यहां, हम कई बायोमास स्रोतों से lignin के इथेनॉल निष्कर्षण प्रदर्शन करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । lignin उपज और β-O-4 सामग्री पर निष्कर्षण शर्तों के प्रभाव प्रस्तुत कर रहे हैं । चुनिंदा depolymerization उच्च सुगंधित मोनोमर उत्पादों को प्राप्त करने के लिए प्राप्त lignins पर किया जाता है ।
Lignin valorization रणनीतियों lignocellulosic बायोमास पर आधारित अधिक आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धी रिफाइनरियों को प्राप्त करने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक हैं । विशिष्ट सुगंधित उत्पादों को प्राप्त करने के लिए उभरते सुरुचिपूर्ण प्रक्रियाओं के अधिकांश lignin सब्सट्रेट देशी lignin संरचना में वर्तमान के रूप में आसानी से सट β-O-4 लिंकेज की एक उच्च सामग्री होने पर भरोसा करते हैं । यह एक मिस-विशिष्ट तकनीकी lignins है कि उच्च नीचा है और इसलिए β-O-4 लिंकेज में कम कर रहे है के साथ मैच प्रदान करता है । इसलिए, निष्कर्षण पैदावार, और प्राप्त lignin की गुणवत्ता के नए lignin valorization रास्ते का उपयोग करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हैं । इस पांडुलिपि में, एक सरल प्रोटोकॉल अपेक्षाकृत हल्के इथेनॉल निष्कर्षण कि विभिंन lignocellulose स्रोतों के लिए लागू किया जा सकता द्वारा उच्च β-O-4 सामग्री के साथ lignins प्राप्त करने के लिए प्रस्तुत किया है । इसके अलावा, lignins की गुणवत्ता निर्धारित करने के लिए विश्लेषण प्रक्रियाओं एक depolymerization प्रोटोकॉल है कि पैदावार विशिष्ट phenolic 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes, जो प्राप्त lignins का मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है के साथ प्रस्तुत कर रहे हैं । प्रस्तुत परिणाम lignin गुणवत्ता और lignins के लिए क्षमता के बीच की कड़ी को प्रदर्शित करने के लिए विशिष्ट monomeric सुगंधित रसायनों में बहुलक हो । कुल मिलाकर, निष्कर्षण और depolymerization दर्शाता है एक व्यापार बंद lignin निष्कर्षण उपज और देशी aryl-ईथर संरचना की अवधारण और इस प्रकार lignin की क्षमता के लिए रसायनों के उत्पादन के लिए सब्सट्रेट के रूप में इस्तेमाल किया जा उच्च-मान अनुप्रयोग ।
रासायनिक उद्योग के लिए टिकाऊ बनने के लिए, lignocellulosic बायोमास जैसे नवीकरणीय टाक वर्तमान प्रमुख जीवाश्म1के लिए विकल्प के रूप में इस्तेमाल किया जाना चाहिए । हालांकि, इस तरह के टाक के उपयोग को आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए, उच्च मूल्य के आवेदनों की सभी सामग्री के लिए मांग की जानी चाहिए । Lignocellulosic बायोमास के बारे में 30 wt% शामिल कर सकते है lignin है कि एक खुशबूदार बहुलक जिसके लिए वर्तमान में केवल कुछ अनुप्रयोगों के कम मूल्य ईंधन2के रूप में इसके उपयोग से परे विकसित किया गया है । इसलिए, संभावित वृद्धि-मूल्य खुशबूदार घटकों के प्रति कार्यप्रणाली प्रमुख ब्याज की है ताकि भविष्य में रिफाइनरियों की सफलता सुनिश्चित की जा सके ।
हाल के अनुसंधान के लिए सबसे प्रचुर मात्रा में β-O-4 लिंकेज के चयनात्मक दरार के लिए उपंयास के तरीके के विकास पर भारी ध्यान केंद्रित किया है (आंकड़ा 1a) lignin में विशिष्ट खुशबूदार प्राप्त करने के लिए, आमतौर पर phenolic, मोनोमर3,4 ,5,6. उदाहरण के लिए, ८० डिग्री सेल्सियस से १८० डिग्री सेल्सियस के बीच एसिड के आवेदन β-O-4 लिंकेज बनाने एल्डिहाइड और कीटोंन टुकड़े7,8से सट में बहुत प्रभावी है । हमारे समूहों और दूसरों को हाल ही में प्रदर्शित किया है कि acidolysis के तरीके के साथ संयुक्त को स्थिर और जाल प्रतिक्रियाशील टुकड़ों को विशिष्ट रासायनिक रूपांकनों9,10 के साथ phenolic मोनोमर प्राप्त करने के लिए अत्यंत शक्तिशाली है , 11 , 12. इनमें से, विशेष रूप से प्रतिक्रियाशील aldehydes के acetal फँसाना शराब के साथ phenolic प्राप्त करने के लिए 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes (acetals) अपने रिश्तेदार सरल आवेदन और अत्यधिक कार्यात्मक प्रकृति की अवधारण के कारण शक्तिशाली साबित के lignin मोनोमर (चित्रा 1b)13,14। ये acetals एक ऐसे अनुपात में depolymerization से प्राप्त होते हैं जो माता-पिता के lignin टाक में मौजूद एच, जी और एस मोनोमर के वितरण से संबंधित होते हैं.
एसिड catalyzed depolymerization, विकसित सबसे सुरुचिपूर्ण तरीकों में से कई की तरह, अपेक्षाकृत हल्के होते है और मजबूत सी-सी बांड कि lignin15में होते है सट नहीं है । हालांकि, सी-सी बांड विशेष रूप से प्रचुर मात्रा में हो जाते है जब कठोर lignocellulose अंश शर्तों को कमजोर सी-ओ बांड16,17के क्लीवेज से जारी प्रतिक्रियाशील अंशों के संघनित्र के कारण लागू किया जाता है । बायोमास प्रोसेसिंग विधि से β-o-4 सामग्री का नुकसान स्पष्ट रूप से तकनीकी lignins की एक श्रृंखला के विश्लेषण द्वारा प्रदर्शित किया जाता है, जो केवल १०० खुशबूदार इकाइयों के प्रति 6 β-O-4 लिंकेज को बनाए रखने के लिए दिखाए गए थे18, जबकि lignocellulose में इन नंबरों रेंज 16स्रोत के आधार पर १०० सुगंधित इकाइयों के ४५ से ९० लिंकेज प्रति । मामूली निष्कर्षण शर्तों को बदल, lignins लिंकेज वितरण कि बेहतर प्राकृतिक lignin को प्रतिबिंबित के साथ प्राप्त किया जा सकता है । फिर भी, इस निष्कर्षण दक्षता और प्राप्त lignin सामग्री17की गुणवत्ता के बीच एक व्यापार बंद की मांग । यह भी lignin, जो fractionate lignin के लिए एक लोकप्रिय तरीका है की organosolv निष्कर्षण में तरजीह है । इस प्रक्रिया के कई रूपों मौजूद है, विभिंन तापमान, एसिड सामग्री, निष्कर्षण बार और सॉल्वैंट्स रोजगार के तरीकों के साथ । यहां, निष्कर्षण गंभीरता प्राप्त lignin संरचना पर सीधा प्रभाव पड़ता है और इस प्रकार आगे valorization19,20,21के लिए अपनी उपयुक्तता । उदाहरण के लिए, organosolv lignin इथेनॉल आधारित Alcell प्रक्रिया द्वारा उत्पादित, प्रदर्शन पैमाने पर 5 साल के लिए संचालित, β-O-4 लिंकेज के अपेक्षाकृत कम राशि के रूप में यह अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर संचालित किया गया कुशल delignification में सुनिश्चित करने के लिए छोड़ा था इथेनॉल उत्पादन के लिए उच्च गुणवत्ता कार्बोहाइड्रेट प्राप्त करने के लिए आदेश । फिर भी, इथेनॉल की तरह थोड़ा पर्यावरणीय प्रभाव के साथ आधारित सॉल्वैंट्स पसंद कर रहे है और इस तरह निष्कर्षण तरीकों कि उच्च मूल्य के lignins में परिणाम ब्याज की हैं । मादक सॉल्वैंट्स निष्कर्षण माध्यम वे भी lignin संरचना में शामिल किया जा रहा है के अलावा के रूप में विशेष रुचि के हैं, उदाहरण के लिए, β’-O-4 (आंकड़ा 1a)22, जो आंशिक रूप से “सुरक्षा” अवांछित से संरचना दरार. एक उपयुक्त विधि एक उच्च β-O-4 सामग्री के साथ और उच्च मान फाइबर का उपयोग करने के लिए lignin के शेष को निकालने के लिए एक क्रमिक चरण में lignin प्राप्त करने के लिए संभवतः पहले हो जाएगा ।
इस पांडुलिपि में, हम हल्के इथेनॉल निष्कर्षण द्वारा उच्च β-O-4 lignin के निष्कर्षण के लिए एक सीधे आगे और उच्च reproducible प्रक्रिया का वर्णन । बायोमास स्रोत पर निर्भर करता है, यह अपेक्षाकृत उच्च निष्कर्षण दक्षता और उपज के लिए नेतृत्व कर सकते हैं । प्राप्त lignin के लक्षण वर्णन के लिए प्रक्रियाओं के रूप में अच्छी तरह के रूप में प्रदान की जाती है कैसे “को बचाने के लिए” etherified β’-O-420। साथ ही, एक आकलन प्रक्रिया इन lignins की क्षमता के लिए प्रस्तुत किया जाता है जो β-O-4 लिंकेज के चयनात्मक दरार पर निर्भर चयनात्मक depolymerization प्रक्रियाओं में । इस आकलन लौह (III) triflate catalyzed depolymerization ईथीलीन ग्लाइकोल की उपस्थिति में phenolic 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes23 जो lignin सामग्री में β-O-4 सामग्री के बीच की कड़ी को दर्शाता है प्राप्त करने के लिए का उपयोग किया जाता है और मोनोमर पैदावार21। परिणाम उच्च lignin निष्कर्षण दक्षता और प्राप्त lignin की क्षमता के बीच संतुलन दिखाने के लिए विशिष्ट खुशबूदार मोनोमर को बहुलक ।
विभिन्न परिस्थितियों में और विभिन्न बायोमास स्रोतों से निकालने के परिणाम से पता चलता है कि कैसे β-O-4 लिंकेज की एक अपेक्षाकृत उच्च सामग्री के साथ lignin निष्कर्षण के लिए इष्टतम शर्तों स्रोत के आधार पर भिन्न हो सकते हैं । उदाहरण के लिए, कठोर शर्तों पर अखरोट निष्कर्षण (विधि बी) β-o-4 इकाइयों की मात्रा के एक निकट प्रतिधारण के साथ उपज में तीन गुना वृद्धि प्रदान करता है, जबकि बीच और देवदार उपज बढ़ जाती है लेकिन β-o-4 की मात्रा में एक महत्वपूर्ण गिरावट के साथ है के लिए जबकि इकाइयों. दूसरी ओर, पाइन के लिए, कठोर निष्कर्षण शर्तों उपज में बहुत कम लाभ प्रदान करते है और यह भी β-O-4 इकाइयों की एक बहुत कम राशि के साथ एक lignin के लिए सीसा । इसका मतलब यह है कि आम तौर पर अनुकूलन के कुछ फार्म प्राप्त lignin सामग्री में β-O-4 इकाइयों की मात्रा की अवधारण के रूप में lignin उपज और गुणवत्ता के बीच सही संतुलन प्राप्त करने के लिए शामिल किया जाना है ।
कठोर निष्कर्षण शर्तों से प्राप्त lignin सामग्री के एमडब्ल्यू में बड़ी वृद्धि दर्शाता है कि इन शर्तों के तहत बड़ा टुकड़े निकाले जा सकते है उच्च पैदावार प्रदान करते हैं । हालांकि, इन स्थितियों में, अतिरिक्त विखंडन होता है, अतिरिक्त कम आणविक भार सामग्री प्रदान करने और इस प्रकार polydispersity के रूप में स्पष्ट रूप से अखरोट के GPC रेखांकन में देखा जा सकता है (चित्रा 5 ए) और देवदार (चित्रा 5d) में संकेत के रूप में ~ ५०० डा.
HSQC एनएमआर विभिंन lignins की गुणवत्ता पर तुलनात्मक डेटा प्रदान करने के लिए एक महत्वपूर्ण जानकारीपूर्ण उपकरण है । यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इस प्रक्रिया में एक मानक HSQC प्रयोग किया जाता है, यह तुलनात्मक डेटा प्राप्त करने के लिए महान है, लेकिन जरूरी मात्रात्मक विश्राम के समय में मतभेदों के कारण नहीं है । 1 तालिका में कुछ lignins के लिए प्रदर्शित लिंकेज की उच्च मात्रा का अनुमान लगाया जाता है । मात्रात्मक HSQC प्रयोगों बेहतर परिणाम प्रदान करते हैं, लेकिन काफी अधिक एनएमआर समय लागत, हालांकि विकल्प29मौजूद. हमारे अनुभव में, तालिका 1 में संख्या १०० खुशबूदार इकाइयों प्रति β-O-4 इकाइयों की वास्तविक राशि को बेहतर प्रतिबिंबित करने के लिए एक १.३ के एक कारक द्वारा विभाजित किया जाना चाहिए ।
जैसा कि पहले उल्लेख किया है, रिपोर्ट परिणाम कैसे इष्टतम स्थितियों खोजने के स्रोत के आधार पर अधिकतम मोनोमर पैदावार प्राप्त करने के लिए भिंन हो सकते है बिंदु । उदाहरण के लिए, जब अखरोट शुरू सामग्री के रूप में प्रयोग किया जाता है, समग्र कुल acetals उपज दो बार के आसपास बढ़ जाती है अगर कठोर शर्तों (विधि बी) lignin निष्कर्षण के लिए कार्यरत हैं । हालांकि, यह मुख्य रूप से lignin निष्कर्षण उपज में महान अंतर के कारण है, β-O-4 सामग्री को प्रभावित किए बिना । अलग, जब पाइन मामूली निष्कर्षण शर्तों (विधि एक) बेहतर कर रहे है प्रयोग किया जाता है । वास्तव में, दो मामलों में बहुत समान पैदावार में lignin निष्कर्षण परिणाम, लेकिन कठोर शर्तों β-o-4 इकाइयों में एक बूंद के कारण (विशेष रूप से गैर etherified β-o-4 लिंकेज) जो इस तरह के एक कम मोनोमर उपज के लिए कारण हो सकता है, के रूप में पिछले पैराग्राफ में संकेत दिया । गैर etherified β-O-4 लिंकेज का एक महत्वपूर्ण नुकसान के रूप में अच्छी तरह से बीच और देवदार के मामलों में देखा जा सकता है अगर शर्तों (विधि बी) निष्कर्षण जो संभवतः एक कम मोनोमर उपज की ओर जाता है के लिए लागू कर रहे हैं । हालांकि, समग्र acetal उपज है कि बहुत निष्कर्षण शर्तों के आधार पर अलग नहीं है । वास्तव में, एक लगभग दो lignin निष्कर्षण उपज में वृद्धि गुना दोनों बायोमास स्रोतों से बी जो मोटे तौर पर दो मोनोमर उपज में कमी गुना के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए तरीकों से स्विचन सूत्रों के लिए मनाया जाता है ।
The authors have nothing to disclose.
काम यूरोपीय संघ द्वारा वित्त पोषित किया गया (मैरी क्यूरी ITN ‘ SuBiCat ‘ PITN-GA-2013-607044, PJD, केबी और JGdV), यूरोपीय अनुसंधान परिषद से वित्तीय सहायता के अलावा, ईआरसी शुरू अनुदान २०१५ (CatASus) ६३८०७६ (विज्ञापन और केबी) और अनुसंधान कार्यक्रम प्रतिभा परियोजना संख्या 723.015.005 (केबी) के साथ योजना (विडि), जो आंशिक रूप से नीदरलैंड के लिए वैज्ञानिक अनुसंधान संगठन (NWO) द्वारा वित्त पोषित है ।
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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