, הקוד שיחולץ עם שיטת B לספק ליגנין עם כמות נמוכה יותר של הכולל קישורים β-O-4 לעומת שיטת A, כמסמן השפלה מוגברת על עלייה בטמפרטורה. יוצאת דופן היא ליגנין אגוז המתקבל בשיטות שיטות A ו- B שעבורה מידת הכולל קישורים β-O-4 היה דומה מאוד. מספר קישורים β-β לβ-5 ירידה כאשר תנאים קשים מוחלים, אמנם במידה פחותה. בנוסף, NMR חשף כי כל lignins שהושג לאחר הפקת אתנול הראה דרגת השינוי המבני של ניגודים β-O-4. אלה יש לפחות ~ 50% החלפת בקבוצת α-הו, וכתוצאה מכך β α-קנולה אתוקסילט ' - O - 4 הצמדה. החילוץ ליגנין מראה הפארמצבטית גבוהה, אשר הוכח על ידי ביצוע החילוץ מתון של פגזים אגוז (שיטת A) 4 פעמים. במיוחד, הסטייה במספר הכולל של β-O-4 קישורים הוא קטן להפליא. מתי החילוץ בוצעה בתנאים קשים (שיטות B ו- C *), האחוז של α-ethoxylation גדל. ב- HSQC ספקטרום של אשור ליגנין חילצה במצב חריפות יותר (שיטת B), אות עבור S מרוכז הוא גלוי, אשר מתאים באופן מושלם עם המשמעותי הירידה בהיקף של 4-O-β-קישורים. החילוץ אגוז שבוצעו בקנה מידה גדול (שיטת C *) מראה ירידה משמעותית עבור כל קישורים, אות עבור S מרוכז הוא גלוי הספקטרום HSQC. התשואה גבוהה יחסית על החילוץ של ארז-תנאי מזג אוויר מתונים (שיטת A) נגרמת על ידי הנוכחות של כמות משמעותית של חומצת שומן. בקרת ניסויים עם חומצה גופרתית נתן תובנה טובה השפעת החומצה על ההרכב של ליגנין שהושג. עם תנאים החילוץ מתון (מתודה מחשבים *), הושג ליגנין טהור אשר היה דומה בהרכב בהשוואה של עקירות מתון אחרים (מתודה). ניתן לייחס את כמות נמוכה יותר של β-O-4 קישורים התאגדות פחות יעילה של אתנול לתוך המסגרת ליגנין, וכתוצאה מכך מספר נמוך יותר של β' - O - 4 קישורים. תנאים קשים החילוץ (שיטת B *), ההבדלים עם ליגנין שהושג הוא הרבה יותר מעמיקה בהשוואה של ליגנין המתקבל קליפות אגוזים שחולצו בנוכחות חומצה הידרוכלורית (שיטת B). המספר הכולל של β-O-4 קישורים מראה ירידה חדה (35 ו- 74, בהתאמה) ליגנין שהושג עם חומצה גופרתית מציגה כמות גבוהה של עיבוי באזור ארומטי (48%), אשר נקבע על ידי השילוב של האותות המתאים ה-S מרוכז , Gמרוכז (שלב 5.1.3). זו כמות גבוהה של עיבוי ניתן לחלוטין לייחס חומצה גופרתית, ככל שהמוצר המתקבל החילוץ אותו עם חומצה הידרוכלורית הראה עיבוי אין באזור ארומטי. ההרכב של המוצר לקבלו קשים החילוץ בקנה מידה גדול יותר (שיטת C *) מראה אין הבדל גדול עם המוצר שהתקבל בקנה מידה קטן יותר (שיטת B *). ההבדל הגדול רק את הסכום התחתון של עיבוי באזור ארומטי החילוץ בקנה מידה גדול (9%) ובעקבות כך כמות גבוהה יותר של β-O-4 קישורים. הפרש זה יכול להיגרם על ידי לבין בפרופיל חימום תאי לחץ שונים.

Lignins נותחו גם על ידי GPC (איור 5) לספק על בסיס משקל מולקולרי (טבלה 2). אלה חושפים כי החלת לתנאים החילוץ יותר קשים (שיטת B), משקל משקל מולקולרי הממוצע (Mw) והן את polydispersity מתרבים עבור כל מקורות. מספר ממוצע משקל מולקולרי (Mn) בין התנאים החילוץ דומות עבור כל מקור. באופן כללי, תוצאות אלו מראות כי התנאים החילוץ חריפות יותר יש השפעה כפולה, שברים גדולים יותר מופקים בנוסף פירוט נוסף של קטעים כאלה.

עבור יישומים מסוימים, היווצרות של β' - O - 4 הצמדה היא רצויה, לדוגמה, כאשר יישום שיטות depolymerization המסתמכים על החמצון של benzylic (α) הידרוקסיל קבוצה26,27,28. הטרנספורמציה של β' - O - 4 הצמדה של ליגנין ethanosolv כדי קבוע β-O-4 קישורים שדווחה בעבר20 , בוצעה עם אצווה ליגנין המתקבל אגוז פגזים המקבילה ליגנין המתקבל קליפות אגוזים דיווח על זה נייר (איור 6). ליגנין זו כללה 30-יליד β-O-4 קישורים וβ α-קנולה אתוקסילט 39' - O - 4 קישורים (34, 38 קישורים, בהתאמה עבור ליגנין בעיתון הזה). דה-etherification להמיר כמעט כל קישורים של α-קנולה אתוקסילט למבנה מקורית כמו ליגנין שהושג כלל 57 β-O-4 קישורים רק 3 β α-קנולה אתוקסילט ' - O - 4 קישורים, מראה הפסד קטן המספר הכולל של β-O-4 יחידות. המסה של ליגנין היה 72% ליגנין המקורי, אשר נגרמת בעיקר על ידי האובדן של הקבוצה אתיל.

כדי להדגים את הפוטנציאל של ליגנין הייצור של מונומרים ארומטי דרך קלה depolymerization, acidolysis reations עם Fe(OTf)3 בנוכחות אתילן גליקול היו לבצע (איור 7). התגובה הזו מניבה שלושה שונים בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes (acetals) המתייחסים ה G ו- S יחידות להציג ליגנין. טבלה 3 מציג את התשואה של acetals S, G ו- H והן התשואות הכולל מוצגים באיור8. . זה נראה לעין כי שיטת החילוץ ליגנין יש השפעה גדולה להיות התשואה של acetals. תשואות נמוכות מתקבלים עבור ליגנין חילוץ באמצעות תנאים קשים (שיטת B). . זה ככל הנראה בגלל ששונה יותר (אחוז גבוה יותר של α-ethoxylation) מרוכז מבנה כפי שמתואר בפיסקה הקודמת.

החשיבות של β-O-4 יחידות משתקף על-ידי מתן מתאמים כדי מונומר התשואה ב depolymerization כגון הציג בפרוטוקול (איור 9). מגמה ברורה מוצגת בהתחשב בתוכן הכולל 4-O-β- ו של קישורים β-O-4-etherified, שבו תוכן β-O-4 גבוה יותר בדרך כלל תוצאות תשואה גבוהה יותר של בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes (acetals) אשר עולה בקנה אחד עם תוצאות קודמות21 . כאשר בוחנים את β etherified' - O - 4 קישורים, המגמה היא גם ברור, מראה כי התשואה depolymerization אינו קשור למספר של β' - O - 4 קישורים. תחת תנאי ריאקציה, קישורים 4-O-β-etherified ניתן לבטל את etherified אבל שלב נוסף זה גורמת לאובדן של החומר, כפי שהוסבר קודם.

בסך הכל, תיקון את התשואה depolymerization מונומר של התשואה החילוץ ליגנין, התוצאות הבאות ניתן להשיג (טבלה 4). אלה להראות כי השוואת שיטות A & B, בדרך כלל כמויות גבוהות יותר של אצטל ניתן להשיג על ידי מיצוי חריפות יותר מתן תשואות גבוהות של ליגנין הכללית, ואחריו depolymerization (פחות סלקטיבי). עם זאת, התוצאות עבור פיינווד גם מראים כי זה תלוי מקור ביומסה מאז עליית מיצוי חומרת אינה מספקת עלייה תשואה משמעותית. השמירה של המבנה β-O-4 היא המועדפת עבור סוג עץ זה לתת תשואות גבוהות בעל תאים פנוליים בסך הכל 2-phenylmethyl-1, 3-dioxolane (acetals).

Figure 1
איור 1 . מבנה כימי של המוצרים שהושג. (א) נפוצות מוטיבים מבניים בהווה המבנה ליגנין כמו. (ב) חומצה מזורז ליגנין depolymerization בשילוב עם השמנה אצטל להשיג בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes (acetals). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 . המתקבל ליגנין ביניים לדלק שונה. תמונה של ביניים לדלק ארבע את lignocellulose שונים לאחר רעלני (שלבים 1 ו- 2), את lignins שהושג לאחר החילוץ organosolv-תנאים שונים (שיטה א'-צעד 3.1, שיטה ב'-שלב 3.3 ושיטת C *-שלב 3.4). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 . התגובה ערכה לחילוץ ethanosolv. סקירה של קישורים שהושג: β-O-4 (R' = H), β' - O - 4 (R' = ואח), β-β לβ-5. תנאים: 80 (א) הלעפה תרוטרפמט, 0.24 M HCl (שלב 3.1), (B) 120 הלעפה תרוטרפמט, 0.24 M HCl (שלב 3.3), (ג *) 120 הלעפה תרוטרפמט, 0.12 M H2כדי4 (שלב 3.4) ואת הפקד הניסוי A * ו- B * (שלב 3.5). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 . ניתוח HSQC של ליגנין. זיהוי של כל קישורים ליגנין נמדד עם 2D-HSQC של ליגנין המתקבל קליפות אגוזים באמצעות טיפול מתון (שלב 3.1). האותות עבור HKγ ו- S'2/6 מוגדלות כדי להפוך אותם לגלויים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5 . המשקל המולקולרי של ליגנין. GPC גרפים של lignins שהושג מחולק על-ידי מקור ( אגוז, b = = עץ, אורן c = עץ אשור ו- d = עץ ארז). הקווים מקבילים דוגמאות שונות שניתנו על ידי בטבלה 2. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6 . דה-etherification של ליגנין. סכימת התגובה של דה-etherification של ליגנין שהושג ethanosolv מן הפגזים אגוז (שלב 4). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. 

Figure 7
איור 7 . ליגנין depolymerization כדי acetals. התגובה ערכת עבור depolymerization של ליגנין בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes (acetals). יחידה H: R1 = R2 = H; יחידת G: R1 = הביתה, R2 = H; יחידה S: R1 = R2 = הביתה (שלב 6). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8 . אצטל התשואה לכל מקור. התשואות של בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes (acetals) המתקבל depolymerization של ליגנין ממקורות שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 9
איור 9 . ההשפעה של β-O-4 קישורים על התשואה אצטל. התשואות של בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes (acetals) המתקבל depolymerization ליגנין בהשוואה את סך β-O-4 (כחול), שאינם etherified β-O-4 (כתום) ואת etherified β-O-4 (אפור) תוכן זינה ליגנין. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

מקור תנאים תשואה (%) חילוץ יעילות (%)1 יחס S/G/H סה כ 4-O-β- Β-O-4 Β ' - O - 4 Β-Β Β-5
אגוז A 5.0 ± 0.7 12.4 45/46/9 75 ± 2.5 36 ± 2.6 39 ± 3.1 11 ± 0.7 5 ± 1.5
אגוז א * 2.6 6.5 47/45/8 53 32 21 9 4
אגוז B 15.2 37.7 59/37/4 74 20 54 9 6
אגוז2 B * 19.3 47.9 75/25/0 35 5 30 7 3
אגוז2 C * 16.2 40.2 65/33/2 45 10 35 8 3
אורן A 3.5 12.2 0 / > 99 / < 1 59 22 37 0 14
אורן B 4.0 14.0 0 / > 99 / < 1 46 7 39 0 8
אשור A 5.4 28.7 63/37/0 82 43 39 12 5
אשור3 B 13.9 73.9 83/17/0 45 11 35 9 2
ארז A 6.4 18.2 0 / > 99 / < 1 64 28 36 0 6
ארז B 11.5 32.8 0 / > 99 / < 1 41 7 34 0 7

טבלה 1. תוצאות החילוץ Ethanosolv. השגת תשואות, הפצה ארומטי, קישורים עבור עקירות שונים ביצעו על ביומסה. * חומצה גופרתית משמש חומצה. 1 תשואה של ליגנין (wt%)/Lignin בתוכן זינה כפי שנקבע על ידי קביעת ליגנין Klason. 2 Hemicellulose להווה S-מרוכז במוצר. 332% S-היחידות הן מרוכז.

מקור תנאים Mn (g/mol) Mw (g/mol) Ð
אגוז A 1096 1805 1.65
אגוז B 1174 2934 2.50
אגוז C * 1248 2930 2.35
אורן A 1331 3071 2.31
אורן B 1319 3596 2.73
אשור A 1645 3743 2.28
אשור B 1368 4303 3.14
ארז A 860 1626 1.89
ארז B 1188 3292 2.77

טבלה 2: משקל מולקולרית lignins שהושג.

מקור תנאים תשואה (%) יחס S/G/H סה כ 4-O-β- S אצטל (wt %) G אצטל (wt %) H אצטל (wt %) התשואה הכוללת אצטל (wt %)
אגוז A 5.0 45/46/9 72 4.5 5.9 2.1 12.5
אגוז B 15.2 59/37/4 74 3.6 4.7 1.0 9.3
אגוז C * 16.2 65/33/2 45 3.8 3.9 0.6 8.3
אורן A 3.5 0 / > 99 / < 1 59 0 9.9 0.3 10.2
אורן B 4.0 0 / > 99 / < 1 46 0 1.1 0 1.1
אשור A 5.4 63/37/0 82 7.7 6.7 0 14.4
אשור B 13.9 83/17/0 45 3.6 3.4 0 7.0
ארז A 6.4 0 / > 99 / < 1 64 0 8.1 0.1 8.2
ארז B 11.5 0 / > 99 / < 1 41 0 4.7 0 4.7

טבלה 3: אצטל התשואות של ליגנין depolymerization. התשואות של בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1, 3-dioxolones (acetals) המתקבל depolymerization של ליגנין ממקורות שונים. תנאים: 50 מ"ג ליגנין, 60% wt אתילן גליקול, 10% wt Fe(OTf)3, ממיס: 1, 4-dioxane, 140 מעלות (הנפח הכולל 1 מ"ל), 15 דקות (שלב 7).

מקור תנאים התשואה החילוץ ליגנין (%) Β-O-4 Β ' - O - 4 סה כ 4-O-β- התשואה הכוללת אצטל (wt %) התשואה הכוללת אצטל מתוקנות על ליגנין החילוץ תשואה (wt %)1
אגוז A 5.0 34 38 72 12.5 0.63
אגוז B 15.2 20 54 74 9.3 1.41
אגוז C * 16.2 10 35 45 8.2 1.33
אורן A 3.5 22 37 59 10.2 0.36
אורן B 4.0 7 39 46 1.1 0.04
אשור A 5.4 43 39 82 14.4 0.78
אשור B 13.9 11 35 45 6.9 0.96
ארז A 6.4 28 36 64 8.2 0.52
ארז B 11.5 7 34 41 4.7 0.54

בטבלה 4: בסך הכל אצטל התשואה מתוקן עם תשואה החילוץ. התשואות של בעל תאים פנוליים 2-arylmethyl-1.3-dioxolanes (acetals) המתקבל depolymerization של ליגנין ממקורות שונים מתוקנות על ליגנין החילוץ התשואה. 1 חישוב: 100 *(lignin yield/100) * (סה כ אצטל תשואה/100). תנאים: 50 מ"ג ליגנין, 60% wt אתילן גליקול, 10% wt Fe(OTf)3, ממיס: 1, 4-dioxane, 140 ° C, 15 דקות (תגובה דרך שלב 6) & להמציא עבודה דרך שלב 7.

Discussion

התוצאות של עקירות-תנאים שונים, ממקורות שונים ביומסה לחשוף כמה התנאים אופטימליים לחילוץ ליגנין עם תכולה גבוהה יחסית של β-O-4 קישורים יכולה להשתנות בהתאם למקור. לדוגמה, מיצוי אגוז-תנאים קשים (שיטת B) מספק עלייה החולוני בתנובה עם שמירה החזקת שמירה ליד מהסכום של β-O-4 יחידות, בעוד אשור, ארז התשואה מגדיל אך היא מלווה ירידה משמעותית את כמות β-O-4 יחידות. מצד שני, עבור אורן, התנאים קשים החילוץ לספק מעט מאוד תועלת כממוצע, גם להוביל ליגנין עם כמות נמוכה מאוד של β-O-4 יחידות. משמעות הדבר היא כי בדרך כלל צורה כלשהי של אופטימיזציה יש להיות מעורב להיכנס האיזון הנכון בין התשואה ליגנין איכות בצורה של השמירה של כמות β-O-4 יחידות החומר ליגנין שהושג.

לעלייה גדולה Mw של החומר ליגנין המתקבל לתנאים החילוץ יותר קשים מדגים כי בתנאים אלה שברים גדולים יותר ניתן לחלץ מתן תשואות גבוהות. עם זאת, על תנאים אלה, נוסף הפיצול מתרחש, מתן חומר נוסף משקל מולקולרי נמוך, ובכך מגדילים את polydispersity כפי ניתן בבירור לראות בגרפים GPC של אגוז (איור 5a), ארז (איור 5 יח) הצורה של האות ב- Da ~ 500.

HSQC NMR היא כלי אינפורמטיבי חשוב לספק מידע השוואתי על איכות lignins שונים. יצוין כי בהליך זה שמתבצע ניסוי HSQC רגיל, זה הוא נהדר עבור קבלת נתונים השוואתיים אך לא בהכרח כמותיים עקב הבדלים בתקופות רגיעה. כמות גבוהה של קישורים המוצגים עבור כמה lignins ב טבלה 1 הם מוערכים יתר על המידה. ניסויים HSQC כמותיים לספק תוצאות טובות יותר אך עלתה באופן משמעותי יותר זמן NMR, למרות חלופות קיימות29. מניסיוננו, יש לחלק את המספרים בטבלה 1 לפי פקטור של 1.3 כדי שישקפו טוב יותר את הכמות בפועל של β-O-4 יחידות לכל 100 יחידות ארומטי.

כפי שצוין קודם לכן, התוצאות שדווחו להצביע איך למצוא את התנאים האופטימליים יכול להשתנות בהתאם למקור כדי להשיג את התשואות מונומר המרבי. למשל, כאשר אגוז משמש חומר המוצא, acetals באופן כללי הכולל תשואות עולה בסביבות פעמיים אם מועסקים בתנאים קשים (שיטת B) לחילוץ ליגנין. אולם, זאת בעיקר בשל ההבדלים הגדולים כממוצע החילוץ ליגנין, מבלי להשפיע על התוכן β-O-4. אחרת, כאשר אורן משמש החילוץ מתון יותר תנאים (שיטת A) עדיפים. למעשה, ליגנין תוצאות החילוץ של התשואות דומה מאוד בשני מקרים, אבל בתנאים קשים לגרום ירידה בβ-O-4 יחידות (במיוחד ללא etherified β-O-4 קישורים) אשר יכול להיות סיבה כזו תשואה נמוכה מונומר, כמצוין בפסקה הקודמת. לאובדן משמעותי של קישורים β-O-4-etherified ניתן לצפות גם במקרים של אשור ועץ ארז אם התנאים (שיטת B) מוחלים לחילוץ שמוביל ואולי תשואה נמוכה יותר מונומרים. עם זאת, התשואה הכוללת אצטל אינו שונה כל כך הרבה בהתאם לתנאי החילוץ. למעשה, עלייה כפולה משוער ליגנין החילוץ התשואה הוא ציין עבור שני מקורות ביומסה מתמיכת שיטות A ל- B אשר מפצה על הירידה בערך כפולה מונומר התשואה.

Disclosures

מחברי הדו ח אין ניגוד אינטרסים

Acknowledgments

העבודה מומן על ידי האיחוד האירופי (מארי קירי ITN 'SuBiCat' PITN-GA-2013-607044, PJD, KB, JGdV), בנוסף התמיכה הכספית של המועצה האירופית למחקר, 2015 גרנט מתחיל ERC (CatASus) 638076 (מודעות ו KB) ותוכנית המחקר כישרון סכימת (להם) עם מספר הפרוייקט 723.015.005 (KB), אשר בחלקו ממומן על ידי ארגון הולנד עבור מחקר מדעי (בתחרות).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tuck, C. O., Pérez, E., Horváth, I. T., Sheldon, R. A., Poliakoff, M. Valorization of Biomass: Deriving More Value from Waste. Science. 337, 695-699 (2012).
  2. Ragauskas, A. J., et al. Lignin Valorization: Improving Lignin Processing in the Biorefinery. Science. 344, 709-719 (2014).
  3. Sun, Z., Fridrich, B., de Santi, A., Elangovan, S., Barta, K. Bright Side of Lignin Depolymerization: Toward New Platform Chemicals. Chemical Reviews. 118 (2), 614-678 (2018).
  4. Schutyser, W., Renders, T., Van den Bosch, S., Koelewijn, S. F., Beckham, G. T., Sels, B. F. Chemicals from lignin: an interplay of lignocellulose fractionation, depolymerization, and upgrading. Chemical Society Reviews. 47 (3), 852-908 (2018).
  5. Kärkäs, M. D., Matsuura, B. S., Monos, T. M., Magallanes, G., Stephenson, C. R. J. Transition-metal catalyzed valorization of lignin: the key to a sustainable carbon-neutral future. Organic & Biomolecular Chemistry. 14 (6), 1853-1914 (2016).
  6. Deuss, P. J., Barta, K. From models to lignin: Transition metal catalysis for selective bond cleavage reactions. Coordination Chemistry Review. 306, 510-532 (2016).
  7. Yokoyama, T. Revisiting the Mechanism of β-O-4 Bond Cleavage During Acidolysis of Lignin. Part 6: A Review. Journal of Wood Chemistry and Technology. 35 (1), 27-42 (2014).
  8. Sturgeon, M. R., et al. A Mechanistic Investigation of Acid-Catalyzed Cleavage of Aryl-Ether Linkages: Implications for Lignin Depolymerization in Acidic Environments. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2 (3), 472-485 (2014).
  9. Deuss, P. J., Scott, M., Tran, F., Westwood, N. J., de Vries, J. G., Barta, K. Aromatic monomers by in situ conversion of reactive intermediates in the acid-catalyzed depolymerization of lignin. Journal of the American Chemical Society. 137 (23), 7456-7467 (2015).
  10. Jastrzebski, R., Constant, S., Lancefield, C. S., Westwood, N. J., Weckhuysen, B. M., Bruijnincx, P. C. A. Tandem Catalytic Depolymerization of Lignin by Water-Tolerant Lewis Acids and Rhodium Complexes. ChemSusChem. 9 (16), 2074-2079 (2016).
  11. Kaiho, A., Kogo, M., Sakai, R., Saito, K., Watanabe, T. In situ trapping of enol intermediates with alcohol during acid-catalysed de-polymerization of lignin in a nonpolar solvent. Green Chemistry. 17 (5), 2780-2783 (2015).
  12. Huang, X., Zhu, J., Korányi, T. I., Boot, D. B., Hensen, E. J. M. Effective Release of Lignin Fragments from Lignocellulose by Lewis Acid Metal Triflates in the Lignin-First Approach. ChemSusChem. 9 (23), 3262-3267 (2016).
  13. Kaiho, A., Mazzarella, D., Satake, M., Kogo, M., Sakai, R., Watanabe, T. Construction of di(trimethylolpropane) cross linkage and phenylnaphthalene structure coupled with selective β-O-4 bond cleavage for synthesizing lignin-based epoxy resins with controlled glass transition temperature. Green Chemistry. 18 (24), 6526-6535 (2016).
  14. Lahive, C. W., et al. Advanced model compounds for understanding acid-catalyzed lignin depolymerization: Identification of renewable aromatics and a lignin-derived solvent. Journal of the American Chemical Society. 138 (28), 8900-8911 (2016).
  15. Shuai, L., Saha, B. Towards high-yield lignin monomer production. Green Chemistry. 19 (16), 3752-3758 (2017).
  16. Rinaldi, R., et al. Paving the Way for Lignin Valorisation: Recent Advances in Bioengineering, Biorefining and Catalysis. Angewandte Chemie International Edition. 55 (29), 8167-8215 (2016).
  17. Schutyser, W., Renders, T., van den Bosch, S., Koelewijn, S. F., Beckham, G. T., Sels, B. F. Chemicals from lignin: an interplay of lignocellulose fractionation, depolymerization, and upgrading. Chemical Society Reviews. 47 (3), 852-908 (2018).
  18. Constant, S., et al. New insights into the structure and composition of technical lignins: a comparative characterization study. Green Chemistry. 18 (9), 2651-2665 (2016).
  19. Smit, A., Huijgen, W. Effective fractionation of lignocellulose in herbaceous biomass and hardwood using a mild acetone organosolv process. Green Chemistry. 19 (22), 5505-5514 (2017).
  20. Lancefield, C. S., Panovic, I., Deuss, P. J., Barta, K., Westwood, N. J. Pre-treatment of lignocellulosic feedstocks using biorenewable alcohols: towards complete biomass valorization. Green Chemistry. 19 (1), 202-214 (2017).
  21. Deuss, P. J., Lancefield, C. S., Narani, A., de Vries, J. G., Westwood, N. J., Barta, K. Phenolic acetals from lignins of varying compositions via iron (III) triflate catalysed depolymerization. Green Chemistry. 19 (12), 2774-2782 (2017).
  22. Bauer, S., Sorek, H., Mitchell, V. D., Ibáñez, A. B., Wemmber, D. E. Characterization of Miscanthus giganteus Lignin Isolated by Ethanol Organosolv Process under Reflux Condition. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 60 (33), 8203-8212 (2012).
  23. Deuss, P. J., et al. Metal triflates for the production of aromatics from lignin. ChemSusChem. 9 (2), 2974-2981 (2016).
  24. Nicholson, D. J., Leavit, A. T., Francis, R. C. A three-stage Klason method for more accurate determinations of hardwood lignin content. Cellulose Chemistry and Technology. 48 (1-2), 53-59 (2014).
  25. Sun, Z., et al. Complete lignocellulose conversion with integrated catalyst recycling yielding valuable aromatics and fuels. Nature catalysis. 1, 82-92 (2018).
  26. Lancefield, C. S., Ojo, O. S., Tran, F., Westwood, N. J. Isolation of Functionalized Phenolic Monomers through Selective Oxidation and C-O Bond Cleavage of the β-O-4 Linkages in Lignin. Angewandte Chemie International Edition. 54 (1), 258-262 (2015).
  27. Rahimi, A., Ulbrich, A., Coon, J. J., Stahl, S. S. Formic-acid-induced depolymerization of oxidized lignin to aromatics. Nature. 515, 249-252 (2014).
  28. Bosque, I., Magallanes, G., Rigoulet, M., Kärkäs, M. D., Stephenson, C. R. J. Redox Catalysis Facilitates Lignin Depolymerization. ACS Central Science. 3 (6), 621-628 (2017).
  29. Sette, M., Wechselberger, R., Crestini, C. Elucidation of Lignin Structure by Quantitative 2D NMR. Chemistry - A European Journal. 17 (34), 9529-9535 (2011).

Tags

כימיה גיליון 143 Lignocellulose fractionation ליגנין 2D-NMR depolymerization acetals פנולים
מיצוי של ליגנין עם תכולה גבוהה של β-O-4 על-ידי הפקת אתנול מתון והשפעתו על התשואה Depolymerization
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zijlstra, D. S., de Santi, A.,… More

Zijlstra, D. S., de Santi, A., Oldenburger, B., de Vries, J., Barta, K., Deuss, P. J. Extraction of Lignin with High β-O-4 Content by Mild Ethanol Extraction and Its Effect on the Depolymerization Yield. J. Vis. Exp. (143), e58575, doi:10.3791/58575 (2019).

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