Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll zur Ethanol-Gewinnung von Lignin aus verschiedenen Biomassequellen führen. Die Wirkung von der Extraktionsbedingungen auf Lignin-Ausbeute und β-O-4-Inhalte werden präsentiert. Selektive Depolymerisation erfolgt auf die erhaltenen Lignine, hoch aromatische Monomer-Produkte zu erhalten.
Lignin Aufwertung Strategien sind ein wichtiger Faktor für die Erreichung wirtschaftlicher Wettbewerbsfähigkeit Bioraffinerien auf Basis von Lignocellulose Biomasse. Die meisten aufstrebenden elegante Verfahren bestimmte aromatische Produkte verlassen sich auf das Lignin-Substrat mit einem hohen Gehalt an leicht spaltbaren β-O-4-Verbindung als in der Heimat Lignin-Struktur. Dies bietet eine Miss-Match mit typischen technischen Lignine, die stark abgebaut und daher sind arm an β-O-4 Verbindungen. Daher sind die Gewinnung Erträge und die Qualität des erhaltenen Lignins von größter Bedeutung, um neue Wege der Lignin-Aufwertung zugreifen. In diesem Manuskript ist ein einfaches Protokoll vorgelegten erhalten Lignine mit hohen Gehalt an β-O-4 relativ milde Ethanol Extraktion, die verschiedene Lignozellulose-Quellen angewendet werden können. Ferner werden Analyseverfahren zur Bestimmung der Qualität der Lignine zusammen mit einer Depolymerisation Protokoll dargestellt, die spezifische phenolischen 2-Arylmethyl-1,3-Dioxolanes, die verwendet werden können ergibt, um die erhaltenen Lignine zu bewerten. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen den Zusammenhang zwischen Lignin Qualität und Potenzial für die Lignine, in bestimmten Monomeren aromatische Chemikalien depolymerisiert. Insgesamt, die Extraktion und Depolymerisation zeigt ein Trade-off zwischen Lignin-Extraktion-Rendite und die Beibehaltung der native Aryl-Äther-Struktur und damit das Potenzial des Lignins als Substrat für die Produktion von Chemikalien für verwendet werden höherwertige Anwendungen.
Für die chemische Industrie nachhaltig zu sollten erneuerbare Rohstoffe wie Lignocellulose Biomasse als alternative zum aktuellen dominanten fossilen diejenigen1verwendet werden. Um solche Rohstoffe wirtschaftlich zu nutzen, sollte jedoch hochwertige Anwendungen für seinen Inhalt gesucht werden. Lignocellulose Biomasse kann etwa 30 Gew.-% des Lignins enthalten, eine aromatische Biopolymer ist für die derzeit nur wenige Anwendungen über seine Verwendung als geringwertige Kraftstoff2entwickelt wurden. Daher ist die Methodik zur potenziell erhöht Wert aromatischen Komponenten von großem Interesse für den Erfolg des zukünftigen Bioraffinerien.
Neuere Forschungen hat sich stark auf die Entwicklung neuartiger Methoden für die selektive Spaltung der am häufigsten vorkommende β-O-4-Verbindung (Abbildung 1a) in Lignin zu bestimmten aromatisch, in der Regel Phenol-, Monomere3,4 konzentriert ,5,6. Zum Beispiel der Einsatz von Säuren zwischen 80 ° C bis 180 ° C ist sehr effektiv bei der Spaltung der β-O-4-Verbindung bilden Aldehyd und Keton Fragmente7,8. Unsere Gruppen und andere haben vor kurzem gezeigt, dass Acidolysis in mit den Methoden zur Stabilisierung Kombination und Falle reaktive Fragmente ist extrem potent, phenolische Monomere mit bestimmten chemischen Motive9,10 zu erhalten , 11 , 12. davon, insbesondere Acetal Trapping von reaktiven Aldehyden mit Alkoholen zu phenolischen 2-Arylmethyl-1,3-Dioxolanes (POM) erwies sich mächtig durch seine relativ einfache Anwendung und die Beibehaltung der hoch funktionalisierten Natur Das Lignin Monomere (Abbildung 1 b)13,14. Diese POM stammen aus der Depolymerisation in ein Verhältnis, das bezieht sich auf die Verteilung des H, G und S Monomere in der übergeordneten Lignin Rohstoff zu präsentieren.
Säure katalysierte Depolymerisation, wie viele von den elegantesten Methoden entwickelt, sind relativ mild und Spalten nicht stärkere C-C-Bindungen, die in Lignin15auftreten. C-C-Bindungen werden jedoch besonders reichlich vorhanden, wenn harte Lignozellulose Fraktionierung Bedingungen durch die Kondensation von reaktiven Fragmente aus der Spaltung der schwächeren C-O-Bindungen16,17entlassen angewendet werden. Der Verlust der β-O-4-Inhalte aus der Biomasse Verarbeitungsmethode wird deutlich durch die Analyse einer Reihe von technischen Lignine, die gezeigt wurden, nur bis zu 6 β-O-4 Verbindungen pro 100 aromatischen Einheiten18behalten, während bei Lignozellulose diese Zahlen reichen von 45 bis 90 Verbindungen pro 100 aromatischen Einheiten je nach Quelle16. Was die mildere Extraktionsbedingungen, Lignine mit Gestänge-Distributionen erhalten Sie, die das natürliche Lignin besser Rechnung zu tragen. Allerdings erfordert dies ein Trade-off zwischen der Extraktionseffizienz und die Qualität der erhaltenen Lignin Material17. Dies hat auch Vorrang vor Organosolv-Gewinnung von Lignin, das ist eine beliebte Methode, um Lignin fraktionieren. Viele Variationen von diesem Prozess gibt, mit den Methoden mit unterschiedlichen Temperaturen, Säuregehalt, Extraktion Zeiten und Lösungsmittel. Hier hat die Extraktion schwere einen direkten Einfluss auf die erhaltenen Lignin-Struktur und damit ihre Eignung für die weitere Aufwertung19,20,21. Zum Beispiel hatte Organosolv-Lignin hergestellt durch Ethanol basierte Alcell Prozess, für 5 Jahre bei Demonstration Maßstab betrieben relativ geringe Menge an β-O-4 Verbindungen verlassen, da er bei relativ hohen Temperaturen zu gewährleisten effiziente Delignifizierung in betrieben wurde um qualitativ hochwertige Kohlenhydrate für Bioethanol-Produktion zu erhalten. Dennoch biobasierten Lösungsmittel mit wenig Auswirkungen auf die Umwelt wie Ethanol werden bevorzugt und somit die Extraktionsmethoden, die Lignine hochwertigere führen von Interesse sind. Alkoholische Lösungsmitteln sind von besonderem Interesse, denn neben den als Extraktionsmittel, die sie auch in der Lignin-Struktur z. B. integrieren β’ – O – 4 (Abbildung 1a)22, die teilweise “” die Struktur von unerwünschten schützt Dekolleté. Eine geeignete Methode wäre möglicherweise zuerst Lignin mit hohem β-O-4 und in einem sequentiellen Schritt zu entfernen, den Rest des Lignins hochwertiger Zellulose Zugang zu erhalten.
In diesem Manuskript beschreiben wir ein geradlinig und hoch reproduzierbare Verfahren zur Gewinnung von hoher β-O-4 Lignin durch milde Ethanol Extraktion. Abhängig von der Biomasse-Quelle kann dies zu relativ hohe Extraktionseffizienz führen und Ertrag. Verfahren zur Charakterisierung der erhaltenen Lignin werden zur Verfügung gestellt, und wie Sie “deprotect” die etherified β’ – O – 420. Darüber hinaus präsentiert ein Bewertungsverfahren für das Potenzial dieser Lignine in selektiven Depolymerisation Verfahren, die auf selektive Spaltung der β-O-4 Zusammenhänge beruhen. Diese Bewertung erfolgt mit Hilfe der Eisen(III)-triflate katalysierten Depolymerisation im Beisein von Ethylenglykol, um phenolische 2-Arylmethyl-1,3-Dioxolanes-23 die Verbindung zwischen β-O-4-Inhalte in das Lignin-Material zeigt zu erwirken und Das Monomer ergibt21. Die Ergebnisse zeigen die Balance zwischen hohen Lignin Absaugeffizienz und das Potenzial des erhaltenen Lignins, depolymerized, speziellen aromatischen Monomeren.
Die Ergebnisse aus der Extraktionen bei unterschiedlichen Bedingungen und verschiedenen Biomasse-Quellen zeigen wie die optimalen Bedingungen für Lignin Extraktion mit einem relativ hohen Gehalt an β-O-4 Verbindungen je nach Quelle variieren können. Zum Beispiel Walnuss Extraktion unter schwierigeren Bedingungen (Methode B) bietet eine Verdreifachung der Ertrag mit einer in der Nähe von Aufbewahrung von der Menge der β-O-4 Einheiten, während für Buche und Zeder die Ausbeute erhöht aber ist begleitet von einem beträchtlichen Rückgang der Menge an β-O-4 Einheiten. Auf der anderen Seite für Kiefer, härteren Extraktionsbedingungen bieten sehr wenig Nutzen in Ertrag und führen auch zu einer Lignin mit einer sehr geringen Menge an β-O-4 Einheiten. Dies bedeutet, dass in der Regel irgendeine Form der Optimierung zu beteiligen, das richtige Gleichgewicht zwischen Lignin Ertrag und Qualität in Form eines Zurückbehaltungsrechts des Betrags der β-O-4 Einheiten in der erhaltenen Lignin-Material bekommen.
Der starke Anstieg der Mw das Lignin Material aus härteren Extraktionsbedingungen zeigt, dass unter diesen Bedingungen größere Fragmente extrahiert werden können, bietet höhere Erträge. Allerdings tritt bei diesen Bedingungen zusätzliche Fragmentierung, Bereitstellung von zusätzlichen unteren Molekulargewicht Material und erhöht so die Polydispersität, wie in den GPC-Grafiken von Nussbaum (Abb. 5a) und Zeder (Abb. 5D) in deutlich zu erkennen die Form des Signals bei ~ 500 Da.
HSQC-NMR ist ein wichtiges informatives Tool vergleichende Daten über die Qualität der verschiedenen Lignine vorzulegen. Es sei darauf hingewiesen, dass bei diesem Verfahren wird eine standard HSQC–Experiment durchgeführt, dies eignet sich hervorragend für vergleichende Daten zu erhalten, aber nicht unbedingt quantitativ aufgrund von Unterschieden in Relaxationszeiten ist. Die hohe Anzahl der Verbindungen für einige Lignine in Tabelle 1 angezeigt werden überschätzt. Quantitative HSQC-Experimente bessere Ergebnisse liefern, aber deutlich mehr NMR Zeit gekostet, obwohl29 Alternativen. Nach unserer Erfahrung sollte die Zahlen in Tabelle 1 um den Faktor 1.3 besser widerspiegelt die tatsächliche Höhe der β-O-4 Einheiten pro 100 aromatischen Einheiten unterteilt werden.
Wie bereits erwähnt die berichteten Ergebnisse hinweisen wie finden optimale Bedingungen je nach Quelle variieren kann um die maximale Monomer Erträge zu erzielen. Beispielsweise wenn Walnuss als Ausgangsmaterial verwendet wird, führen, die allgemeine Gesamtanzahl Acetale erhöht etwa zwei Mal wenn Lignin Extraktion rauheren Bedingungen (Methode B) tätig sind. Dies ist jedoch vor allem aufgrund der großen Unterschiede bei Lignin-Extraktion-Rendite, ohne Auswirkungen auf die β-O-4-Inhalte. Anders sind, wenn Kiefer verwendet wird mildere Extraktionsbedingungen (Methode A) vorzuziehen. In der Tat Lignin Extraktion zu Ergebnissen führen in sehr ähnliche Erträge in zwei Fällen aber schwierigeren Bedingungen einen Tropfen in β-O-4 Einheiten (vor allem nicht etherified β-O-4 Verbindungen), die der Grund für solch einen niedrigen Monomer Ertrag sein können wie in der vorstehenden Randnummer angegeben. Ein erheblicher Verlust von nicht etherified β-O-4 Verbindungen kann auch in den Fällen von Buche und Zeder beobachtet werden, wenn Bedingungen (Methode B) für die Extraktion angewendet werden, führt möglicherweise zu einer niedrigeren Monomere Ausbeute. Allerdings unterscheidet sich die Gesamtausbeute Acetal nicht so viel je nach Extraktion. In der Tat wird eine ungefähre Verdoppelung in Lignin-Extraktion-Rendite beobachtet, für beide Biomassequellen Umschalten von Methoden A, B, für den etwa zweifach Rückgang Monomer Rendite kompensiert.
The authors have nothing to disclose.
Die Arbeit wurde von der Europäischen Union (Marie Curie ITN ‘SuBiCat’ PITN-GA-2013-607044, PJD, KB und JGdV), neben finanzieller Unterstützung des European Research Council, ERC starten Grant 2015 (CatASus) 638076 (AdS und KB) und das Forschungsprogramm Talent gefördert. Schema (Vidi) mit Projektnummer 723.015.005 (KB), die teilweise von der niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO) finanziert wird.
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 |