Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Fraksjonering av lignocellulosisk biomasse ved hjelp av OrganoCat-prosessen

Published: June 5, 2021 doi: 10.3791/61933
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Institut für Bio- und Geowissenschaften, Pflanzenwissenschaften (IBG-2), Forschungszentrum Jülich

Summary

OrganoCat er en metode for forbehandling og fraksjonering av lignocellulose under milde forhold i lignin, gjærbare sukkerarter og cellulosemasse. I et biogent, bifasisk løsningsmiddelsystem av vann og 2-metyltetrahydrofuran med 2,5-furankarboksylsyre som katalysator, er OrganoCat-produktene separert in situ for enkel produktgjenvinning.

Abstract

Overgangen fra en petroleumsbasert til en mer bærekraftig og biobasert økonomi krever utvikling av nye raffinerikonsepter for å opprettholde tilgangen på råvarer og energi. For disse nye og bærekraftige biorefinery konseptene er det viktig å bruke katalysatorer og løsningsmidler som er i tråd med prinsippene i grønn kjemi. Derfor kan implementering av biogene alternativer være en lovende løsning. Lignocellulose forbehandling og fraksjoneringsprosessen presentert heri-OrganoCat-er en integrert fraksjonering av lignocellulose i hovedkomponentene ved hjelp av biogene syrer som 2,5-furandicarboksylsyre som katalysator. Hemicelluloses og andre ikke-cellulose polysakkarider depolymeriseres selektivt av den fortynnede syren og oppløses, mens den krystallinske cellulosen forblir i den faste massen. I nærvær av en annen organisk fase bestående av biogen 2-metyltetrahydrofuran, blir disentangled lignin ekstrahert in situ. Prosessen muliggjør effektiv fraksjonering av de tre hovedkomponentene-lignin, cellulose og ikke-cellulosiske sukkerarter. Dette bidrar til å fokusere på kvaliteten på lignin, forbedring av enzymatisk hydrolyse av celluloseberiket masse, og den milde ikke-cellulosiske sukkerutvinningen med lav nedbrytning.

Introduction

Bruken av fossile ressurser har ført til store teknologiske fremskritt ettersom de danner grunnlaget for mange produkter som er avgjørende for hverdagen. Begrensningen av ressurser som olje og gass på jorden og miljøskadene knyttet til utnyttelsen skaper imidlertid et presserende behov for alternativer. Lignocellulosic biomasse er en lovende kilde for karbonbaserte kjemikalier, da det er fornybart, allsidig og karbonnøytralt1. Lignocellulose består i utgangspunktet av tre hovedfraksjoner å benytte seg av: hemicelluloses, cellulose og lignin. Den industrielle behandlingen har en lang historie. Etablerte og utbredte prosesser, som sulfitt- og Kraft-prosessene fra papirindustrien, fokuserer imidlertid hovedsakelig på cellulose for utnyttelse i papirmasse- og papirindustrien2. En full valorisering av alle tre lignocellulosiske fraksjoner er nødvendig for å gjøre lignocellulosebehandling mot kjemikalier mer lønnsomt fra økonomiske og miljømessige perspektiver.

I mange lignocellulose valoriseringsstrategier er lignin bare et biprodukt som ofte brennes for energigjenvinning. For tiden brukes bare 1-2% av den industrielt produserte lignin til å produsere verdiskapende produkter som betongtilsetninger, overflateaktive stoffer og vanillin3. Likevel er det den største fornybare kilden til aromatikk og har derfor lovende egenskaper for påføring som grunnlag for polymerer4, karbonfibre5og drivstoff2. Utfordringene i tapperheten av lignin ligger i sin komplekse struktur og mangfold, avhengig av kildematerialet og utvinningsforholdene. Videre, på grunn av deres prosessforhold, leverer de mest utbredte lignocellulosefraksjoneringsprosessene sulfonert lignin med et høyt antall C-C-koblinger mellom monomerenhetene. Derfor er kommersielt tilgjengelig lignin utfordrende å depolymerisere.

En rekke forskjellige tilnærminger, som fokuserer på den helhetlige utnyttelsen av alle tre fraksjonene, er utviklet for lignocellulosefraksjonering. De fleste prosesser er avhengige av hydrolyse av hemicellulose, enten med fortynnede syrer og baser eller ved å bruke autoprotolysen av vann ved forhøyede temperaturer. Som et av de mest utforskede alternativene bruker organosolvprosesser lavkokende organiske løsningsmidler, vanligvis i kombinasjon med vann. Kjente varianter av denne prosessen inkluderer Alcell-prosessen, som bruker 50% etanol, og Organocell-prosessen, som bruker metanol i det første trinnet og legger til NaOH i det andre trinnet. Acid organosolv prosesser som bruker maursyre eller eddiksyre er også beskrevet2. På grunn av det nylige fokuset på tapperhet av lignin som et stort biorefineryprodukt, har nye tilnærminger blitt utviklet, som kombinerer ligninutvinning med etterfølgende eller integrerte konverteringstrinn for å gi mindre ligninforbindelser og mer stabile og verdifulle produkter6,7,8.

OrganoCat lignocellulose fraksjoneringsprosess (OrganoCat) er basert på et tofaset vannsystem og 2-metyltetrahydrofuran (2-MTHF)9. I tillegg brukes en resirkulerbar organisk syre som katalysator, som selektivt hydrolyserer hemicelluloses ved milde temperaturer. Alle prosesskjemikalier kan produseres på en relativt billig og biogen måte, noe som reduserer miljøpåvirkningen av prosessen i samsvar med prinsippene i Grønn kjemi10. Prosessen leverer tre separate produktstrømmer med lignin i organisk fase, depolymerisert hemicellulose sukker i vandig fase, og cellulose-beriket masse som en solid rest. Ettersom produktstrømmene lett kan separeres, kan nedstrømstrinn, energibehov og materialkostnader reduseres betydelig sammenlignet med for eksempel monofasiske tilnærminger. lignin har en relativt lav molekylvekt og et høyt antall β-O-4 koblinger11. Depolymeriserte hemicellulose sukkerarter kan brukes til gjæring eller konvertering til fine kjemikalier12. Cellulosemassen er svært tilgjengelig for enzymatisk depolymerisering9.

Den opprinnelige OrganoCat-prosessen bruker oksalsyre som katalysator for å fraksjonere lignocellulose. Oksalsyre kan deretter gjenvinnes ved krystallisering9. Dette øker imidlertid prosesskostnadene for kjøling av reaksjonen og delvis fordampning av vann. Den delvise nedbrytningen av oksalsyre ville redusere inntektene ytterligere13. Av denne grunn ble OrganoCat-prosessen forbedret ved å introdusere 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) som katalysator11. FDCA er ikke bare tilstrekkelig sur til å katalysere reaksjonen, men kan også avledes fra glukose via dehydrering til 5-hydroksymetylfurfural og påfølgende oksidasjon med metallbaserte katalysatorer eller biokatalysatorer14,15,16,17. Selv om surheten til FDCA er litt lavere, har den en høyere termisk stabilitet enn oksalsyre. FDCA har lav løselighet i vann ved romtemperatur, noe som gjør det mulig å gjenopprette seg fra vandig fase etter reaksjonen.

En oppskalering av OrganoCat-prosessen ble vellykket utviklet til en 3 L-reaktor18. Ytterligere studier på OrganoCat lignin fant at antisolvent nedbør med n-heksan eller n-pentan tillater en energieffektiv lignin utvinning19. Det var mulig å få ligninfraksjoner med forskjellige molekylvekter20. Dette dokumentet presenterer den fullstendige forberedende metoden for en skalerbar, ett-trinns fraksjoneringsprosess av lignocellulosisk biomasse ved hjelp av FDCA som katalysator. Denne prosessen gir ekstrahert lignin, depolymeriserte hemicelluloser og cellulosemasse i tre lett separerbare produktstrømmer.

Protocol

MERK: Prosessen kan settes på pause når som helst ved å la prøvene stå ved romtemperatur (i noen dager) eller i kjøleskapet (i lengre perioder). Se materiallisten hvis du vil ha mer informasjon om materialene som brukes i denne protokollen.

1. Bøk tre partikler

  1. Generer ønsket partikkelstørrelse på bøk (Fagus sp.) ved hjelp av en skjæremølle med en 10 mm sikt, og tørk partiklene ved 50 °C til konstant masse (~ 24 timer), og la et gjenværende fuktighetsinnhold på ~ 10% vann.

2. Lignocellulosisk fraksjonering og workup

  1. Lignocellulose forbehandling og fraksjonering
    1. Suspender 500 mg bøk (Fagus sp.) partikler og 78,0 mg (0,5 mmol, 0,1 M) FDCA i 5 ml ultrarent vann ved romtemperatur i en 25 ml rustfritt stål høytrykksreaktor. Tilsett 5 ml 2 MTHF og en rørestang til fjæringen, og lukk reaktoren. Varm reaktoren til 160 °C på en varmeplate med en rørehastighet på 1500 o/min i 1 time.
    2. La reaksjonen avkjøles til romtemperatur i isvann over en periode på ~ 10 min. Åpne reaktoren, tilsett 52,5 μL NaOH-oppløsning (50 wt% NaOH i destillert vann), og rør i 15 min ved romtemperatur og 500 o/min på en røreplate.
  2. Isolering av organisk fase og lignin-kvantifisering
    1. Sentrifuger blandingen (romtemperatur, 5 min, 1880 × g). Bruk en pipette til å overføre den organiske fasen (2-MTHF) til en 50 ml rundbunnsflaske.
    2. Fordamp den organiske fasen i en roterende fordamper (40 °C, 200 o/min, 180 mbar) til en fast og tørr ligninfraksjon oppnås. Bestem ligninutbyttet ved å veie med en analytisk balanse. Oppbevar den faste lignin ved romtemperatur for videre analyse.
  3. Separasjon av fast celluloseberiket masse og vandig fase
    1. Filtrer den vandige fasen ved hjelp av et cellulosefilterpapir (17-30 μm porestørrelse) i en trakt for å isolere den celluloseberikede massen, og overfør den vandige fasen til et 5 ml hetteglass. Vask massen til nøytral pH med 3 x 25 ml vann, og oppbevar vaskeløsningen separat i et 100 ml beger. Tørk massen ved 80 °C til konstant masse (~24 h).
    2. Bestem det tørkede masseutbyttet ved å veie med en analytisk balanse.
  4. FDCA-gjenvinning og isolering av vandig fase
    1. Juster pH i vandig fase og vaskeløsningen fra trinn 2.3 separat under konstant omrøring til pH 1 ved hjelp av konsentrert HCl mens du kjøler løsningen i et isbad. Kontroller pH ved hjelp av universelt indikatorpapir.
    2. Filtrer det utfelte faste (FDCA) fra begge løsningene, kombiner rester og tørk ved 80 °C til konstant masse (~24 h). Kast vaskene. Bestem FDCA-utbyttet ved å veie med en analytisk balanse.
    3. Overfør den vandige fasen til en 25 ml kolbe, og oppbevar den ved 4 °C for analyse.
  5. Prøvepreparering for furfural kvantifisering
    1. Utfør et eget eksperiment for å bestemme mengden furfural. Gjenta trinn 2.1.1-2.2.1.
    2. Tilsett 40 mg n-dekan som en intern standard til den oppsamlede organiske løsningsmiddelfraksjonen, og lagre for analyse.

3. Analyse

  1. Analyse av sukker i vandig fase ved høyytelses anionutvekslingskromatografi med pulserende amperometrisk deteksjon (HPAEC-PAD)
    1. Fortynn 10 μL av den vandige fasen samlet i trinn 2.4.3 med 190 μL destillert vann. Tilsett 10 μL 2 mM 2-deoksy-D-glukose til den fortynnede prøven.
    2. Utfør separasjon av monosakkarider på en monosakkaridseparatorkolonne med en strømningshastighet på 0,5 ml∙min-1, og injiser prøven etter likevekt med 2 mM NaOH i 10 minutter. Skill de nøytrale sukkerene med 2 mM NaOH over 18 min. Deretter bruker du 550 mM NaOH i 10 minutter for å skille uronsyrene. Skyll søylen med 800 mM NaOH i 10 min.
      MERK: Programvaren normaliserer mengden monosakkarider til mengden av den interne standarden og kvantifiserer dem ved hjelp av standard kalibreringskurver av de forskjellige monosakkaridene.
  2. Lignin analyse via 1H-13C heteronukleær enkelt kvantekorrelasjon kjernemagnetisk resonans (1H-13C-HSQC NMR)
    1. Løs opp ~50 mg lignin i 0,5 ml deutert dimetylsulfoksid ([d6] DMSO), og overfør blandingen til et NMR-rør. Utfør 1H-13C HSQC (måletid 220 min) NMR-målinger ved hjelp av et spektrometer på 400 MHz.
    2. Bestem hvilke typer koblinger som finnes i lignin ved hjelp av spekteret.
      1. Se det kjemiske skiftet av spekteret til DMSO-signalet (δ(1H) = 2.500 ppm; δ(13C) = 39.52 ppm).
      2. Utfør en manuell fasekorrigering på begge aksene til alle signalene er positive, og utfør deretter en grunnlinjekorrigering.
      3. Integrer signalene til de aromatiske enhetene og lignins koblinger; se tabell 1 for de kjemiske skiftene.
    3. Beregn summen av aromatiske enheter (arom.) ved hjelp av følgende formel:
      Σ(arom.) = (S2,6 / 2) + ((G2 + G5) / 2) + (H2,6 / 2) (1)
      Med Si være integrert over signalet som tilsvarer 2 og 6 syringyl protoner, Gjeg er integralene over signalene som tilsvarer 2 og 5 guaiacyl protoner, og Hjeg er integrert over signalet som tilsvarer 2 og 6 p-hydroksyfenyl protoner.
    4. Beregn prosentandelen av hver enhet ved hjelp av følgende formler:
      S = (S2,6/ 2) / Σ(arom.) × 100% (2)
      G = ((G2 + G5) / 2) / Σ(arom.) × 100% (3)
      H = (H2,6 / 2) / Σ(arom.) × 100% (4)
      Med S, G og H er prosentandelene av respektive monomerer-syringyl- (S), guaiacyl- (G) og p-hydroksyfenyl (H)-monomerenheter per 100 monomerenheter.
    5. Beregn antall koblinger per 100 enheter ved hjelp av følgende formler:
      β-O-4 koblinger = α β-O-4 / Σ (arom.) × 100% (5)
      koblinger = (α β-β + β β-β + γ β-β) / Σ(arom.) × 100% (6)
      koblinger = (α β-5 + β β-5 + γ β-5) / Σ(arom.) × 100% (7)
      Med α, β og γ å være integrert over signalet som tilsvarer α-, β- og γ-protonsignalene til de tilsvarende β-O-4-, β-β- og β-5-koblingene.
      MERK: Koblinger er gitt som kobling per 100 monomerenheter. På grunn av overlapping av topper beregnes β-O-4 bare ved hjelp av α protonsignal. β-β og β-5 koblinger beregnes ved hjelp av alle signaler om den tilsvarende koblingen.
  3. Analyse av gelpermeasjonskromatografi (GPC)
    1. Løs opp 10 mg tørket lignin og 1 mg glukose (som intern standard) i 1 ml av en 0,1 M NaOH og 0,01 wt% NaN3 vandig oppløsning i et 1,5 ml gasskromatografi (GC)-hetteglass. Lukk GC-hetteglasset med en hette med septum.
    2. Injiser 100 μL av prøven i et hplc-system (high-performance liquid chromatography) utstyrt med en ultrafiolett detektor og overvåking av en bølgelengde på λ = 280 nm. Bruk et system som består av et precolumn programmert temperatur splitt / splitless injektorsystem med polar silika (8 mm x 50 mm) og tre gelkolonner (8 mm x 300 mm, partikkeldiameter: 5 μm, nominell porebredde: 1000 Å) med en strømningshastighet på 1 ml min-1. Referer de oppnådde dataene til signalet fra den interne standarden (glukose). Beregn massedistribusjonen ved hjelp av programvaren, referert til en ekstern kalibrering med poly (styren sulfonat) i et område fra 266 til 65000 Da.
  4. Furfural kvantifisering via GC
    1. Tilsett 20 mg n-dekan som intern standard i den organiske fasen av OrganoCat-forbehandlingen. Overfør 1 ml av den organiske fasen til et 1,5 ml GC-hetteglass.
    2. Injiser 1 μL av denne løsningen i en gasskromatograf ved hjelp av en 30 m kolonne med en polar polyuretan glykol stasjonær fase og helium som bærergass med en strømningshastighet på 1,5 ml min-1 og en flammeioniseringsdetektor. Still inn starttemperaturen til 50 °C, hev deretter med 8 °C min-1 til 250 °C og hold den ved 250 °C i 5 minutter.
    3. Kvantifisere furfural ved hjelp av integralene (Int) gitt av programvaren og en eksternt beregnet korreksjonsfaktor (jf).
      1. Forbered en prøve på 1 mg furfural og 5 mg n-dekani 1 ml 2-MTHF, og injiser den i GC ved hjelp av den nevnte prosedyren. Beregn korreksjonsfaktoren på følgende måte:
        cf = (Int(n-decane) / m(n-decane)) / (Int(furfural) / Int(furfural)) (8)
      2. Bruk korreksjonsfaktoren til å beregne mengden furfural i den ukjente prøven med følgende formel:
        m(furfural) = m(n-dekanter) / Int(n-dekanter) × jf × Int(furfural) (9)
  5. Cellulose-beriket massehydrolyse
    1. Utfør massehydrolyse av celluloseberikede rester hentet fra OrganoCat-forbehandling i en varmeblokk med blanding (se materialtabellen) ved hjelp av 1,5 ml hetteglass.
    2. Tilsett 20 mg celluloseberiket masse og 10 μL cellulase (60 filterpapirenheter (FPU) ml-1 og 82 cellobiaseenheter (CBU) ml-1) til 1 ml sitratbuffer (pH = 4,5) i et 1,5 ml hetteglass, og rist ved 50 °C i 0 timer, 1 t eller 72 timer. Deretter oppvarmer du prøvene til 99 °C i 10 minutter for å tette enzymene.
    3. Bestem glukosekonsentrasjonen ved hjelp av et glukoseanalysesett (hexokinase).

Representative Results

Et typisk sett med forhold for lignocelluloseforbehandlings- og fraksjoneringsprosessen OrganoCat (OrganoCat) bruker 0,1 M FDCA som katalysator, en biomassebelastning på 100 g L-1 (bøk, sammenlignet med den vandige fasen), 1 t reaksjonstid og 160 °C som reaksjonstemperatur. Sammensetningen av bøk har blitt publisert andre steder21 (~ 48% cellulose, 27% hemicellulose, 26% lignin). Figur 1 viser den ekstraherte hemicellulosehydrolysat med dette settet av forhold samt lengre reaksjonstid (3 t) og lavere temperatur (140 °C).

Bruk av strengere forhold, for eksempelhøyere temperatur og lengre reaksjonstid, kan føre til høyere ekstraksjonsutbytter, men fører også til mer nedbrytning av produktene-furfural er et nedbrytningsprodukt av xylose, mens 5-(hydroksymetyl)furfural (5-HMF) er det tilsvarende nedbrytningsproduktet av glukose. En høyere mengde furfural ble notert i produktene (fordelt mellom vandige og organiske faser) med en reaksjonstid på 3 timer ved 160 °C. Ettersom sukkerforringelsesproduktene er svært reaktive og har en tendens til å danne humins-oligomerer av furaner og sukker - kan kortere reaksjonstid ved høyere temperatur betraktes som et godt kompromiss mellom høy utvinningseffektivitet og lav sukkerforringelse.

Mengden ekstrahert lignin er også direkte relatert til reaksjonstemperatur og tid. Figur 2 viser mengden lignin som er ekstrahert, β-O-4-koblingsinnholdet og de massegjennomsnittlige molarmassene til de ekstraherte ligninene. Mens det ekstraherte lignin-utbyttet stiger med lengre reaksjonstid,reduseres antall intakte β- O-4-koblinger med omtrent halvparten når de reagerer i 3 timer i stedet for 1 t. Senking av reaksjonstemperaturen fra 160 °C til 140 °C har en mye lavere innvirkning på lignin, noe som resulterer i litt mindre utbytte, mindre massegjennomsnittet molarmasse og høyere β-O-4-innhold.

Som enzymatisk hydrolyse av (lingo-)cellulose er en vanlig indikator for pulping effektivitet, ble en kommersiell cellulosecocktail påført de forskjellige OrganoCat-massene som følge av de ovennevnte OrganoCat reaksjonstilstandssettene (Figur 3). Siden cellulasen ikke er optimalisert for substratene, er den totale cellulosekonverteringen ikke sammenlignbar med toppmoderne ytelse; Det tillater imidlertid sammenligning av de forskjellige massene til hverandre. Den lengre reaksjonstiden viser en betydelig innvirkning på den første reaksjonstiden og glukoseutbyttet etter 72 timer, og forbedrer seg med en faktor på ~ 2,5. Senking av temperaturen ser ut til å vise en mye mindre innvirkning, noe som antyder at hovedfaktoren som forårsaker forskjellene i enzymatisk fordøyelighet i denne behandlingen er graden av delignifisering.

Figure 1
Figur 1: Sukkerutvinning og pelsproduksjon i OrganoCat-prosessen med 0,1 M 2,5-furandicarboksylsyre som katalysator og 100 g L-1 bøk (sammenlignet med vandig fase) ved forskjellige reaksjonstemperaturer og -tider som angitt på x-aksen11. Alle eksperimenter har blitt utført i triplikat. Gjennomsnittet vises med standardavviket. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Mengde og analyse av lignin ekstrahert av OrganoCat-prosess med 0,1 M 2,5-furandicarboksylsyre som katalysator og 100 g L-1 bøk (sammenlignet med vandig fase) ved forskjellige reaksjonstemperaturer og -tider som angitt på x-aksen11. Lignin-utbyttet er beregnet i triplikat. Gjennomsnittet vises med standardavviket. Molekylærmasse og koblinger ble avledet fra representative enkelteksperimenter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Enzymatisk hydrolyse av masser. Glukoseutbytter etter 72 timer (blå barer) og reaksjonshastigheter i løpet av den første timen (grå stenger) fra hydrolyse av ubehandlet bøk og celluloseberikede masser hentet fra OrganoCat med 0. 1 M 2,5-furandicarboxylic syre som katalysator og 100 g L-1 bøk (sammenlignet med vandig fase) ved forskjellige reaksjonstemperaturer og tider som angitt på x-aksen. Cellulase ble påført de forskjellige substratene ved 50 °C i opptil 72 timer i angrebuffer (pH 4,5)11. Alle eksperimenter har blitt utført i triplikat. Gjennomsnittet vises med standardavviket. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Enhet Skift δ (1H)(13C) Kobling Skift δ (1H)(13C)
[ppm] [ppm]
S2,6 (6.95–6.46) (106.8–101.9) α β-O-4 (5.08–4.69) (75.8–69.9)
G2 (7.12–6.72) (113.4–108.7) α β-β (4.72–4.58) (87.46–84.0)
G5 (7.04–6.51) (117.8–113.4) β β-β (3.35–3.11) (62.0–57.9)
H2,6 (7.01–6.8) (129.1–123.2) γ β-β 1 (4.26–4.09) (73.0–70.0)
γ β-β 2 (3.87–3.71) (73.0–70.0)
α β-5 (5.51–5.41) (88.8–86.6)
β β-5 (3.52–3.42) (54.0–52.1)
γ β-5 (3.80–3.67) (64.1–62.1)

Tabell 1: Kjemiske skift bestemt av 1H-13C heteronukleær enkelt kvantekorrelasjon kjernemagnetisk resonans (1H-13C-HSQC NMR) for forskjellige koblinger i lignin. Forkortelser: S = syringylenhet, G = guaiacylenhet, H = p-hydroksyfenylenhet.

Discussion

Den beskrevne fraksjoneringen av lignocellulose viser en avveining mellom hemicellulosehydrolyseeffektivitet og selektivitet for å unngå sukkerforringelse av furaner, avhengig av reaksjonstid og temperatur (figur 1). Lignin utvinning ble tilsvarende påvirket av de tøffere forholdene. Spesielt reduksjonen av β-O-4-koblinger og forbedring av gjennomsnittlig massevekt på grunn av rekondensering ved høyere temperatur og reaksjonstid understreker dette kompromisset som må gjøres. Valg av reaksjonstid og temperatur er derfor et kritisk skritt i denne lignocellulosefraksjoneringsprosessen. Ettersom effektiviteten av enzymatisk hydrolyse ser ut til å være mest bestemt av delignifisering i den FDCA-katalyserte OrganoCat-prosessen, gir de tøffeste behandlingsforholdene den mest tilgjengelige massen. Andre variasjoner av prosessen9,11,18,22, for eksempel ved hjelp av forskjellige katalysatorer, viser at styrken til katalysatoren og den endelige pH i den reaktive løsningen har den sterkeste effekten på prosesseffektiviteten. Modifikasjoner av prosedyren, for eksempelpreswelling med fosforsyre, har vist seg å ha en gunstig effekt også22. På grunn av variasjonen i sammensetningen trenger prosessen imidlertid optimalisering, avhengig av de forskjellige råstoffene21. Tatt i betraktning den generelle prosessytelsen, må nedstrøms rensing av de separerte fraksjonene vurderes, og derfor spiller selektivitet en viktig rolle. Sammenlignet med andre organosolv-lignende prosesser, bruker OrganoCat et bifasisk vann / 2-MTHF-system, som gir de viktigste komponentene i tre relativt enkle, separate bekker. På denne måten kan ytterligere nedstrøms og resulterende energi- og utstyrskostnader reduseres13,18.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble utført som en del av Cluster of Excellence "Tailor-Made Fuels from Biomass" og "Fuel Science Center", som er finansiert av Excellence Initiative of the German Research Foundation for å fremme vitenskap og forskning ved tyske universiteter, samt en del av Bioeconomy Science Center (BioSC), støttet i prosjektet AP³ Focus Lab. Bioøkonomisk vitenskapssenters vitenskapelige virksomhet ble økonomisk støttet av Kunnskapsdepartementet innenfor rammen av NRW Strategieprojekt BioSC (nr. 313/323-400-002 13).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1200 HPLC system Agilent n.a. was used for size exclusion chomatogaphy
2,5-furandicarboxylic acid TCI Deutschland GmbH F0710 Purity: >98.0%(T)(HPLC)
2-methyltetrahydrofuran Carl Roth GmbH 6845.4 SOLVAGREEN ≥99 %, extra pure
Accellerase 1500 Provided by Genencor (60 FPU mL-1 and 82 CBU mL-1; 2300 AE Leiden, Netherlands) n.a. cellulase for pulp hydrolysis
beech wood (Fagus sp.) local supplier n.a.
BioTek Power Wave HT UV-Vis Spectrometer BioTek Germany, 74177 Bad Friedrichshall, Germany BT-RPRWI
Bruker AS400 (400 MHz) Spectrometer Bruker, Billerica, MA 01821, USA n.a. HSQC-NMR analysis
CarboPac PA20 column Dionex 302747 monosaccharide separator column for high-performance anion-exchange chromatography
centrifuge 5430 R Eppendorf 5428000610
Focus GC Thermo Fischer n.a. gas chromatograph
Glucose (hexokinase) assay kit Sigma-Aldrich GAHK20-1KT
GPC- precolumn PSS PolarSil in DMAc PSS Polymer Strandards Service GmbH PSA080505 precolumn with polar silica (8 x 50 mm)
HP-INNOwax column 30 m Agilent J & W 19091N-213IE GC column with a polar polyethylene glycol stationary phase
PSS MCX PSS Polymer Strandards Service GmbH  MCA0830051E3 gel columns (8 x 300 mm, particle diameter: 5 µm, nominal pore width: 1000 Å
ThermoMixer Eppendorf n.a. mixing and heating block
tinyclave steel Typ 3 / 25 mL Büchi 49,33,45,10,000 100 bar, 200 °C

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Isikgor, F. H., Becer, C. R. Lignocellulosic biomass: a sustainable platform for the production of bio-based chemicals and polymers. Polymer Chemistry. 6 (25), 4497-4559 (2015).
  2. Azadi, P., Inderwildi, O. R., Farnood, R., King, D. A. Liquid fuels, hydrogen and chemicals from lignin: A critical review. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 21, 506-523 (2013).
  3. Aro, T., Fatehi, P. Production and application of lignosulfonates and sulfonated lignin. ChemSusChem. 10 (9), 1861-1877 (2017).
  4. Kai, D., et al. Towards lignin-based functional materials in a sustainable world. Green Chemistry. 18 (5), 1175-1200 (2016).
  5. Fang, W., Yang, S., Wang, X. -L., Yuan, T. -Q., Sun, R. -C. Manufacture and application of lignin-based carbon fibers (LCFs) and lignin-based carbon nanofibers (LCNFs). Green Chemistry. 19 (8), 1794-1827 (2017).
  6. Linger, J. G., et al. Lignin valorization through integrated biological funneling and chemical catalysis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (33), 12013-12018 (2014).
  7. Liao, Y., et al. A sustainable wood biorefinery for low-carbon footprint chemicals production. Science. 367 (6484), 1385-1390 (2020).
  8. Galkin, M. V., Samec, J. S. M. Lignin valorization through catalytic lignocellulose fractionation: a fundamental platform for the future biorefinery. ChemSusChem. 9 (13), 1544-1558 (2016).
  9. vom Stein, T., et al. From biomass to feedstock: one-step fractionation of lignocellulose components by the selective organic acid-catalyzed depolymerization of hemicellulose in a biphasic system. Green Chemistry. 13 (7), 1772-1777 (2011).
  10. Anastas, P. T. Meeting the challenges to sustainability through green chemistry. Green Chemistry. 5 (2), 29-34 (2003).
  11. Weidener, D., et al. One-step lignocellulose fractionation by using 2,5-furandicarboxylic acid as a biogenic and recyclable catalyst. ChemSusChem. 11 (13), 2051-2056 (2018).
  12. vom Stein, T., Grande, P. M., Leitner, W., Domínguez de María, P. Iron-catalyzed furfural production in biobased biphasic systems: from pure sugars to direct use of crude xylose effluents as feedstock. ChemSusChem. 4 (11), 1592-1594 (2011).
  13. Viell, J., Harwardt, A., Seiler, J., Marquardt, W. Is biomass fractionation by Organosolv-like processes economically viable? A conceptual design study. Bioresource Technology. 150, 89-97 (2013).
  14. Ait Rass, H., Essayem, N., Besson, M. Selective aerobic oxidation of 5-HMF into 2,5-furandicarboxylic acid with Pt catalysts supported on TiO2 - and ZrO2 -based supports. ChemSusChem. 8 (7), 1206-1217 (2015).
  15. Yi, G., Teong, S. P., Zhang, Y. Base-free conversion of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-furandicarboxylic acid over a Ru/C catalyst. Green Chemistry. 18 (4), 979-983 (2016).
  16. Ardemani, L., et al. Solid base catalysed 5-HMF oxidation to 2,5-FDCA over Au/hydrotalcites: fact or fiction. Chemical Science. 6 (8), 4940-4945 (2015).
  17. Domínguez de María, P., Guajardo, N. Biocatalytic valorization of furans: opportunities for inherently unstable substrates. ChemSusChem. 10 (21), 4123-4134 (2017).
  18. Grande, P. M., et al. Fractionation of lignocellulosic biomass using the OrganoCat process. Green Chemistry. 17 (6), 3533-3539 (2015).
  19. Holtz, A., et al. Process development for separation of lignin from OrganoCat lignocellulose fractionation using antisolvent precipitation. Separation and Purification Technology. 236, 116295 (2020).
  20. Weidener, D., et al. Lignin precipitation and fractionation from OrganoCat pulping to obtain lignin with different sizes and chemical composition. Molecules. 25 (15), 3330 (2020).
  21. Weidener, D., et al. Multiscale analysis of lignocellulose recalcitrance towards OrganoCat pretreatment and fractionation. Biotechnology for Biofuels. 13 (1), 155 (2020).
  22. Weidener, D., et al. Lignocellulose fractionation using recyclable phosphoric acid: lignin, cellulose, and furfural production. ChemSusChem. 14 (3), 909-916 (2020).

Tags

Kjemi Utgave 172 Lignocellulose pulping biorefinery OrganoCat lignin grønn kjemi fraksjonering forbehandling
Fraksjonering av lignocellulosisk biomasse ved hjelp av OrganoCat-prosessen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Schoofs, L., Weidener, D., Schurr,… More

Schoofs, L., Weidener, D., Schurr, U., Klose, H., Grande, P. M. Fractionation of Lignocellulosic Biomass using the OrganoCat Process. J. Vis. Exp. (172), e61933, doi:10.3791/61933 (2021).

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