Hier presenteren we een protocol voor het uitvoeren van ethanol extractie van lignine uit verschillende bronnen van biomassa. Het effect van de extractie-voorwaarden op de opbrengst van de lignine en β-O-4 inhoud worden gepresenteerd. Selectieve depolymerization wordt uitgevoerd op de verkregen Ligninen verkrijgen van hoge aromatische monomeer producten.
Lignine valorisatie strategieën zijn een belangrijke factor voor het bereiken van meer economisch concurrerende bioraffinaderijen op basis van lignocellulose biomassa. De meeste opkomende elegante procedures tot het verkrijgen van specifieke aromatische producten is afhankelijk van het substraat van de lignine met een hoog gehalte aan het gemakkelijk cleavable β-O-4 koppeling als aanwezig zijn in de structuur van de native lignine. Dit biedt een miss-match met typische technische Ligninen, die zijn zeer vernederd en daarom zijn laag in β-O-4 verbanden. Daarom, de extractie-opbrengsten en de kwaliteit van de verkregen lignine zijn van het grootste belang voor toegang tot nieuwe lignine valorisatie trajecten. In dit manuscript, is een eenvoudig protocol gepresenteerd om het verkrijgen van Ligninen met een hoog gehalte van de β-O-4 door relatief milde ethanol extractie die kan worden toegepast op verschillende lignocellulose bronnen. Bovendien worden analysemethodes om de kwaliteit van de Ligninen gepresenteerd samen met een depolymerization-protocol dat specifieke fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes, die kan worden gebruikt voor het evalueren van de verkregen Ligninen oplevert. De gepresenteerde resultaten tonen aan dat de koppeling tussen de lignine kwaliteit en potentieel voor de Ligninen te worden depolymerized in specifieke monomeer aromatische chemicaliën. Over het geheel genomen toont de extractie en depolymerization een trade-off tussen de lignine extractie opbrengst en het behoud van de structuur van de native aryl-ether en aldus het potentieel van de lignine moet worden gebruikt als het substraat voor de productie van chemische stoffen voor hoogwaardige toepassingen.
Voor de chemische industrie om duurzame, moeten hernieuwbare grondstoffen zoals lignocellulose biomassa worden gebruikt als alternatief voor de huidige dominante fossiele degenen1. Echter om het economisch levensvatbaar maken van het gebruik van dergelijke grondstoffen, moeten hoogwaardige toepassingen worden gezocht voor de inhoud. Lignocellulose biomassa kan bevatten ongeveer 30% van de wt van de lignine thats een aromatische biopolymeer waarvoor momenteel slechts een paar toepassingen buiten het gebruik als brandstof voor laagwaardige2hebben ontwikkeld. De methodologie richting mogelijk verhoogd-waarde aromatische componenten is daarom van groot belang voor het welslagen van de toekomstige bioraffinaderijen.
Recente onderzoek is sterk gericht op de ontwikkeling van nieuwe methodologieën voor het selectief splijten van de overvloedigste β-O-4 koppeling (Figuur 1a) in lignine verkrijgen van specifieke aromatische, meestal fenolische, monomeren3,4 ,5,6. Bijvoorbeeld, de toepassing van zuren tussen 80 ° C tot 180 ° C is zeer effectief in het splijten van de koppeling van de β-O-4 vormen van aldehyde en keton fragmenten7,8. Onze groepen en anderen hebben onlangs aangetoond dat acidolysis in combinatie met de methoden om te stabiliseren en val reactieve fragmenten is zeer krachtig te verkrijgen fenolische monomeren met specifieke chemische motieven9,10 , 11 , 12. hiervan, in het bijzonder Acetaal overlapping van reactieve aldehyden met alcoholen te verkrijgen fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetalen) bewezen krachtige als gevolg van de relatieve eenvoudige toepassing en het behoud van de zeer functionalized aard van de lignine monomeren (Figuur 1b)13,14. Deze acetalen worden verkregen van de depolymerization in een verhouding die betrekking heeft op de verdeling van de H, G en S monomeren presenteren in de bovenliggende lignine grondstof.
Zuur gekatalyseerde depolymerization, zoals veel van de meest elegante methodologieën ontwikkeld, relatief mild zijn en niet sterker C-C bindingen die zich in de lignine15 voordoendoen aankleven. C-C bindingen worden echter bijzonder rijk als harde lignocellulose fractionering voorwaarden worden toegepast als gevolg van de condensatie van reactieve fragmenten vrijgelaten uit het splijten van zwakkere C-O-obligaties-16,17. Het verlies van β-O-4 inhoud uit de biomassa verwerkingsmethode duidelijk blijkt uit de analyse van een aantal technische Ligninen, waarvan werd aangetoond dat alleen behouden tot 6 β-O-4 banden per 100 aromatische eenheden18, terwijl in lignocellulose deze getallen moet een waarde van 45 tot 90 verbanden per 100 aromatische eenheden afhankelijk van de bron-16. Wat milder extractie voorwaarden betreft, kunnen Ligninen worden verkregen met de koppeling distributies die beter aansluiten bij het natuurlijke lignine. Niettemin, dit vraagt om een trade-off tussen de extractie-efficiëntie en de kwaliteit van de verkregen lignine materiële17. Dit heeft ook voorrang in organosolv extractie van lignine, die is een populaire methode om fractionate lignine. Vele varianten van dit proces bestaat, met de methoden die verschillende temperaturen, oplosmiddelen, zuurgehalte en extractie tijd in dienst. Hier, heeft de extractie ernst een directe invloed op de structuur van de verkregen lignine en dus de geschiktheid ervan voor verdere valorisatie19,20,21. Bijvoorbeeld, had organosolv lignine geproduceerd door de ethanol op basis Alcell proces, gedurende 5 jaar bij de schaal van de demonstratie, relatief lage bedrag van β-O-4 verbanden gelaten zoals het was geopereerd op relatief hoge temperatuur om efficiënt delignification in om met het verkrijgen van hoge kwaliteit koolhydraten voor bio-ethanolproductie. Niettemin, biobased oplosmiddelen met weinig milieueffecten als ethanol zijn voorkeur en dus de extractiemethoden die in Ligninen van hogere waarde resulteren zijn van belang. Alcoholische oplosmiddelen zijn van bijzonder belang zoals in aanvulling op als het medium van de extractie ze ook in de lignine structuur, bijvoorbeeld integreren β’ – O – 4 (Figuur 1a)22, dat deels “” de structuur van ongewenste beschermt decolleté. Een geschikte methode zou mogelijk eerst te verkrijgen lignine met een hoog gehalte van de β-O-4 en in een sequentiële stap voor verwijderen van de rest van de lignine toegang tot hoogwaardige cellulose.
In dit manuscript beschrijven we een ongecompliceerd en zeer reproduceerbaar procedure voor de winning van hoge β-O-4 lignine door milde ethanol extractie. Afhankelijk van de bron van de biomassa, kan dit leiden tot relatief hoge extractie-efficiëntie en rendement. Procedures voor de karakterisatie van de verkregen lignine zijn bestemd en instructies voor de “deprotect” de etherified β’ – O – 420. Bovendien, wordt een beoordelingsprocedure gepresenteerd voor het potentieel van deze Ligninen in selectieve depolymerization procedures die afhankelijk zijn van selectieve splitsing van de β-O-4 verbanden. Deze beoordeling wordt uitgevoerd met behulp van de ijzer(III) triflaat gekatalyseerde depolymerization in aanwezigheid van ethyleen glycol te verkrijgen fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes23 waaruit blijkt hoe de relatie tussen β-O-4 inhoud in het materiaal van lignine en het monomeer levert21. De resultaten bevatten het saldo tussen hoge lignine extractie-efficiëntie en het potentieel van de verkregen lignine als depolymerized aan specifieke aromatische monomeren.
De resultaten van de extracties bij verschillende omstandigheden en van verschillende biomassa bronnen onthullen hoe de optimale omstandigheden voor de extractie van de lignine met een relatief hoog gehalte van β-O-4 verbanden kunnen variëren afhankelijk van de bron. Walnoot extractie op hardere voorwaarden (methode B) bevat bijvoorbeeld een drievoudige toename van de opbrengst met een in de omgeving van behoud van het bedrag van de β-O-4 stuks, terwijl voor beuken en ceder het rendement verhoogt maar is vergezeld van een aanzienlijke daling van de hoeveelheid β-O-4 eenheden. Aan de andere kant, voor pine, de strengere voorwaarden voor extractie bieden zeer weinig voordeel in opbrengst en ook leiden tot een lignine met een zeer lage hoeveelheid β-O-4 stuks. Dit betekent dat meestal een soort optimalisatie worden betrokken moet te krijgen van het juiste evenwicht tussen de lignine opbrengst en kwaliteit in de vorm van het bewaren van het bedrag van de β-O-4 eenheden in het materiaal verkregen lignine.
De grote toename van de Mw van het materiaal van de lignine strengere voorwaarden van extractie verkregen toont aan dat onder deze omstandigheden grotere fragmenten kunnen worden geëxtraheerd bieden hogere opbrengsten. Echter, op deze voorwaarden, aanvullende fragmentatie, bieden extra lager moleculair gewicht materiaal en waardoor de polydispersiteit zoals kan duidelijk worden gezien in de GPC grafieken van walnoot (figuur 5a) en ceder (Figuur 5 d) in de vorm van het signaal op ~ 500 Da.
HSQC NMR is een belangrijke informatieve hulpmiddel vergelijkende gegevens te verstrekken over de kwaliteit van de verschillende Ligninen. Opgemerkt moet worden dat in deze procedure die een standaard HSQC experiment wordt uitgevoerd, dit geweldig is voor het verkrijgen van vergelijkende gegevens maar niet noodzakelijkerwijs kwantitatieve als gevolg van verschillen in tijden van ontspanning is. Het hoge bedrag van verbanden weergegeven voor sommige Ligninen in tabel 1 worden overschat. Kwantitatieve HSQC experimenten bieden betere resultaten maar kost aanzienlijk meer tijd van de NMR, hoewel er alternatieven bestaan29. In onze ervaring, moet de getallen in de tabel 1 worden gedeeld door een factor van een 1.3 tot betere afspiegeling van de werkelijke hoeveelheid β-O-4 eenheden per 100 aromatische eenheden.
Zoals eerder vermeld wijzen de resultaten hoe het vinden van optimale omstandigheden afhankelijk van de bron variëren kan met het oog op de maximale monomeer opbrengsten. Bijvoorbeeld, wanneer walnoot wordt gebruikt als de grondstof, opbrengst de algemene totale acetalen verhogingen ongeveer twee keer als strengere voorwaarden (methode B) werknemer bent voor lignine extractie. Echter, dit is voornamelijk te wijten aan het grote verschil in lignine extractie rendement, zonder de inhoud van de β-O-4. Anders, wanneer pine wordt gebruikt zijn milder extractie voorwaarden (methode A) voorkeur. In feite, veroorzaken lignine extractie resultaten in zeer vergelijkbare rendementen in de twee gevallen maar hardere voorwaarden een daling in β-O-4 stuks (vooral niet-vereterd β-O-4 verbanden) die de reden voor zo een lage monomeer opbrengst worden kunnen, zoals aangegeven in de vorige paragraaf. Een aanzienlijk verlies van niet-vereterd β-O-4 verbanden waarneembaar alsmede in de gevallen van beuken en ceder als voorwaarden (methode B) worden toegepast voor extractie die mogelijk tot een lagere opbrengst van de monomeren leidt. De algehele opbrengst van acetaal verschilt echter niet dat veel afhankelijk van de extractie-voorwaarden. In feite, wordt ongeveer twee-voudige toename van lignine extractie opbrengst waargenomen voor beide bronnen van biomassa overschakelen van methoden van A naar B die de ongeveer twee-voudige afname van de opbrengst van het monomeer compenseert.
The authors have nothing to disclose.
Het werk werd gefinancierd door de Europese Unie (Marie Curie ITN ‘SuBiCat’ PITN-GA-2013-607044, PJD, KB en JGdV), naast de financiële steun van de Europese Onderzoeksraad, ERC starten subsidie 2015 (CatASus) 638076 (advertenties en KB) en het onderzoeksprogramma Talent Regeling (Vidi) met projectnummer 723.015.005 (KB), die wordt gedeeltelijk gefinancierd door de Nederlandse organisatie voor wetenschappelijk onderzoek (NWO).
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 |