Her presenterer vi en protokoll for å utføre etanol utvinning av lignin fra flere kilder av biomasse. Effekten av utvinning på lignin avkastning og β-O-4 innholdet presenteres. Selektive depolymerization utføres på de innhentet Ligniner å få høy aromatiske monomer produkter.
Lignin valorization strategier er en viktig faktor for å oppnå mer økonomisk konkurrerende biorefineries basert på lignocellulosic biomasse. De fleste nye elegante fremgangsmåtene å få spesifikke aromatiske produkter, er avhengige av lignin underlaget har et høyt innhold av lett cleavable β-O-4 koblingen som finnes i den opprinnelige lignin strukturen. Dette gir en miss-match typisk tekniske Ligniner som er sterkt forringet, og derfor er lav i β-O-4 sammenhengene. Derfor er utvinning avkastningen og kvaliteten på innhentet lignin av største betydning til nye lignin valorization veier. I dette manuskriptet presenteres en enkel protokoll for å få Ligniner med høy β-O-4 innhold av relativt mild etanol utvinning som kan brukes til forskjellige lignocellulose kilder. Videre presenteres analyse prosedyrene for å bestemme kvaliteten på Ligniner sammen med en depolymerization protokoll som gir bestemte fenoliske 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes, som kan brukes til å evaluere de fått Ligniner. Presentert resultatene viser koblingen mellom lignin kvalitet og potensial for Ligniner å være depolymerized i bestemte monomerisk aromatiske kjemikalier. Samlet demonstrerer utvinning og depolymerization en avveining mellom lignin utvinning avkastningen og oppbevaring av innfødte aryl-Eter struktur og dermed potensialet i av lignin som skal brukes som underlaget for produksjon av kjemikalier for høyere verdi programmer.
Kjemisk industri å bli bærekraftig, bør fornybar feedstocks som lignocellulosic biomasse brukes som alternativ til dagens dominerende fossile de1. Men for å gjøre bruk av slike feedstocks økonomisk, må høy verdi programmer innhentes for alt innholdet. Lignocellulosic biomasse kan inneholde ca 30 wt % av lignin som en aromatiske Research som for øyeblikket bare noen programmer er utviklet utover bruken som lav verdi drivstoff2. Derfor er metodikken mot potensielt økt verdi aromatiske komponenter av stor interesse for lykkes med fremtidige biorefineries.
Nyere forskning har fokusert sterkt på utvikling av nye metoder for selektiv spalting av rikeste β-O-4 sammenhengen (figur 1a) i lignin hente bestemte aromatisk, vanligvis fenoliske, monomerer3,4 ,5,6. For eksempel bruk av syrer 80 ° c til 180 ° C er svært effektiv i cleaving β-O-4 sammenhengen danner aldehyd og keton fragmenter7,8. Våre og andre har nylig vist at acidolysis kombinert med metodikkene å stabilisere og felle reaktive fragmenter er svært potente å få fenoliske monomerer med bestemte kjemiske motiver9,10 , 11 , 12., spesielt acetal fangst av reaktive aldehyder med alkoholer hente fenoliske 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (måter) viste kraftig på grunn av dens relativt enkelt program og oppbevaring av svært functionalized natur den lignin monomerer (figur 1b)13,14. Disse måter hentes fra depolymerization i et forhold som er relatert til distribusjon av H, G og S monomerer presentere i den overordnede lignin råstoff.
Syre katalysert depolymerization, som mange av de mest elegante metodikkene utviklet, er relativt mild og ikke holde seg sterkere C-C obligasjoner som forekommer i lignin15. Men bli C-C obligasjoner spesielt rikelig når harde lignocellulose fraksjoneres betingelser brukes på grunn av kondens av reaktive fragmenter fra spalting av svakere C-O obligasjoner16,17. Tap av β-O-4 innhold fra biomasse behandling metoden er klart demonstrert analyse av en rekke tekniske Ligniner, som ble vist bare beholde opptil 6 β-O-4 koblinger per 100 aromatiske enheter18, mens lignocellulose disse tallene varierer fra 45 til 90 sammenhengene per 100 aromatiske enheter avhengig av kilden16. Snu mildere utvinning forhold, kan Ligniner fås med den sammenheng distribusjonen som bedre gjenspeiler den naturlige lignin. Likevel, dette krever en avveining mellom utvinning effektiviteten og kvaliteten på innhentet lignin materiale17. Dette har også prioritet i organosolv utvinning av lignin, som er en populær metode å smuldre vekk lignin. Mange varianter av denne prosessen eksisterer, med metodene ansette forskjellige temperaturer, syre innhold, utvinning ganger og løsemidler. Her har utvinning alvorlighetsgraden en direkte innvirkning på innhentet lignin strukturen og dermed sin egnethet for ytterligere valorization19,20,21. For eksempel hadde organosolv lignin produsert av etanol basert Alcell prosessen, operert for 5 år på demonstrasjon skala, relativt lav mengde β-O-4 sammenhengene igjen som det ble operert på relativt høy temperatur å sikre effektiv delignification i for å oppnå høy kvalitet karbohydrater for bioetanol production. Likevel biobaserte løsemidler med liten miljøkonsekvensene som etanol foretrekkes og dermed utvinning metodene som resulterer i Ligniner av høyere verdi er av interesse. Alkoholholdige løsemidler er spesielt interessert i tillegg til å være utvinning mediet de også innlemme i lignin strukturen, for eksempel β’ – O – 4 (figur 1a)22, som delvis “beskytter” strukturen fra uønskede cleavage. En egnet metode ville potensielt være først hente lignin inneholder en stor β-O-4 og i sekvensielle trinn å fjerne resten av lignin til høy verdi cellulose.
I dette manuskriptet beskrive vi en likefrem og svært reproduserbar prosedyre for utvinning av høy β-O-4 lignin av mild etanol utvinning. Avhengig av biomasse kilden, kan dette føre til relativt høy utvinning effektivitet og kapasitet. Prosedyrer for karakterisering av de innhentet lignin tilbys samt hvordan å “deprotect” den etherified β’ – O – 420. I tillegg vises en prosedyre for potensialet i disse Ligniner i selektiv depolymerization prosedyrer som bruker selektiv spalting av β-O-4 sammenhengen. Denne vurderingen utføres med iron(III) triflate catalyzed depolymerization i nærvær av etylenglykol hente fenoliske 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes23 som viser sammenhengen mellom β-O-4 innhold i lignin materialet og monomer gir21. Resultatene viser balansen mellom høy lignin utvinning effektivitet og potensialet i den fått lignin skal depolymerized til bestemte aromatiske monomerer.
Resultatene fra utdrag på ulike forhold og ulike biomasse kilder avslører hvordan optimale forhold for lignin utvinning med relativt høyt innhold av β-O-4 sammenhengene kan variere avhengig av kilden. For eksempel, valnøtt utvinning på strengere betingelser (metode B) gir en tre-fold økning i avkastningen med en nær oppbevaring av β-O-4 enheter, mens bøk og sedertre avkastningen øker men er ledsaget av en betydelig nedgang i mengden av β-O-4 enheter. På den annen side, for furu, strengere utvinning betingelsene gir lite fordel i yield og også føre til en lignin med en svært lav mengde β-O-4 enheter. Dette betyr at vanligvis noen form for optimalisering må være involvert for å få den riktige balansen mellom lignin avkastning og kvalitet i form av oppbevaring av β-O-4 enheter i innhentet lignin materiale.
Den store økningen i Mw av lignin materiale fra hardere utvinning forhold viser at under disse forholdene større fragmenter kan hentes gir høyere avkastning. Imidlertid oppstår disse forholdene, ekstra fragmentering, gir tilleggsmateriale lavere molekylvekt og dermed øker polydispersity som kan tydelig ses i GPC grafer av valnøtt (figur 5a) og sedertre (figur 5 d) i form av signalet på ~ 500 Da.
HSQC NMR er viktig informativ for å gi sammenlignbare data om kvaliteten på forskjellige Ligniner. Det bør bemerkes at i denne prosedyren en standard HSQC eksperimentet utføres, dette er flott for å få komparative data men er ikke nødvendigvis kvantitative skyldes forskjeller i avslapning ganger. Det høye antallet koblinger vises for noen Ligniner i tabell 1 er overvurdert. Kvantitativ HSQC eksperimenter gir bedre resultater, men koster betydelig mer NMR tid, selv om alternativer finnes29. I vår erfaring, skal tallene i tabell 1 deles med en faktor på en 1,3 til bedre reflekterer det faktiske beløpet av β-O-4 enheter per 100 aromatiske enheter.
Som tidligere nevnt, rapporterte resultatene påpeke hvordan finne optimale vilkår kan variere avhengig av kilden for å oppnå maksimal monomer avkastningen. For eksempel når valnøtt som utgangsmaterialet, gi de samlede totale måter øker rundt to ganger hvis strengere betingelser (metode B) er ansatt for lignin utvinning. Men er dette hovedsakelig på grunn av den store forskjellen i lignin utvinning avkastning, uten å påvirke β-O-4 innholdet. Annerledes, når furu er mildere utvinning forhold (metode A) å foretrekke. Faktisk forårsake lignin utvinning resultatene ligner gir i to tilfeller men strengere betingelser en nedgang i β-O-4 enheter (spesielt ikke-etherified β-O-4 koblinger) som kan være årsaken til slike lave monomer avkastning, som angitt i forrige avsnitt. Betydelig tap av ikke-etherified β-O-4 sammenhengene kan observeres også i tilfeller av bøk og sedertre Hvis betingelsene (metode B) brukes for utvinning som muligens fører til en lavere monomerer avkastning. Imidlertid avvike generelle acetal avkastningen ikke så mye avhengig av utvinning forholdene. Faktisk er en omtrentlig to-fold økning i lignin utvinning avkastning observert for begge biomasse kilder bytter fra metodene A til B som kompenserer for omtrent todelt nedgangen i monomer avkastning.
The authors have nothing to disclose.
Arbeidet ble finansiert av EU (Marie Curie ITN ‘SuBiCat’ PITN-GA-2013-607044, PJD, KB og JGdV), i tillegg til økonomisk støtte fra forskning Europarådet, ERC starter Grant 2015 (CatASus) 638076 (annonser og KB) og forskningsprogram Talent Ordningen (Vidi) med prosjektnummeret 723.015.005 (KB), som er delvis finansiert av Netherlands Organisation for vitenskapelig forskning (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 |