Här presenterar vi ett protokoll för att utföra etanol utvinning av lignin från flera biomassa källor. Effekten av utvinning villkor på lignin avkastning och β-O-4 innehåll presenteras. Selektiv depolymerization utförs på de erhållna lignins få hög aromatiska monomer produkter.
Lignin valorisering strategier är en nyckelfaktor för att uppnå mer ekonomiskt konkurrenskraftiga bioraffinaderier baserat på lignocellulosa biomassa. De flesta av de nya eleganta förfarandena att erhålla specifika aromatiska produkter är beroende av lignin substratet har ett högt innehåll av lätt cleavable β-O-4 kopplingen som närvarande i strukturen infödda lignin. Detta ger en miss-match med typiska tekniska lignins som förnedras mycket och därför är låga i β-O-4 kopplingar. De extraktion avkastningen och kvaliteten på de erhållna ligninet är därför av yttersta vikt att få tillgång till nya lignin valorisering vägar. I detta manuskript presenteras ett enkelt protokoll för att erhålla lignins med högt β-O-4 innehåll genom relativt milda etanol extraktion som kan tillämpas på olika lignocellulosa källor. Vidare presenteras analys förfaranden för att avgöra kvaliteten på lignins tillsammans med ett depolymerization protokoll som ger specifika fenoliska 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes, som kan användas för att utvärdera de erhållna lignins. De presenterade resultaten visar sambandet mellan lignin kvalitet och potential för lignins att vara depolymerized till specifika monomer aromatiska kemikalier. Övergripande, utvinning och depolymerization visar en kompromiss mellan lignin utvinning avkastningen och lagring av infödda aryl-eter struktur och därmed ligninet potential att användas som substrat för produktion av kemikalier för högre värde applikationer.
För den kemiska industrin att bli hållbara, kan förnybara råvaror såsom lignocellulosa biomassa användas som alternativ till nuvarande dominerande fossila sådana1. För att göra användningen av sådana råvaror ekonomiskt bärkraftiga, bör dock värdefulla tillämpningar eftersträvas för dess innehåll. Lignocellulosa biomassa kan innehålla ca 30 wt % av det lignin som är en aromatisk biopolymer som för närvarande endast ett fåtal applikationer har utvecklats bortom dess användning som lågvärdigt bränsle2. Metoden mot potentiellt ökade-värde aromatiska komponenter är därför av stort intresse att säkerställa framgång för framtida bioraffinaderier.
Senaste forskning har fokuserat starkt på utvecklingen av nya metoder för selektiv klyvning av de vanligast förekommande β-O-4 kopplingen (figur 1a) i lignin skaffa särskilda aromatiska, vanligtvis fenol, monomerer3,4 ,5,6. Till exempel tillämpningen av syror mellan 80 ° C till 180 ° C är mycket effektivt för att klyva β-O-4 kopplingen bildar aldehyd och keton fragment7,8. Våra grupper och andra har nyligen visat att acidolysis kombinerat med metoderna för att stabilisera och fälla reaktiva fragment är extremt potent att erhålla fenoliska monomerer med specifika kemiska motiv9,10 , 11 , 12. av dessa, i synnerhet acetal svällning av reaktiva aldehyder med alkoholer att erhålla fenoliska 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetaler) visat kraftfull på grund av dess relativa enkel applicering och lagring av mycket functionalized natur av lignin monomerer (figur 1b)13,14. Dessa acetaler erhålls från depolymerization i förhållandet som avser fördelningen av H, G och S monomerer som finns i den överordnade lignin råvaran.
Syra katalyseras depolymerization, som många av de mest eleganta metoderna utvecklats, är relativt mild och inte klyva starkare C-C obligationer som förekommer i lignin15. Men blivit C-C obligationer särskilt riklig när hårda lignocellulosa fraktionering villkor tillämpas på grund av kondensation av reaktiva fragment släppt från klyvning svagare C-O obligationer16,17. Förlusten av β-O-4 innehåll från biomassa bearbetningsmetod framgår tydligt av analysen av en rad tekniska lignins, som visades att endast behålla upp till 6 β-O-4 kopplingar per 100 aromatiska enheter18, medan i lignocellulosa dessa siffror varierar från 45 till 90 kopplingar per 100 aromatiska enheter beroende på källa16. Vänder sig till mildare extraktion villkor, kan lignins erhållas med länkage fördelningarna som bättre återspeglar de naturliga ligninet. Dock kräver detta en kompromiss mellan utvinning effektivitet och kvaliteten på de erhållna lignin material17. Detta har också företräde i organosolv utvinning av lignin, som är en populär metod att fractionate lignin. Många varianter av denna process finns, med de metoder som sysselsätter olika temperaturer, syrahalten, utvinning gånger och lösningsmedel. Här har utvinning svårighetsgrad en direkt inverkan på den erhållna lignin strukturen och därmed dess lämplighet för ytterligare valorisering19,20,21. Till exempel hade organosolv lignin produceras av etanol baserat Alcell processen, fungerat i 5 år på demonstration skala, relativt låga mängden β-O-4 kopplingar lämnat som det var fungerat vid relativt hög temperatur att säkerställa effektiv delignifiering i för att få hög kvalitet kolhydrater för bioetanolproduktion. Dock biobaserade lösningsmedel med liten miljöpåverkan som etanol är att föredra och således de extraktionsmetoder som resulterar i lignins högre värde är av intresse. Alkoholhaltiga lösningsmedel är av särskilt intresse som i tillägg till är det extraktion medium de också införliva lignin struktur, till exempel β’ – O – 4 (figur 1a)22, som delvis ”skyddar” struktur från oönskade klyvning. En lämplig metod skulle bli först att få lignin med ett högt β-O-4-innehåll och i en sekventiell steg för att avlägsna återstoden av ligninet tillgång till högt värde cellulosa.
I detta manuskript beskriver vi en rättfram och mycket reproducerbara förfarande för utvinning av hög β-O-4 lignin genom mild etanol extraktion. Beroende på källan som biomassa, kan detta leda till relativt hög utvinning effektivitet och avkastning. Procedurer för karakterisering av erhållna ligninet finns samt hur man ”deprotect” av företrad β’ – O – 420. Dessutom presenteras ett prövningsförfarande för potentialen i dessa lignins i selektiv depolymerization förfaranden som förlitar sig på selektiv klyvning av β-O-4 kopplingar. Denna bedömning görs med den järn triflate katalyseras depolymerization i närvaro av etylenglykol för att erhålla fenoliska 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes23 , som visar sambandet mellan β-O-4-innehåll i lignin materialet och monomeren ger21. Resultaten visar balansen mellan hög lignin utvinning effektivitet och av de erhållna ligninet kan vara depolymerized till särskilda aromatiska monomerer.
Resultaten från extraktioner på olika förutsättningar och olika biomassa källor avslöjar hur de optimala förutsättningarna för utvinning av lignin med ett relativt högt innehåll av β-O-4 kopplingar kan variera beroende på källan. Exempelvis valnöt utvinning på hårdare villkor (metod B) ger en trefaldig ökning av avkastningen med en nära kvarhållning av β-O-4 enheter, medan för bok och cederträ avkastningen ökar men är åtföljs av en betydande minskning av mängden β-O-4 enheter. Däremot, för tall, hårdare utvinning villkoren ger väldigt lite nytta i avkastning och också leda till en lignin med en mycket låg mängd β-O-4 enheter. Detta innebär att vanligtvis någon form av optimering måste vara inblandade att få rätt balans mellan lignin avkastning och kvalitet i form av lagring av β-O-4 enheter i erhållna lignin materialet.
Den stora ökningen av Mw av lignin material erhållits från hårdare utvinning villkor visar att under dessa förhållanden större fragment kan utvinnas som ger högre avkastning. Men på dessa villkor inträffar ytterligare fragmentering, som tillhandahåller ytterligare material med lägre molekylvikt och därmed öka polydispertion som tydligt kan ses i GPC grafer av valnöt (figur 5a) och cederträ (figur 5 d) i form av signalen på ~ 500 Da.
HSQC NMR är ett viktigt informativt verktyg att tillhandahålla jämförande uppgifter om kvaliteten på olika lignins. Det bör noteras att i detta förfarande som ett standard HSQC experiment utförs, detta är bra för att erhålla jämförande data men är inte nödvändigtvis kvantitativ beroende på skillnader i avkoppling gånger. Den höga mängden kopplingar visas för vissa lignins i tabell 1 är överskattat. Kvantitativa HSQC experiment ger bättre resultat men kostade betydligt mer NMR tid, även om det finns29alternativ. Vår erfarenhet, bör siffrorna i tabell 1 delas med en faktor på en 1,3 att bättre spegla den faktiska mängden β-O-4 enheter per 100 aromatiska enheter.
Som tidigare nämnts, rapporterade resultaten påpeka hur att hitta optimala förhållanden kan variera beroende på källan för att få maximal monomer avkastningarna. Exempelvis när valnöt används som utgångsmaterial, avkastning de totala totala acetaler ökad runt två gånger om hårdare villkor (metod B) används för utvinning av lignin. Detta är dock främst på grund av den stora skillnaden i lignin utvinning avkastningen, utan att påverka halten β-O-4. Annorlunda, när furu används är mildare extraktion villkor (metod A) att föredra. I själva verket orsakar lignin extraktion resultat i mycket liknande avkastning i två fall, men hårdare villkor en tappa i β-O-4 enheter (särskilt icke-företrad β-O-4 kopplingar) som kan vara orsaken till sådan en låg monomer avkastning, som anges i föregående punkt. En betydande förlust av icke-företrad β-O-4 kopplingar kan observeras också i fall av bok och cedar om villkor (metod B) tillämpas för extraktion som eventuellt leder till en lägre monomerer avkastning. Den övergripande acetal avkastningen skiljer sig dock inte så mycket beroende på utvinning. I själva verket observeras en ungefärlig tvåfaldig ökning av lignin utvinning avkastningen för båda biomassa källor byter från metoder A till B som kompenserar för minskningen ungefär två gånger i monomeren avkastning.
The authors have nothing to disclose.
Arbetet har finansierats av Europeiska unionen (Marie Curie ITN ‘SuBiCat’ PITN-GA-2013-607044, PJD, KB och JGdV), förutom ekonomiskt stöd från European Research Council, ERC start Grant 2015 (CatASus) 638076 (annonser och KB) och forskningsprogrammet talang Systemet (Vidi) med projektnummer 723.015.005 (KB), som delvis finansieras av den nederländska organisationen för vetenskaplig 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 |