Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Extractie van lignine met een hoog gehalte van de β-O-4 door milde Ethanol extractie en het Effect daarvan op het rendement van de Depolymerization

doi: 10.3791/58575 Published: January 7, 2019

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. voorbehandeling van de walnoten grondstof vóór de lignine extractie

  1. Productie van knippen walnut schelpen
    1. Feed de walnoot schelpen naar een hamer cutter breuk van de schelpen. De hamer cutter uit te rusten met een 5 mm zeef bij de uitlaat. Het verzamelen van de schelpen van de gebroken walnoot in een bekerglas van 1 L glas.
    2. Feed de gebroken schelpen naar een micro hamer cutter te verkrijgen grond schelpen. De micro hamer cutter voorzien van een 2 mm zeef bij de uitlaat. Het verzamelen van de grond walnut schelpen in een bekerglas van 1 L glas.
  2. Extractie van vetzuren van grond walnut schelpen
    1. Zet 150 g van de gesneden walnoot schelpen in een 500 mL-rondbodemkolf. Voeg 200 mL tolueen en een opzwepende bar aan de rondbodemkolf.
    2. Een terugvloeikoeler hechten aan de rondbodemkolf. Warmte het mengsel bij reflux temperatuur (111 ˚C) met een oliebad voor 2 h met krachtig roeren.
    3. Stop dan het verwarmen na 2 uur en laat het mengsel afkoelen tot kamertemperatuur door verwijderen uit de oliebad.
    4. Verwijder de tolueen door filtratie (185 mm diameter, 10 µm poriëngrootte). Gooi het filtraat van tolueen.
    5. Verwijder de tolueen residuen door verwarming van de walnoot schelpen 's nachts in een vacuüm oven op 80 ˚C en 50 mbar.
  3. Frezen van vooraf uitgepakte walnoot schelpen
    1. Plaats 7 ZrO2 slijpen ballen met een doorsnede van 20 mm in een 250 mL slijpen kom gemaakt van ZrO2.
    2. Vul de kom met 40 g walnoot deeltjes. 60 mL isopropanol en toevoegen naar de schuurmachine bowl.
    3. Het slijpen van de walnoot schelpen met een roterende ball molen uitvoeren Grind in 4 cycli van 2 min slijpen bij 27 x g gevolgd door een pauze van 4 min. Houd de temperatuur van de kom onder 80 ˚C op elk gewenst moment. Het uitvoeren van niet meer dan 3 partijen en laat het afkoelen kom daarna naar beneden.
    4. Verzamelen de fijn gemalen walnoot schelpen in een 500 mL-rondbodemkolf. Verwijder de isopropanol door roterende verdamping op 40 ˚C en 125 mbar.
    5. Droog de walnoot schelpen overnachting in een vacuüm oven op 50 ˚C en 50 mbar.
    6. Zeef de fijn gemalen walnoot schelpen zeef: 1 mm. De deeltjes die te groot zijn opnieuw met de roterende bal molen gemalen.

2. voorbereiding van de houten grondstoffen

  1. Snijden van de houten planken
    1. Plaats de houten planken onder een boor, die is uitgerust met een boor plat houten snelheid. Verzamel de houtkrullen in een bekerglas van glas.
    2. Plaats de houten krullen in een koffiemolen aan hen in kleinere stukjes gesneden.
  2. Winning van vetzuren uit hout
    1. Voert de extractie van de vetzuren uit hout op precies dezelfde manier, zoals beschreven voor walnoot schelpen in stap 1.2.
      Opmerking: Geen frezen van het hout wordt uitgevoerd in de molen van de bal, aangezien de voorwaarden beschreven in stap 1.3 niet in een vermindering van de deeltjesgrootte resulteren.

3. extractie van hoge β-O-4 Ethanosolv lignine

  1. Milde ethanol extractie (methode A)
    1. Zet 25 g van de grondstof in een 500 mL-rondbodemkolf. Voeg het mengsel in een 80:20 ethanol/water (200 mL), 4 mL 37% HCl-oplossing (0,24 M) en een magnetische roeren bar aan de rondbodemkolf.
    2. Een terugvloeikoeler hechten aan de rondbodemkolf. Warmte de temperatuur van de atreflux mengsel met een oliebad voor 5 h met krachtig roeren.
    3. Laat het mengsel afkoelen tot kamertemperatuur door verwijderen uit de oliebad. Filteren van het mengsel (185 mm diameter, 10 µm poriegrootte) en het residu met 25 mL ethanol 4 keer wassen.
  2. Werk-up en isolatie van lignine
    1. Het verzamelen van de drank in een 500 mL-rondbodemkolf. Concentreren de drank door verdamping van de roterende op 40 ˚C en 150 mbar.
    2. Los de verkregen vaste in 30 mL aceton. Gebruik een ultrasoon bad als de solid doet niet volledig los.
    3. De lignine neerslag door het mengsel toe te voegen aan 600 mL water. Als er geen neerslag optreedt, voeg een kleine hoeveelheid verzadigd waterige nb2dus4 oplossing voor het flocculate van de lignine.
    4. Verzamel de lignine door filtratie (185 mm diameter, 10 µm poriëngrootte). Wassen de lignine met 25 mL water 4 keer. Gooi het filtraat als geen analyse van de hemicellulose breuk vereist is. Indien het filtraat erg troebel is, toe te voegen aan een buis centrifugeren en verzamelen de (vaste) onder breuk door centrifugeren.
    5. Laat de lignine in de lucht droog 's nachts. Droog de lignine verder in een vacuüm oven ('s nachts bij 50 ˚C en 50 mbar).
    6. Het rendement bepalen nadat de lignine is's nachts in een vacuüm oven gedroogd.
    7. Bepaal de lignine extractie-efficiëntie door het onder te verdelen met de totale lignine inhoud zoals bepaald door de Klason methode24.
  3. Hogere temperatuur ethanol extractie (methode B)
    1. Zet 15 g van de grondstof in een autoclaaf 250 mL. Voeg een 80:20 ethanol/water mengsel (120 mL), 2,4 mL HCl (0,24 M) en een magnetische roeren bar.
    2. Warmte het mengsel op 120 ˚C voor 5 h met een opzwepende snelheid van 5,2 x g. koel het mengsel daarna in een ijsbad.
    3. Filteren van het mengsel (185 mm diameter, 10 µm poriegrootte) en was het residu 4 keer met 15 mL ethanol.
    4. Precies zoals beschreven in stap 3.2 uitvoeren van verdere werk-up en isolatie.
  4. Grotere schaal hogere temperatuur ethanol extractie van walnoot shell (methode C *)
    1. 90 g van fijn grond walnoot shell in een autoclaaf 1 L hogedruk plaatsen Voeg een 80:20 ethanol/water mengsel (750 mL) en 6,25 mL H2SO4 (0,12 M).
    2. Warmte het mengsel op 120 ˚C voor 5 h met een opzwepende snelheid van 35.8 x g. koel het mengsel terug naar kamertemperatuur door te draaien op de reactoren koelsysteem na de reactietijd van 5 h.
    3. Filteren van het mengsel (185 mm diameter, 10 µm poriegrootte) en was het residu 4 keer met 75 mL ethanol.
      Opmerking: Toepassing van meerdere filters scheelt een hoop tijd.
    4. Verzamel de likeuren in 2 gelijke partijen. Het uitvoeren van het werk-up en isolatie zoals beschreven in stap 3.2 met dubbele hoeveelheid de oplosmiddelen voor beide partijen.
  5. De experimenten van de controle van stap 3.1. (Methode A *) en stap 3.3. (Methode B *) (optioneel)
    1. Zet de exacte sommige materialen zoals beschreven in stap 3.1.1 maar vervangen de HCl-oplossing met 1.67 mL van H2SO4 (0.12M). De rest van de stap 3.1-3.2 is identiek aan de methode A.
    2. Zet de exacte sommige materialen zoals beschreven in stap 3.3.1 maar vervangen de HCl-oplossing met 1,0 mL van H2SO4 (0.12M). De rest van de stap 3.3 is identiek aan de Methode B.

4. de etherification van de lignine (optioneel)

  1. Los 1000 mg lignine in een 24 mL van 1:1 1,4-dioxaan/water mengsel in een 100 mL-rondbodemkolf. 1 mL van een 37%-zoutzuur aan het mengsel toevoegen.
  2. Voeg een opzwepende bar en een terugvloeikoeler hechten aan de rondbodemkolf. Warmte het mengsel 100 ˚C met een oliebad voor 5 h met krachtig roeren.
  3. Laat het mengsel afkoelen tot kamertemperatuur door verwijderen uit de oliebad. Voeg het mengsel tot 160 mL water neerslaan van de lignine.
  4. Verzamel de lignine door filtratie (185 mm diameter, 10 µm poriegrootte) en wassen de lignine met 25 mL water 2 keer. Laat de lignine in de lucht droog 's nachts. Droog de lignine verder in een vacuüm oven ('s nachts bij 50 ˚C en 50 mbar).

5. analyse van lignine

  1. Analyse van de twee-dimensionale nucleaire magnetische resonantie (2D-NMR)
    1. Los 60 mg gedroogde lignine in 0,7 mL d6-aceton. Voeg een paar druppels van D2O als de lignine wordt niet volledig oplossen. Doe het mengsel in een NMR-buis en neem een proton 2D heteronucleaire één quantum samenhang spectra (HSQC) met een NMR spectrometer met de volgende parameters: (11, -1), (160, -10), nt 4, ni = 512 =20.
    2. Het analyseren van de verkregen HSQC spectra. Pas de spectra door handmatige fase correcties op beide as totdat alle signalen positief, zijn zoals dit vooral belangrijk op de horizontale (f2) as is. U geen basislijn corrigeren. De standpunten van alle de verbanden zijn gegeven in stap 5.1.3 en 5.1.6.
    3. Het integreren van de signalen in de aromatische regio die overeenkomen met de drie verschillende aromatische eenheden (proton nummering volgens Figuur 4). Deze signalen zijn in de regio [(Proton range) (Carbon bereik)]:
      S2/6: [(6.48-6.90)(104-109)]
      S'2/6: [(7.17-7.50)(105-109)]
      VerkorteS: [(6.35-6.65)(106-109)]
      G2: [(6.78-7.14)(111.5-116)]
      G5: [(6.48-7.06)(115-120.5)]
      G6: [(6.65-6.96)(120.5-124.5)]
      H2/6: [(7.05-7.29)(128.5-133)]
      Opmerking: H3/5 overlappingen met het signaal van de5 G, en er wordt van uitgegaan dat H2/6 dezelfde intensiteit als H3/5 heeft. Het signaal voor verkorte G overlapt met G-5. Indien geen (of nauwelijks) G2 en G6 signalen aanwezig zijn, betekent dit dat de volledige condensatie van G is opgetreden.
    4. Berekent het bedrag van aromatische eenheden met de formule:
      Totale aromatische = (((S2/6 + S'2/6) / 2) + Sgecondenseerde) + ((G2 + G5 G6- H2/6) / 3) + (H2/6 / 2)
    5. Bereken het percentage van G, H en S-eenheden met de volgende formules:
      Verhouding S = (((S2/6 + S'2/6) / 2) + Scondensed): totaal aromatische x 100%
      Verhouding G = ((G2+ G5G6- H2/6) / 3): totaal aromatische x 100%
      Verhouding H = (H2/6 / 2): totaal aromatische x 100%
    6. Het integreren van de signalen in de alifatische regio signalen die overeenkomen met de β-O-4, β-β en β-5 verbanden en Hibbert ketonen. Deze zijn in de regio [(proton range) (koolstof bereik)]:
      Β-O-4α [(4.76-5.10)(73-77.5)]
      Β ' - O - 4α [(4.44-4.84)(81.5-86)]
      Β-O-4β en β' - O - 4β [(4.03-4.48)(85-90.5)]
      Β-O-4γ en β' - O - 4γ [(3.10-4.00)(58.5-62)]
      Β-5α [(5.42-5.63)(88-92)]
      Β-5β [(3.36-3.56)(53-54.5)]
      5-β-γ [(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-β-γ [(3.75-3.96)(72.5-76)] en [(4.10-4.31)(72.5-76)]
      HKγ [(4.20-4.30)(66-68)]
      Opmerking: De β-protonen van de β-O-4 en de β' - O - 4 verbanden overlapping. De structurele motieven van deze verbanden zijn afgebeeld in Figuur 1.
    7. Het totale aantal verbanden per 100 C9 eenheden zijn allemaal gebaseerd op het signaal van de α-proton van de verbanden. Het totale aantal verbanden met de volgende formules berekenen:
      Β-O-4 verbanden = (β-O-4α + β' - O - 4α) / totaal aromatische x 100
      # Β-5 verbanden = β-5α / totaal aromatische x 100
      Β-βverbanden = β-βα / totaal aromatische x 100
  2. Gel Permeatie Chromatografie (GPC) analyse
    1. Los 10 mg gedroogde lignine in 1 mL tetrahydrofuraan (THF) (met een daling van tolueen als de interne standaard). Filtreer dit mengsel door een 0,45 µm spuit filter in een flacon autosampler met een verminderde volume inham van 0.3 mL. Sluit de autosampler flacon met dop.
    2. Injecteren 20 µL van het monster in een THF GPC. De verkregen gegevens verwerken.
    3. Corrigeer het verkregen signaal voor het signaal van de verwijzing (tolueen). Selecteer het elutievolume voor het juiste bereik (~ 200-10000 Da). Berekenen massa distributie van de software.

6. depolymerization van Ligninen aan fenolische 2-Arylmethyl-1,3-Dioxolanes (acetalen)

  1. Plaats 50 mg gedroogde lignine in een flesje van 20 mL magnetron als de reactie-vaartuig dat is uitgerust met een magnetische roerder. Voeg 0,85 mL 1,4-dioxaan, 50 µL van ethyleenglycol in 1,4-dioxaan (0,54 mL/mL) en 50 µL van octadecane (interne standaard) in 1,4-dioxaan (26 mg/mL).
  2. Sluit het reactievat en verwarm de oplossing tot 140 ° C al roerend bij 3.8 x g.
  3. Wanneer het reactievat 140 ° C bereikt, voeg 50 µL van Fe (III) OTf3 in 1,4-dioxaan (0,1 g/mL).
  4. Roer de reactor voor 15 min.
  5. De reactor tot kamertemperatuur afkoelen en verwijder de depolymerization vloeistof zoals beschreven in stap 7.1.

7. werk omhoog en analyse van Depolymerization mengsels

  1. De vloeistof filteren over Celite (permeabiliteit: 2,60-6-50 darcy; deeltjesgrootte: 150 mesh Tyler; zeef behouden (140 M U.S.): 2.0-25,0%) en het verzamelen in een centrifugebuis 2 mL.
  2. De vloeibare overnachting bij 35 ° C in een rotatie vacuüm concentrator concentreren.
  3. Pak de laatste olie/effen met de volgende procedure:
    1. Opgeschort en het residu in 0,15 mL dichloormethaan (DCM) zwellen door het uitgebreide mengen (door vortex), 15 min van ultrasoonapparaat en 30 min in automatische wiel.
    2. Centrifugeer de monsters voor maximaal 10 s met behulp van een minispin tafelblad centrifuge om ervoor te zorgen dat de vloeistof op de bodem van de buis (centrifugeren snelheid: 671 x g).
    3. 0.75 mL tolueen en meng uitgebreid (met het vortex en 10 min ultrasoonapparaat) toevoegen.
    4. Centrifugeer de monsters voor maximaal 10 s met behulp van een minispin tafelblad centrifuge (centrifugeren snelheid: 671 x g) om ervoor te zorgen dat de vloeistof op de bodem van de buis.
    5. Scheiden van de lichte organische vloeistof van het vaste of dikke olieachtige residu en filteren deze vloeistof over een stekker van Celite en verzamelen in een glazen ampul.
      Opmerking: Deze procedure voor schorsing/wassen wordt driemaal herhaald, en in de laatste extractie, 0,5 mL tolueen wordt gebruikt.
  4. Het concentreren van de gecombineerde organische fasen door roterende verdamping (40 ˚C, 20 mbar).
  5. Los van de olieachtige residu op in 1 mL van DCM gaschromatografie flame ionization detector (GC-FID) p.a..
  6. GC-FID met behulp van een GC uitgerust met een FID detector en gebruik helium als het dragergas uitvoeren Standaard instellingen: 1 µL injectie, een split-ratio van 50: 1, een helium stroom van 0,95 mL/min. Equip de GC apparaat met een HP5 kolom (30 m x 0,25 mm x 0,25 µm) en run met een temperatuursprofiel die met een 5 min 60 ° C] Thermo begint. Follow-up door een helling van 10 ° C/min voor 20 min tot 260 ° C. Houd deze temperatuur gedurende 20 minuten.
  7. De pieken in de spectra handmatig integreren. De retentietijden van de pieken zijn als volgende: octadecane (21.4 min), H-Acetaal (19.5 min), G-Acetaal (20.8 min), S-Acetaal (23.4 min). De verkregen waarden in stap 7,8 gebruiken voor het uitvoeren van de kwantificering.
  8. Het uitvoeren van de kwantificering van G Acetaal, die is gebaseerd op een ijklijn met een standaard samengestelde geïsoleerd met behulp van een interne standaard (octadecane).
    Opmerking: Kalibratiekromme: Equation 1 (R2= 0,9991)
    G-Acetaal opleveren:Equation 2
    Gebaseerd op eerdere resultaten9,21,23 die een responsiefactor werd geschat voor H en S Acetaal als 2.19 en 1.82, respectievelijk.

Representative Results

In Figuur 2staan de verkregen grondstof na voorbehandeling (linker kolom). Alle grondstof werd verkregen als kleine chips aanwezig naast beukenhout, dat werd overgenomen als schaafsel van geschikte deeltjesgrootte voor extractie. De Ligninen verkregen na de extractie-show een breed scala van kleuren en de deeltjesgrootte. De Ligninen verkregen van milde behandelingen (methode A en tweede kolom Figuur 2) zijn meestal rood/roze in kleur en verworven als kleine vlokken. Wanneer strengere voorwaarden wordt toegepast (methoden B en C), de verkregen Ligninen hebben een bruin/bruin geel kleur (derde en vierde kolom Figuur 2). De opbrengst verhogen voor alle de extracties uitgevoerd onder zwaardere omstandigheden (methoden B en C*) in vergelijking met mildere omstandigheden (reactie schema in Figuur 1, resulteert in tabel 1). Dit effect was veel meer diepgaande voor walnoot (10,2% stijging), beuk (8,5% toename) en cederhout (5,1% toename) t.o.v. grenen hout (slechts 0,5% stijging). Op basis van de inhoud van de lignine van de biomassa vóór de extractie (40,3% voor walnut, 28,6% voor pine25, 18,8% voor beuken25 en 35.1% voor cedar25), de lignine extractie-efficiëntie van beukenhout is vooral hoog (73,9%), terwijl voor de andere bronnen lagere extractie-efficiëntie werd verkregen. Methoden A * en B *, controle experimenten met zwavelzuur voor methoden A en B, toonde duidelijke verschillen in extractie opbrengst. Milde extractie van walnoot schelpen met zwavelzuur (methode A *) gaf slechts een zeer laag rendement van 2,6%, die aanzienlijk lager is dan de extractie met zoutzuur (methode A) (2,6% en 5,0%). Echter met zwaardere extractie voorwaarden, de extractie met zwavelzuur (methode B *) toont een hoger rendement in vergelijking met zoutzuur (methode B) (19,3% en 15,2%), maar opgemerkt moet worden dat suiker sporen aanwezig in het product dat wordt verkregen door extractie zijn met zwavelzuur.

Van de NMR-analyse van de verschillende Ligninen (voorbeeld in Figuur 4), de H/G/S-verhouding en hoeveelheid verbanden werden vastgesteld (tabel 1). Als gevolg van de overlapping van de β en γ-protonen van de β-O-4 en de β' - O - 4 koppeling, het bedrag van de verbanden is gekwantificeerd aan de hand van de α-protonen. Bovendien, de G-5/6 en H3/5 signalen overlappen, maar dit kunnen worden gecorrigeerd door de ratio's dienovereenkomstig met de H2/6 signalen aan te passen. Ook een signaal overeenkomt met de γ-protonen van de Hibbert ketonen en een signaal voor geoxideerde S-eenheden, die waarschijnlijk door lignine-eindgroepen veroorzaakt zijn, worden geïdentificeerd.

De ratio's verkregen NMR laten zien dat in het algemeen extracties met methode B biedt lignine met hogere S inhoud vergeleken met degenen met methode A in het geval dat het oorspronkelijke materiaal S eenheden bevat. Ook voorzien de extracties met methode B van lignine een lager bedrag van totale β-O-4 verbanden in vergelijking met methode A, met de vermelding verhoogde afbraak op verhoging van temperatuur. Een uitzondering is de walnoot lignine verkregen methoden methods A en B waarvoor het bedrag van totale β-O-4 verbanden erg vergelijkbaar was. Het aantal β-β en β-5 verbanden afnemen wanneer er strengere voorwaarden worden toegepast, hoewel in mindere mate. NMR bleek bovendien dat alle de Ligninen verkregen na ethanol extractie bleek een mate van structurele wijziging van de koppeling van de β-O-4. Deze hebben ten minste ~ 50% vervanging bij de groep van de α-OH, wat resulteert in de α-geëthoxyleerde β' - O - 4 koppeling. De lignine extractie toont hoge reproduceerbaarheid, die werd bewezen door het uitvoeren van de milde winning van walnoot schelpen (methode A) 4 keer. De afwijking in het totale aantal β-O-4 verbanden is vooral opmerkelijk klein. Wanneer de winning werd uitgevoerd onder zwaardere omstandigheden (methoden B en C), het percentage van α-Ethoxyleren verhoogd. In de HSQC spectra van beuken lignine gewonnen op zwaardere toestand (methode B), een signaal voor S gecondenseerd zichtbaar is, die past perfect bij de aanzienlijke daling van het bedrag van de β-O-4 verbanden. De walnoot-extractie uitgevoerd op grote schaal (methode C *) toont een significante afname voor alle verbanden en een signaal voor S gecondenseerd is zichtbaar in de spectra HSQC. De relatief hoge opbrengst voor de winning van cederhout bij milde omstandigheden (methode A) wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van een aanzienlijke hoeveelheid vetzuur. Controle experimenten met zwavelzuur gaf goed inzicht in het effect van het zuur op de samenstelling van de verkregen lignine. Met milde extractie voorwaarden (methodA *), was een zeer zuiver lignine verkregen die was qua samenstelling in vergelijking met de andere milde extracties (methodA). Het iets lagere bedrag van β-O-4 verbanden kan worden toegeschreven aan een minder efficiënt opneming van ethanol in het kader van de lignine, resulterend in een lager aantal β' - O - 4 verbanden. Tegen hardere extractie voorwaarden (methode B *), de verschillen met de verkregen lignine is veel meer diep in vergelijking met de lignine verkregen van de schalen van de walnoot geëxtraheerd in aanwezigheid van zoutzuur (methode B). Het totale aantal β-O-4 verbanden toont een scherpe daling (35 en 74, respectievelijk) en de lignine verkregen met zwavelzuur bevat een hoog bedrag van condensatie in de aromatische regio (48%), die werd bepaald door de integratie van de signalen van de S overeenkomt verkorte en Gverkorte (stap 5.1.3). Dit hoge bedrag van condensatie kan geheel worden toegeschreven aan zwavelzuur, als het product dat wordt verkregen bij de winning van dezelfde met zoutzuur toonde geen condensatie in de aromatische regio. De samenstelling van het product dat wordt verkregen bij harde grotere schaal extractie (methode C *) toont geen groot verschil met het product dat wordt verkregen op een kleinere schaal (methode B *). Het enige grote verschil is het lagere bedrag van condensatie in de aromatische regio in de grootschalige extractie (9%) en vervolgens een hoger bedrag van β-O-4 verbanden. Dit verschil kan worden veroorzaakt door het verschil in het profiel van de verwarming tussen de verschillende autoclaven.

De Ligninen waren ook geanalyseerd door GPC (Figuur 5) inzicht te geven in het molecuulgewicht (tabel 2). Dit blijkt dat bij hardere extractie voorwaarden (methode B) worden toegepast, zowel het gewicht gemiddelde molecuulgewicht (Mw) en de polydispersiteit voor alle bronnen toenemen. Het nummer gemiddeld molecuulgewicht (Mn) tussen de extractie-voorwaarden zijn vergelijkbaar voor elke bron. Over het geheel genomen, deze resultaten blijkt dat zwaardere extractie voorwaarden een tweeledig effect hebben, en grotere fragmenten worden geëxtraheerd naast extra verdeling van zulke fragmenten.

Voor sommige toepassingen, de vorming van β' - O - 4 koppeling is ongewenst, bijvoorbeeld bij de toepassing van depolymerization-methoden die afhankelijk zijn van de oxidatie van de benzylische (α) hydroxyl groep26,27,28. De transformatie van β' - O - 4 koppeling van ethanosolv lignine aan regelmatige β-O-4 verbanden eerder gemelde20 was en werd uitgevoerd met een lignine batch verkregen van de schalen van de walnoot die vergelijkbaar is met de lignine verkregen van de schalen van de walnoot gemeld in dit papier (Figuur 6). Deze lignine bestond uit 30 inheemse β-O-4 verbanden en 39 α-geëthoxyleerde β' - O - 4 verbanden (34 en 38 verbanden, respectievelijk voor de lignine in dit document). De etherification omgezet in bijna alle van de α-geëthoxyleerde verbanden de inheemse structuur zoals de verkregen lignine bestond uit 57 β-O-4 verbanden en slechts 3 α-geëthoxyleerde β' - O - 4 verbanden, een klein verlies in het totale aantal eenheden van de β-O-4 tonen. De massa van de lignine was 72% van de oorspronkelijke lignine, die voornamelijk wordt veroorzaakt door het verlies van de ethyl-groep.

Om aan te tonen het potentieel van de lignine voor de productie van aromatische monomeren door milde depolymerization, acidolysis voorbeeldresultaten met Fe(OTf)3 in aanwezigheid van ethyleen glycol werden uitgevoerd (Figuur 7). Deze reactie resulteert in drie verschillende fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetalen) die betrekking hebben op de H, G en S eenheden presenteren in de lignine. Tabel 3 toont het rendement van de S, G en H acetalen en de totale opbrengsten worden weergegeven in Figuur 8. Het is zichtbaar dat de lignine-extractiemethode wordt het rendement van acetalen grote gevolgen heeft. Lagere rendementen worden voor lignine gewonnen met behulp van strengere voorwaarden (methode B) verkregen. Dit is waarschijnlijk te wijten aan een meer gemodificeerde (hoger percentage van α-Ethoxyleren) gecondenseerd structuur zoals beschreven in de vorige paragraaf.

Het belang van de β-O-4 eenheden wordt weerspiegeld door de verstrekking van correlaties monomeer rendement in depolymerization, zoals gepresenteerd in het protocol (Figuur 9). Een duidelijke trend is zichtbaar gezien het totaalgehalte van β-O-4 en de niet-vereterd β-O-4 verbanden, waar een hoger gehalte aan β-O-4 in het algemeen resulteert in hogere opbrengst van fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetalen) die strookt met de resultaten van de vorige21 . Bij het overwegen van de etherified β' - O - 4 verbanden, de trend is ook duidelijk, waaruit blijkt dat het rendement van depolymerization is niet gerelateerd aan het aantal β' - O - 4 verbanden. Voorwaarden van de reactie, kunnen de etherified β-O-4 verbanden-etherified maar deze extra stap resulteert in het verlies van materiaal, zoals eerder is beschreven.

Over het geheel genomen kunnen de monomeer depolymerization opbrengst voor de lignine extractie opbrengst te corrigeren, de volgende resultaten worden verkregen (tabel 4). Deze Toon dat vergelijken methoden A & B, over het algemeen hogere hoeveelheden Acetaal kunnen worden verkregen door hardere extractie bieden hogere totale lignine opbrengsten gevolgd door een (minder selectieve) depolymerization. De resultaten van pinewood blijkt echter ook dat dit afhankelijk van de bron van de biomassa, is omdat de toename van de ernst van de extractie niet in een verhoging van de significante opbrengst voorziet. Behoud van de β-O-4-structuur is de voorkeur voor deze houtsoort te geven hogere totale fenolische 2-phenylmethyl-1,3-dioxolane (acetalen) opbrengsten.

Figure 1
Figuur 1 . Chemische structuren van de verkregen producten. (a) gemeenschappelijke structurele motieven als aanwezig zijn in de structuur van de lignine. (b) zuur gekatalyseerde lignine depolymerization gecombineerd met Acetaal overlapping te verkrijgen fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetalen). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2 . Lignine verkregen met verschillende grondstoffen. Afbeelding van de vier verschillende lignocellulose grondstoffen na voorbehandeling (stappen 1 en 2) en de verkregen Ligninen na organosolv extractie onder verschillende omstandigheden (methode A-stap 3.1, methode B-stap 3.3 en methode C *-stap 3.4). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3 . Reactie regeling voor ethanosolv extractie. Overzicht van de verkregen verbanden: β-O-4 (R' = H), β' - O - 4 (R' = Et), β-β en β-5. Voorwaarden: (A) 80 ˚C, 0,24 M HCl (stap 3.1), (B) 120 ˚C, 0,24 M HCl (stap 3.3), (C *) 120 ˚C, 0,12 M H2dus4 (stap 3.4) en het besturingselement experimenteren A * en B * (stap 3.5). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4 . HSQC analyse van lignine. Identificatie van alle lignine verbanden gemeten met 2D-HSQC van lignine verkregen van de schalen van de walnoot met behulp van milde behandeling (stap 3.1). De signalen voor HKγ en S'2/6 worden vergroot ze om zichtbaar te maken. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5 . Molecuulgewicht van lignine. GPC grafieken van de verkregen Ligninen gedeeld door de bron (een walnoot, b = = grenen hout, c = beukenhout en d = cederhout). De regels komen overeen met verschillende monsters zoals vermeld in tabel 2. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6 . De etherification van lignine. Schema van de reactie van de de etherification van de verkregen ethanosolv lignine van de schalen van de walnoot (stap 4). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. 

Figure 7
Figuur 7 . Lignine depolymerization aan acetalen. Reactie regeling voor depolymerization van lignine aan fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetalen). H eenheid: R1 = R2 = H; G eenheid: R1 = OMe, R2 = H; S eenheid: R1 = R2 = OMe (stap 6). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 8
Figuur 8 . Acetaal opbrengst per bron. Opbrengsten van fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetalen) verkregen uit depolymerization van lignine uit verschillende bronnen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 9
Figuur 9 . Invloed van β-O-4 verbanden op de opbrengst van acetaal. Opbrengsten van fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetalen) verkregen lignine depolymerization in vergelijking met de totale β-O-4 (blauw), niet-vereterd β-O-4 (oranje) en vereterd β-O-4 (grijs) inhoud in de lignine grondstof. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Bron Voorwaarden Rendement (%) Extractie rendement (%)1 De ratio S/G/H Totale β-O-4 Β-O-4 Β ' - O - 4 Β-Β Β-5
Walnut 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
Walnut A * 2.6 6.5 47/45/8 53 32 21 9 4
Walnut B 15.2 37,7 59/37/4 74 20 54 9 6
Walnut2 B * 19.3 47.9 75/25/0 35 5 30 7 3
Walnut2 C * 16.2 40.2 65/33/2 45 10 35 8 3
Pine A 3.5 12.2 0 / > 99 / < 1 59 22 37 0 14
Pine B 4.0 14.0 0 / > 99 / < 1 46 7 39 0 8
Beuken A 5.4 28,7 63/37/0 82 43 39 12 5
Beuken3 B 13,9 73,9 83/17/0 45 11 35 9 2
Cedar A 6.4 18.2 0 / > 99 / < 1 64 28 36 0 6
Cedar B 11,5 32,8 0 / > 99 / < 1 41 7 34 0 7

Tabel 1. Ethanosolv extractie resultaten. Verkregen opbrengsten, aromatische distributie en verbanden voor de verschillende extracties uitgevoerd op biomassa. * Zwavelzuur wordt gebruikt als zuur. 1 Rendement van lignine (wt%)/Lignin inhoud in de grondstof zoals bepaald door Klason lignine bepaling. 2 Hemicellulose en S-condensed aanwezig in het product. 332% voor de S-units zijn gecondenseerd.

Bron Voorwaarden Mn (g/mol) Mw (g/mol) Ð
Walnut A 1096 1805 1.65
Walnut B 1174 2934 2,50
Walnut C * 1248 2930 2.35
Pine A 1331 3071 2.31
Pine B 1319 3596 2.73
Beuken A 1645 3743 2.28
Beuken B 1368 4303 3.14
Cedar A 860 1626 1.89
Cedar B 1188 3292 2,77

Tabel 2: molecuulgewicht van de verkregen Ligninen.

Bron Voorwaarden Rendement (%) De ratio S/G/H Totale β-O-4 S Acetaal (wt %) G Acetaal (wt %) H Acetaal (wt %) Totale Acetaal opbrengst (wt %)
Walnut A 5.0 45/46/9 72 4.5 5.9 2.1 12,5
Walnut B 15.2 59/37/4 74 3.6 4.7 1.0 9.3
Walnut C * 16.2 65/33/2 45 3.8 3.9 0.6 8.3
Pine A 3.5 0 / > 99 / < 1 59 0 9,9 0.3 10.2
Pine B 4.0 0 / > 99 / < 1 46 0 1.1 0 1.1
Beuken A 5.4 63/37/0 82 7.7 6.7 0 14.4
Beuken B 13,9 83/17/0 45 3.6 3.4 0 7.0
Cedar A 6.4 0 / > 99 / < 1 64 0 8.1 0.1 8.2
Cedar B 11,5 0 / > 99 / < 1 41 0 4.7 0 4.7

Tabel 3: Acetaal rendement van lignine depolymerization. Opbrengsten van fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolones (acetalen) verkregen uit depolymerization van lignine uit verschillende bronnen. Voorwaarden: 50 mg lignine 60 wt % ethyleenglycol, 10 wt % Fe(OTf)3, oplosmiddel: 1,4-dioxaan, 140 ° C (1 mL totale volume), 15 minuten (stap 7).

Bron Voorwaarden Lignine extractie rendement (%) Β-O-4 Β ' - O - 4 Totale β-O-4 Totale Acetaal opbrengst (wt %) Algemene Acetaal opbrengst gecorrigeerd voor lignine extractie opbrengst (wt %)1
Walnut A 5.0 34 38 72 12,5 0.63
Walnut B 15.2 20 54 74 9.3 1.41
Walnut C * 16.2 10 35 45 8.2 1.33
Pine A 3.5 22 37 59 10.2 0.36
Pine B 4.0 7 39 46 1.1 0.04
Beuken A 5.4 43 39 82 14.4 0.78
Beuken B 13,9 11 35 45 6,9 0.96
Cedar A 6.4 28 36 64 8.2 0.52
Cedar B 11,5 7 34 41 4.7 0.54

Tabel 4: algemene Acetaal opbrengst gecorrigeerd met behulp van extractie opbrengst. De opbrengsten van fenolische 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetalen) depolymerization van lignine uit verschillende bronnen, gecorrigeerd voor lignine extractie opbrengst verkregen. 1 Berekening: 100 *(lignin yield/100) * (totale Acetaal opbrengst/100). Voorwaarden: 50 mg lignine 60 wt % ethyleenglycol, 10 wt % Fe(OTf)3, oplosmiddel: 1,4-dioxaan, 140 ° C, 15 min (reactie via stap 6) & werk-up via stap 7.

Discussion

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.

Disclosures

De auteurs melden geen belangenconflict

Acknowledgments

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

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).
Extractie van lignine met een hoog gehalte van de β-O-4 door milde Ethanol extractie en het Effect daarvan op het rendement van de Depolymerization
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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