Nous présentons ici un protocole pour effectuer l’extraction de l’éthanol de la lignine provenant de plusieurs sources de biomasse. L’effet des conditions d’extraction sur le rendement de la lignine et de la teneur en β-O-4 sont présentés. Dépolymérisation sélective est effectuée sur lignines obtenus pour obtenir des produits de haute monomères aromatiques.
Stratégies de valorisation de la lignine sont un facteur clé pour la réalisation des bioraffineries plus économiquement compétitives basées sur la biomasse lignocellulosique. La plupart des procédures élégants émergents afin d’obtenir des produits aromatiques spécifiques s’appuient sur le substrat de la lignine, ayant une teneur élevée de la liaison β-O-4 facilement clivables comme présent dans la structure native de la lignine. Ceci fournit une miss-match avec les lignines techniques typiques qui sont fortement dégradées et par conséquent sont faibles dans les liaisons β-O-4. Par conséquent, les rendements d’extraction et de la qualité de la lignine obtenue sont de plus grande importance pour accéder aux nouvelles voies de valorisation de la lignine. Dans ce manuscrit, un protocole simple est présenté afin d’obtenir des lignines à forte teneur en β-O-4 par extraction d’éthanol bénins qui peut s’appliquer à des sources différentes de lignocellulose. En outre, des procédures d’analyse pour déterminer la qualité des lignines sont présentés ainsi qu’un protocole de dépolymérisation qui produit spécifique phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolanes, qui peut être utilisé pour évaluer les lignines obtenus. Les résultats présentés montrent le lien entre la qualité de la lignine et de potentiel de lignines à être dépolymérisé en produits chimiques aromatiques spécifiques de monomères. Dans l’ensemble, l’extraction et la dépolymérisation montre un compromis entre le rendement d’extraction de la lignine et de la conservation de la structure native aryl-éther et donc le potentiel de la lignine pour être utilisé comme substrat pour la production de produits chimiques pour applications à valeur ajoutée.
Pour l’industrie chimique devenir durable, des matières premières renouvelables comme la biomasse lignocellulosique doivent servir comme alternative au courant dominant fossiles ceux1. Cependant, pour rendre l’utilisation de ces matières premières économiquement viable, les applications à haute valeur doivent être recherchées pour tout son contenu. La biomasse lignocellulosique peut contenir environ 30 % en poids de la lignine qui est un biopolymère aromatique pour lequel actuellement seulement quelques applications ont été développées au-delà de son utilisation comme carburant de faible valeur2. Par conséquent, la méthodologie vers valeur potentiellement accru de composés aromatiques est d’un intérêt majeur pour assurer le succès des futures bioraffineries.
Des recherches récentes a concentré sur le développement de nouvelles méthodes pour le clivage sélectif de la tringlerie de la β-O-4 plus abondant (Figure 1 a) la lignine pour obtenir spécifiques monomères aromatiques et généralement phénolique,3,4 ,5,6. Par exemple, l’application d’acides entre 80 ° C à 180 ° C est très efficace en clivant la liaison β-O-4 formant aldéhyde et cétone fragments7,8. Nos groupes et autres ont récemment démontré qu’acidolysis combinée avec les méthodologies pour stabiliser et fragments réactive de piège est extrêmement puissant pour obtenir des monomères phénoliques avec motifs chimiques spécifiques9,10 , 11 , 12. parmi eux, en particulier piégeage d’acétal d’aldéhydes réactives avec les alcools pour obtenir phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolannes (acétals) s’est avéré puissant en raison de sa relative application simple et la conservation de la nature hautement fonctionnalisée la lignine monomères (Figure 1 b)13,14. Ces acétals sont obtenus à partir de la dépolymérisation dans un rapport qui a trait à la distribution de la H, G et S monomères présent dans la matière première la lignine parent.
L’acide catalyse dépolymérisation, comme bon nombre des méthodologies plus élégants développé, sont relativement bénins et clivent pas des liaisons C-C plus fortes qui se produisent dans la lignine15. Cependant, les liaisons C-C deviennent particulièrement abondants lorsque les conditions de fractionnement de lignocellulose sévères sont appliquées en raison de la condensation de réactifs fragments libérés par le clivage de plus faible C-O obligations16,17. La perte de la teneur en β-O-4 de la méthode de transformation de la biomasse est clairement démontrée par l’analyse d’un éventail de techniques lignines, lesquelles se sont seulement conserver jusqu’à 6 liaisons β-O-4 par 100 unités aromatiques18, tandis qu’en lignocellulose ces numéros vont de 45 à 90 liens par 100 unités aromatiques en fonction de la source16. S’agissant des conditions d’extraction plus clémentes, les lignines peuvent être obtenues avec les distributions de liaison qui reflètent mieux la lignine naturelle. Néanmoins, cela exige un compromis entre l’efficacité de l’extraction et la qualité de la matière lignine obtenu17. C’est également prioritaire organosolv d’extraction de la lignine, qui est une méthode populaire de fractionner la lignine. Nombreuses variantes de ce existent de processus, avec les méthodes employant différentes températures, acidité, temps d’extraction et des solvants. Ici, la gravité de l’extraction a un impact direct sur la structure de la lignine obtenue et donc qu’il est encore valorisation19,20,21. Par exemple, lignine organosolv produite par le processus Alcell éthanol basé, exploité depuis 5 ans à l’échelle de la manifestation, avait un montant relativement faible des liaisons β-O-4 gauche comme il a été opéré à une température relativement élevée pour assurer la délignification efficace dans afin d’obtenir des glucides de haute qualité pour la production de bioéthanol. Néanmoins, biobased solvants avec peu d’impact environnemental comme l’éthanol sont préférés et donc les méthodes d’extraction qui entraînent les lignines de valeur supérieure présentent un intérêt. Solvants alcooliques sont particulièrement intéressantes car en plus d’être le moyen d’extraction elles intègrent aussi dans la structure de la lignine, par exemple, β’ – O – 4 (Figure 1 a)22, qui « protège » en partie la structure des indésirables clivage. Une méthode appropriée serait potentiellement tout d’abord d’obtenir la lignine à forte teneur en β-O-4 et dans un temps séquentiel pour enlever le reste de la lignine pour accéder aux cellulose de grande valeur.
Dans ce manuscrit, nous décrivons une procédure simple et hautement reproductible pour l’extraction de la lignine de β-O-4 haute par extraction à l’éthanol doux. Selon la source de biomasse, ceci peut conduire à l’efficacité d’extraction relativement élevé et rendement. Procédures pour la caractérisation de la lignine obtenue sont prévues et les moyens de « déprotéger » éthérifié β’ – O – 420. Par ailleurs, une procédure d’évaluation est présentée pour le potentiel de ces lignines dans les procédures de dépolymérisation sélective qui s’appuient sur un clivage sélectif des liens β-O-4. Cette évaluation est effectuée en utilisant la dépolymérisation catalysée triflate de fer (iii) en présence de l’éthylène glycol pour obtenir phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolannes23 qui montre le lien entre la teneur en β-O-4 dans le matériau de la lignine et le monomère produit21. Les résultats montrent l’équilibre entre l’efficacité d’extraction lignine élevée et le potentiel de la lignine obtenu d’être dépolymérisée aux monomères aromatiques spécifiques.
Les résultats proviennent les extractions à des conditions différentes et de sources de biomasse différents révèlent comment les conditions optimales pour l’extraction de la lignine avec une teneur relativement élevée des liaisons β-O-4 peuvent varier selon les sources. Par exemple, extraction de noyer à des conditions plus rudes (méthode B) fournit un triplé du rendement avec une rétention proche de la quantité d’unités β-O-4, tandis que pour le hêtre et le cèdre, le rendement augmente mais est accompagnée d’une baisse importante de la quantité de β-O-4 unités. En revanche, pour le pin, les plus sévères conditions d’extraction fournissent très peu d’avantages en rendement et aussi conduisent à une lignine avec une très faible quantité d’unités β-O-4. Cela signifie que généralement une forme quelconque d’optimisation doit être impliqué pour obtenir le juste équilibre entre le rendement de lignine et de la qualité sous la forme de conservation de la quantité d’unités β-O-4 dans le matériau obtenu la lignine.
La forte augmentation dans le Mw du matériau obtenu à partir des conditions plus rudes d’extraction lignine montre que dans ces conditions plus grands fragments peuvent être extraites offrant des rendements plus élevés. Cependant, dans ces conditions, fragmentation supplémentaire se produit, fournissant le matériel additionnel à poids moléculaire plus faible et en augmentant la polydispersité comme ressort clairement dans les graphiques GPC de noyer (Figure 5 a) et de cèdre (Figure 5D) dans la forme du signal à ~ 500 Da.
HSQC RMN est un outil informatif important de fournir des données comparatives sur la qualité des lignines différents. Il est à noter que dans cette procédure qu’une expérience HSQC standard est effectuée, c’est génial pour l’obtention de données comparatives mais n’est pas nécessairement quantitative en raison des différences dans les temps de relaxation. La grande quantité de liens affichés pour certains lignines dans le tableau 1 sont surestimées. Quantitatives HSQC expériences offrent de meilleurs résultats mais coûtent nettement plus de temps NMR, bien que des alternatives existent29. Dans notre expérience, les nombres dans le tableau 1 doivent être divisées par un facteur d’un 1.3 afin de mieux refléter le montant réel des β-O-4 unités par 100 unités aromatiques.
Tel que mentionné précédemment, les résultats soulignent comment trouver les conditions optimales peut varier selon les sources afin d’obtenir le rendement maximal de monomère. Par exemple, lors de noix est utilisé comme produit de départ, les acétals totales donnent des augmentations environ deux fois si des conditions plus rudes (méthode B) sont employées pour l’extraction de la lignine. Cependant, c’est principalement en raison de la grande différence de rendement d’extraction de la lignine, sans affecter la teneur en β-O-4. Autrement, lorsque pin sert plus douces conditions d’extraction (méthode A) sont préférables. En fait, résultats d’extraction lignine avec des rendements très similaire dans les deux cas, mais des conditions plus rudes causent une baisse en β-O-4 unités (surtout non-éthérifiés β-O-4 liens) qui peuvent être la raison de tel un rendement faible monomère, comme il est indiqué dans le paragraphe précédent. Une perte importante de non-éthérifiés des liaisons β-O-4 peut être observée aussi bien dans les cas de hêtre et de cèdre si les conditions (méthode B) sont appliquées pour l’extraction, ce qui conduit éventuellement à un rendement inférieur des monomères. Toutefois, le rendement global d’acétal ne diffère pas tant que ça selon les conditions d’extraction. En effet, une augmentation d’environ deux fois avec un rendement d’extraction lignine est observée pour les deux sources de biomasse, commutation de méthodes de A à B qui compense la diminution d’environ deux fois avec un rendement de monomère.
The authors have nothing to disclose.
Le travaux ont été financés par l’Union européenne (Marie Curie ITN « SuBiCat » PITN-GA-2013-607044, PJD, Ko et JGdV), en plus de soutien financier de l’European Research Council, ERC commençant Grant 2015 (CatASus) 638076 (annonces et KB) et le programme de recherche talents Régime (Vidi) avec le numéro du projet 723.015.005 (KB), qui est financé en partie par l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (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 | |||
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