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Chemistry

ऑर्गेनोकैट प्रक्रिया का उपयोग करके लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास का अंश

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

ऑर्गेनोकैट लिग्निन, किण्वनीय शर्करा और सेल्यूलोज लुगदी में हल्की परिस्थितियों में लिग्नोसेल्यूलोज के पूर्वउपचार और अंश के लिए एक विधि है। एक बायोजेनिक, पानी की बिफेसिक सॉल्वेंट सिस्टम और उत्प्रेरक के रूप में 2,5-फर्नाकार्बोक्सिलिक एसिड के साथ 2-मेथिलट्राहाइड्रोफ्यूरनन में, ऑर्गेनोकैट उत्पादों को सीधे उत्पाद वसूली के लिए सीटू में अलग किया जाता है।

Abstract

एक पेट्रोलियम आधारित से एक अधिक टिकाऊ और जैव आधारित अर्थव्यवस्था के लिए बदलाव कच्चे माल और ऊर्जा की आपूर्ति को बनाए रखने के लिए नई रिफाइनरी अवधारणाओं के विकास की आवश्यकता है । इन उपन्यास और टिकाऊ बायोरिफाइनरी अवधारणाओं के लिए, ग्रीन केमिस्ट्री के सिद्धांतों के साथ गठबंधन किए गए उत्प्रेरक और सॉल्वैंट्स का उपयोग करना महत्वपूर्ण है। इसलिए, बायोजेनिक विकल्पों का कार्यान्वयन एक आशाजनक समाधान हो सकता है। लिग्नोसेल्यूलोज प्रीट्रीटमेंट और अंश प्रक्रिया यहां प्रस्तुत-ऑर्गेनोकेट-2,5-फरेंडिकार्बोक्सिलिक एसिड जैसे बायोजेनिक एसिड का उपयोग करके इसके मुख्य घटकों में लिग्नोसेल्यूलोज का एक एकीकृत अंश है। हेमीसेल्यूलोज और अन्य गैर-सेल्यूलोसिक पॉलीसैकराइड्स को पतला एसिड और भंग करके चुनिंदा रूप से विकृत किया जाता है, जबकि क्रिस्टलीय सेल्यूलोज ठोस लुगदी में रहता है। बायोजेनिक 2-मेथिलटेट्राहाइड्रोफ्यूरनन से मिलकर एक दूसरे कार्बनिक चरण की उपस्थिति में, सीटू मेंडिएंटेंग्लेड लिग्निन निकाला जाता है। यह प्रक्रिया तीन मुख्य घटकों-लिग्निन, सेल्यूलोज और गैर-सेल्यूलोसिक शर्करा के कुशल अंश के लिए अनुमति देती है। यह लिग्निन की गुणवत्ता, सेल्यूलोज-समृद्ध लुगदी के एंजाइमेटिक हाइड्रोलिसिस में सुधार, और कम गिरावट के साथ हल्के गैर-सेल्यूलोसिक चीनी निष्कर्षण पर ध्यान केंद्रित करने में मदद करता है।

Introduction

जीवाश्म संसाधनों के उपयोग महान तकनीकी प्रगति लाया है के रूप में वे कई उत्पादों है कि रोजमर्रा की जिंदगी के लिए आवश्यक है के लिए आधार बनाते हैं । हालांकि, पृथ्वी पर तेल और गैस जैसे संसाधनों की सीमा और उनके शोषण से जुड़े पर्यावरणीय नुकसान विकल्पों की तत्काल आवश्यकता पैदा करते हैं । लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास कार्बन-आधारित रसायनों के लिए एक आशाजनक स्रोत है, क्योंकि यह नवीकरणीय, बहुमुखी और कार्बन तटस्थ1है। लिग्नोसेल्यूलोज में मूल रूप से उपयोग करने के लिए तीन मुख्य अंश होते हैं: हेमीसेल्यूलोज, सेल्यूलोज और लिग्निन। इसकी औद्योगिक प्रसंस्करण का एक लंबा इतिहास रहा है। हालांकि, कागज उद्योग से सल्फिट और क्राफ्ट प्रक्रियाओं जैसी स्थापित और व्यापक प्रक्रियाएं, मुख्य रूप से लुगदी और कागज उद्योग2में उपयोग के लिए सेल्यूलोज पर ध्यान केंद्रित करती हैं। आर्थिक और पर्यावरणीय दृष्टिकोण से रसायनों के प्रति लिग्नोसेल्यूलोस प्रसंस्करण को अधिक लाभदायक बनाने के लिए सभी तीन लिग्नोसेल्यूलोसिक अंशों का पूर्ण वीरताकरण आवश्यक है।

कई लिग्नोसेल्यूलोज वीरता रणनीतियों में, लिग्निन एक मात्र प्रतिफल है जिसे अक्सर ऊर्जा वसूली के लिए जला दिया जाता है। वर्तमान में, औद्योगिक रूप से उत्पादित लिग्निन का केवल 1-2% उपयोग ठोस एडिटिव्स, सर्फेक्टेंट और वेनिलिन 3 जैसे मूल्य वर्धित उत्पादों का उत्पादन करने के लिए कियाजाताहै। फिर भी, यह सुगंधित का सबसे बड़ा नवीकरणीय स्रोत है और इसलिए पॉलीमर4, कार्बन फाइबर5और ईंधन2के आधार के रूप में आवेदन के लिए आशाजनक गुण हैं। लिग्निन के वीरता में चुनौतियां स्रोत सामग्री और निष्कर्षण स्थितियों के आधार पर अपनी जटिल संरचना और विविधता में झूठ बोलती हैं। इसके अलावा, उनकी प्रक्रिया की स्थिति के कारण, सबसे प्रचलित लिग्नोसेल्यूलोस अंश प्रक्रियाएं मोनोमर इकाइयों के बीच सी-सी लिंकेज की उच्च संख्या के साथ सल्फोनेटेड लिग्निन प्रदान करती हैं। इसलिए, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध लिग्निन को विकृत करना चुनौतीपूर्ण है।

विभिन्न दृष्टिकोणों की एक श्रृंखला, जो सभी तीन अंशों के समग्र उपयोग पर ध्यान केंद्रित करती है, लिग्नोसेल्यूलोज अंश के लिए विकसित की गई है। अधिकांश प्रक्रियाएं या तो पतला एसिड और कुर्सियां के साथ या ऊंचा तापमान पर पानी के ऑटोप्रोटोलिसिस का उपयोग करके हेमीसेल्यूलोज के हाइड्रोलिसिस पर निर्भर करती हैं। सबसे खोजे गए विकल्पों में से एक के रूप में, ऑर्गेनोसोलव प्रक्रियाएं कम उबलते कार्बनिक सॉल्वैंट्स का उपयोग करती हैं, आमतौर पर पानी के संयोजन में। इस प्रक्रिया के प्रसिद्ध वेरिएंट में अल्सेल प्रक्रिया शामिल है, जो 50% इथेनॉल और ऑर्गेनोसेल प्रक्रिया का उपयोग करती है, जो पहले चरण में मेथनॉल का उपयोग करती है और दूसरे चरण में नाओएच जोड़ती है। एसिड ऑर्गेनोसोल्व प्रक्रिया जो फॉर्मिक या एसिटिक एसिड का उपयोग करती हैं, उन्हें भी वर्णित किया गया है2. एक प्रमुख बायोरिफाइनरी उत्पाद के रूप में लिग्निन के वीरता पर हाल ही में ध्यान केंद्रित करने के कारण, नए दृष्टिकोण विकसित किए गए हैं, जो लिग्निन निष्कर्षण को बाद में या एकीकृत रूपांतरण चरणों के साथ जोड़ते हैं ताकि छोटे लिग्निन यौगिकों और अधिक स्थिर और मूल्यवान उत्पादों को प्राप्त किया जा सके6,7,8।

ऑर्गेनोकैट लिग्नोसेल्यूलोज फ्रैक्शन प्रोसेस (ऑर्गेनोकैट) पानी की दो चरण की प्रणाली और 2-मेथिलेटेडेट्राहाइड्रोफुरन (2-एमटीएचएफ)9पर आधारित है। इसके अतिरिक्त, एक पुनर्नवीनीकरण कार्बनिक एसिड उत्प्रेरक के रूप में प्रयोग किया जाता है, जो हल्के तापमान पर चुनिंदा हाइड्रोलाइज हेमिकेल्यूलोस करता है। सभी प्रक्रिया रसायनों को अपेक्षाकृत सस्ती और बायोजेनिक तरीके से उत्पादित किया जा सकता है, जो ग्रीन केमिस्ट्री10के सिद्धांतों के अनुसार प्रक्रिया के पर्यावरणीय प्रभाव को कम करता है। यह प्रक्रिया कार्बनिक चरण में लिग्निन के साथ तीन अलग-अलग उत्पाद धाराओं को बचाती है, जलीय चरण में हेमीसेल्यूलोज शर्करा को विकृत करती है, और एक ठोस अवशेष के रूप में सेल्यूलोज-समृद्ध लुगदी। चूंकि उत्पाद धाराओं को आसानी से अलग किया जा सकता है, इसलिए डाउनस्ट्रीम चरणों, ऊर्जा की मांग और भौतिक लागतों की तुलना में काफी कम किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, मोनोफेसिक दृष्टिकोण। लिग्निन का आणविक वजन अपेक्षाकृत कम होता है औरβ की संख्या अधिक होती है- ओ-4 लिंकेज11। डिपॉलीमराइज्ड हेमिकेलोज शर्करा का उपयोग किण्वन या बारीक रसायनों में परिवर्तित करने के लिए किया जा सकता है12. सेल्यूलोज लुगदी एंजाइमैजी डिपॉलिमराइजेशन9के लिए अत्यधिक सुलभ है ।

मूल ऑर्गेनोकेट प्रक्रिया लिग्नोसेल्यूलोज को आंशिक करने के लिए उत्प्रेरक के रूप में ऑक्सालिक एसिड का उपयोग करती है। ऑक्सालिक एसिड को क्रिस्टलीकरण द्वारा बरामद किया जा सकता है9. हालांकि, इससे प्रतिक्रिया को ठंडा करने और पानी के आंशिक वाष्पीकरण के लिए प्रक्रिया लागत बढ़ जाती है। ऑक्सालिक अम्लीय के आंशिक अपघटन से राजस्व और कम होजाएगा 13. इस कारण से, 2,5-फरेंडिकोक्सिलिक एसिड (एफडीसीए) को उत्प्रेरक11के रूप में पेश करके ऑर्गेनोकेट प्रक्रिया में सुधार किया गया। एफडीसीए न केवल प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करने के लिए पर्याप्त अम्लीय है, बल्कि निर्जलीकरण के माध्यम से ग्लूकोज से 5-हाइड्रोक्सीमिथाइलफुरल और बाद में धातु आधारित उत्प्रेरक याबायोकैटालिसिस्ट14, 15,16,17के साथ ऑक्सीकरण से भी प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि एफडीसीए की एसिडिटी थोड़ी कम होती है, लेकिन इसमें ऑक्सालिक एसिड की तुलना में थर्मल स्थिरता अधिक होती है। एफडीसीए में कमरे के तापमान पर पानी में कम घुलनशीलता होती है, जो प्रतिक्रिया के बाद जलीय चरण से इसकी सीधी वसूली की अनुमति देती है।

ऑर्गेनोकैट प्रक्रिया का एक पैमाना सफलतापूर्वक 3 एल रिएक्टर18में विकसित किया गया था। ऑर्गेनोकैट लिग्निन पर अतिरिक्त अध्ययनों में पाया गया कि एन-हेक्साने या एन-पेंटाने के साथ एंटीसॉल्वेंट वर्षा ऊर्जा कुशल लिग्निन रिकवरी19की अनुमति देती है। विभिन्न आणविक भार20के साथ लिग्निन अंश प्राप्त करना संभव था । यह पेपर एफडीसीए को उत्प्रेरक के रूप में उपयोग करके लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास की स्केलेबल, एक-चरण के अंश प्रक्रिया के लिए पूर्ण तैयारी विधि प्रस्तुत करता है। इस प्रक्रिया में तीन आसानी से अलग उत्पाद धाराओं में लिग्निन, डिपॉलीमराइज्ड हेमीसेल्यूलोज और सेल्यूलोज लुगदी निकाली जाती है।

Protocol

नोट: प्रक्रिया कमरे के तापमान पर (कुछ दिनों के लिए) या रेफ्रिजरेटर में (लंबी अवधि के लिए) में नमूने छोड़ कर किसी भी बिंदु पर रोका जा सकता है । इस प्रोटोकॉल में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के विवरण के लिए सामग्री की तालिका देखें।

1. बीच लकड़ी के कण

  1. 10 मिमी छलनी के साथ एक कटिंग मिल का उपयोग करके बीच की लकड़ी(फागस एसपी) के वांछित कण आकार को उत्पन्न करें, और कणों को 50 डिग्री सेल्सियस पर स्थिर द्रव्यमान (~ 24 एच) में सुखाएं, जिससे ~ 10% पानी की अवशिष्ट नमी की मात्रा छोड़ दी जाए।

2. लिग्नोसेल्यूलोसिक अंश और वर्कअप

  1. लिग्नोसेल्यूलोज प्रीट्रीटमेंट और अंश
    1. 25 मिलीग्राम स्टेनलेस स्टील हाई-प्रेशर रिएक्टर में कमरे के तापमान पर अल्ट्रापुरे पानी के 5 एमएल में 500 मिलीग्राम बीच की लकड़ी(फागस एसपी)कण और 78.0 मिलीग्राम (0.5 mmol, 0.1 M) एफडीसीए को निलंबित करें। 2-MTHF के 5 एमएल और निलंबन के लिए एक सरगर्मी बार जोड़ें, और रिएक्टर बंद करो । रिएक्टर को 1 घंटे के लिए 1500 आरपीएम की सरगर्मी गति से हीटिंग प्लेट पर 160 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें।
    2. प्रतिक्रिया ~ 10 मिनट की अवधि में बर्फ के पानी में कमरे के तापमान को ठंडा करने दें। रिएक्टर खोलें, NaOH समाधान (आसुत पानी में 50 wt% NaOH) के 52.5 μL जोड़ें, और कमरे के तापमान पर 15 मिनट और एक सरगर्मी प्लेट पर 500 आरपीएम के लिए हलचल।
  2. कार्बनिक चरण और लिग्निन मात्राकरण का अलगाव
    1. मिश्रण (कमरे का तापमान, 5 मिनट, 1880 × ग्राम)को सेंट्रलाइज करें। कार्बनिक चरण (2-एमटीएचएफ) को 50 एमएल राउंड-बॉटम फ्लास्क में स्थानांतरित करने के लिए एक पिपेट का उपयोग करें।
    2. एक ठोस और शुष्क लिग्निन अंश प्राप्त होने तक एक रोटरी वाष्पीकरण (40 डिग्री सेल्सियस, 200 आरपीएम, 180 mbar) में कार्बनिक चरण वाष्पित करें। एक विश्लेषणात्मक संतुलन के साथ वजन द्वारा लिग्निन उपज का निर्धारण करें। आगे के विश्लेषण के लिए कमरे के तापमान पर ठोस लिग्निन स्टोर करें।
  3. ठोस सेल्यूलोज-समृद्ध लुगदी और जलीय चरण का पृथक्करण
    1. सेल्यूलोज-समृद्ध लुगदी को अलग करने के लिए एक कीप में सेल्यूलोज फिल्टर पेपर (17-30 माइक्रोन पोर आकार) का उपयोग करके जलीय चरण को फ़िल्टर करें, और जलीय चरण को 5 एमएल शीशी में स्थानांतरित करें। 3 x 25 एमएल पानी के साथ तटस्थ पीएच तक लुगदी धोएं, और 100 एमएल बीकर में अलग से वाशिंग समाधान स्टोर करें। लगातार द्रव्यमान (~ 24 घंटे) के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर लुगदी सूखी।
    2. एक विश्लेषणात्मक संतुलन के साथ वजन द्वारा सूखे लुगदी उपज का निर्धारण करें।
  4. एफडीसीए वसूली और जलीय चरण के अलगाव
    1. जलीय चरण के पीएच और एक बर्फ स्नान में समाधान ठंडा करते हुए केंद्रित एचसीएल का उपयोग करके पीएच 1 के लिए लगातार सरगर्मी के तहत अलग से कदम 2.3 से धोने के समाधान को समायोजित करें। यूनिवर्सल इंडिकेटर पेपर का उपयोग करके पीएच को नियंत्रित करें।
    2. दोनों समाधानों से उपजी ठोस (एफडीसीए) को फ़िल्टर करें, अवशेषों को मिलाएं, और 80 डिग्री सेल्सियस पर लगातार द्रव्यमान (~ 24 एच) में सूखें। वॉश को छोड़ दें। एक विश्लेषणात्मक संतुलन के साथ वजन द्वारा एफडीसीए उपज का निर्धारण करें।
    3. जलीय चरण को 25 एमएल फ्लास्क में स्थानांतरित करें, और विश्लेषण के लिए इसे 4 डिग्री सेल्सियस पर स्टोर करें।
  5. फरफ्यूरल क्वांटिफिकेशन के लिए सैंपल तैयार
    1. फरफ्यूरल की मात्रा निर्धारित करने के लिए एक अलग प्रयोग करें। चरण 2.1.1-2.2.1 दोहराएं।
    2. एकत्र कार्बनिक विलायक अंश के लिए एक आंतरिक मानक के रूप में एन-डेकेनके 40 मिलीग्राम जोड़ें, और विश्लेषण के लिए स्टोर करें।

3. विश्लेषण

  1. स्पंदित एम्पेरोमेट्रिक डिटेक्शन (एचपीएईसी-पैड) के साथ उच्च प्रदर्शन एनियन-एक्सचेंज क्रोमेटोग्राफी द्वारा जलीय चरण में चीनी का विश्लेषण
    1. जलीय चरण के 10 माइक्रोन को 190 माइक्रोन आसुत पानी के साथ चरण 2.4.3 में एकत्र किया गया है। पतला नमूने में 2 एमएमएम 2-डिऑक्सी-डी-ग्लूकोज के 10 माइक्रोल जोड़ें।
    2. 0.5 एमएल∙मिनट -1 की प्रवाह दर के साथ मोनोसैकराइड सेपरेटर कॉलम पर मोनोसैकराइड्स का पृथक्करण करें, और10मिनट के लिए 2 m M NaOH के साथ संतुलन के बाद नमूना इंजेक्ट करें। 18 मिनट से अधिक 2 mm NaOH के साथ तटस्थ शर्करा अलग करें। बाद में, यूरोनिक एसिड को अलग करने के लिए 10 मिनट के लिए 550 mM NaOH का उपयोग करें। 10 मिनट के लिए 800 mM NaOH के साथ कॉलम कुल्ला।
      नोट: सॉफ्टवेयर आंतरिक मानक की मात्रा में मोनोसैकराइड की मात्रा को सामान्य करता है और विभिन्न मोनोसैकराइड्स के मानक अंशांकन घटता का उपयोग करके उन्हें मात्रा देता है।
  2. लिग्निन विश्लेषण 1एच-13सी हेट्रोन्यूक्लियर सिंगल क्वांटम सहसंबंध परमाणु चुंबकीय अनुनाद(1 एच-13सी-एचएसक्यूसी एनएमआर)
    1. ड्यूटेरेटेड डिमेथाइल्सुऑक्साइड ([डी 6 ] डीएमएसओ) के0.5एमएल में ~ 50 मिलीग्राम लिग्निन को भंग करें, और मिश्रण को एनएमआर ट्यूब में स्थानांतरित करें। 400 मेगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके 1एच-13सी एचएसक्यूसी (माप समय 220 मिनट) एनएमआर माप का संचालन करें।
    2. स्पेक्ट्रम का उपयोग कर लिग्निन में मौजूद संबंधों के प्रकार निर्धारित करें।
      1. स्पेक्ट्रम के रासायनिक बदलाव को डीएमएसओ सिग्नल (δ1एच) = 2.500 पीपीएम; δ(13सी) = 39.52 पीपीएम) में संदर्भित करें।
      2. दोनों अक्षों पर एक मैनुअल चरण सुधार करें जब तक कि सभी सिग्नल सकारात्मक न हों, फिर बेसलाइन सुधार करें।
      3. सुगंधित इकाइयों के संकेतों और लिग्निन के संपर्कों को एकीकृत करें; रासायनिक बदलाव के लिए तालिका 1 देखें।
    3. निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके सुगंधित इकाइयों (एरोम) के योग की गणना करें:
      Σ (arom.) = (S2,6 / 2) + ((जी2 + जी5)/ 2) + (H2,6 / 2)(1)
      एसके साथ मैं 2 और 6 सिरिंगिल प्रोटॉन के अनुरूप संकेत पर अभिन्न जा रहाहै, जी मैं 2 और 5 guaiacyl प्रोटॉन के अनुरूप संकेतों पर अभिन्न जा रहाहै, और एच मैं 2 और 6 पी-हाइड्रोक्सीफेनिल प्रोटॉन के अनुरूप संकेत पर अभिन्न जा रहा है ।
    4. निम्नलिखित सूत्रों का उपयोग करके प्रत्येक इकाई के प्रतिशत की गणना करें:
      S = (एस2,6/ 2) / Σ (arom.) × 100%(2)
      जी = ((जी2 + जी5)/ 2) / Σ (arom.) × 100%(3)
      H = (H2,6 / 2) / Σ (arom.) × 100%(4)
      एस, जी, और एच के साथ संबंधित मोनोमर-सिरिंगिल-(एस), गुआसिल-(जी), और पी-हाइड्रोक्सीफेनिल (एच)-मोनोमर इकाइयों प्रति १०० मोनोमर इकाइयों का प्रतिशत जा रहा है ।
    5. निम्नलिखित सूत्रों का उपयोग करके प्रति 100 इकाइयों के लिंकेज की संख्या की गणना करें:
      β-O-4 लिंकेज = α β -O-4 / Σ (एरोम)× 100%(5)
      लिंकेज = (α β-β + β β-β + γ β-β) / Σ (β)× 100%(6)
      लिंकेज = (α β-5 + β β-5 + γ β-5) / Σ (अरोम)× 100%(7)
      α, β और γ के साथ इसी β-O-4-, β-β-और β-5 लिंकेज के α,, β और γ-प्रोटॉनसंकेतों के अनुरूप सिग्नल पर अभिन्न होने के नाते ।
      नोट: लिंकेज प्रति 100 मोनोमर इकाइयों को लिंकेज के रूप में दिया जाता है। चोटियों के ओवरलैपिंग के कारण,β-ओ-4की गणना केवल α प्रोटोन सिग्नल का उपयोग करके की जाती है। β-β और β-5 लिंकेज की गणना संबंधित लिंकेज के सभी संकेतों का उपयोग करके की जाती है।
  3. जेल परमीशन क्रोमेटोग्राफी (जीपीसी) विश्लेषण
    1. 1.5 एमएल गैस क्रोमेटोग्राफी (जीसी) -शीशी में 0.1 एम नाओएच और 0.01 डब्ल्यूटी% एनएएन3 जलीय समाधान के 1 1 एमएल सूखे लिग्निन और 1 मिलीग्राम ग्लूकोज (आंतरिक मानक के रूप में) को भंग करें। पट के साथ एक टोपी का उपयोग कर जीसी-शीशी बंद करें।
    2. एक पराबैंगनी डिटेक्टर से लैस एक उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमेटोग्राफी (एचपीएलसी) प्रणाली में नमूने के 100 μL इंजेक्ट और λ = 280 एनएम की एक तरंग दैर्ध्य की निगरानी। ध्रुवीय सिलिका (8 मिमी x 50 मिमी) और तीन जेल कॉलम (8 मिमी x 300 मिमी, कण व्यास: 5 माइक्रोन, नाममात्र पोर चौड़ाई: 1000 Å) के प्रवाहदर पर 1000 Å) के साथ एक प्रीकोल्यूमन प्रोग्राम-टेम्परेचर स्प्लिट/स्प्लिटलेस इंजेक्टर सिस्टम से मिलकर एक प्रणाली का उपयोग करें। प्राप्त डेटा को आंतरिक मानक (ग्लूकोज) के संकेत पर संदर्भित करें। 266 से 65000 डीए की सीमा में पॉली (स्टायरीन सल्फोनेट) के साथ बाहरी अंशांकन के संदर्भ में सॉफ्टवेयर का उपयोग करके बड़े पैमाने पर वितरण की गणना करें।
  4. जीसी के माध्यम से फर्फुरल क्वांटिफिकेशन
    1. ऑर्गेनोकैट प्रीट्रीटमेंट के कार्बनिक चरण में आंतरिक मानक के रूप में 20 मिलीग्राम एन-डेकेन जोड़ें। कार्बनिक चरण के 1 एमएल को 1.5 एमएल जीसी-शीशी में स्थानांतरित करें।
    2. 1.5 एमएलमिन-1 और एक लौ आयनीकरण डिटेक्टर की प्रवाह दर के साथ वाहक गैस के रूप में एक ध्रुवीय पॉलीयूरेथेन ग्लाइकोल स्थिर चरण और हीलियम के साथ 30 मीटर कॉलम का उपयोग करके गैस क्रोमेग्राफ में इस समाधान के 1 माइक्रोन इंजेक्ट करें। शुरुआती तापमान को 50 डिग्री सेल्सियस तक सेट करें, फिर 8 डिग्री सेल्सियस मिनट-1 से 250 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ाएं और 5 मिनट के लिए 250 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखें।
    3. सॉफ्टवेयर द्वारा दिए गए इंटीग्रल (आईएनटी) और बाहरी गणना सुधार कारक (सीएफ) का उपयोग करके फरफ्यूरल की मात्रा निर्धारित करें।
      1. 2-एमटीएचएफ के 1 मिलीग्राम में 1 मिलीग्राम फरफ्यूरल और 5 मिलीग्राम एन-डेकेन का नमूना तैयार करें, और उपरोक्त प्रक्रिया का उपयोग करके इसे जीसी में इंजेक्ट करें। सुधार कारक की गणना इस प्रकार है:
        cf =(int(n-decane)/m(n-decane))/(Int (furfural) /
      2. निम्नलिखित सूत्र के साथ अज्ञात नमूने में फरफ्यूरल की मात्रा की गणना करने के लिए सुधार कारक का उपयोग करें:
        एम (फरफ्यूरल)= एम (एन-डेकेन) / आईएनटी(एन-डेकेन)× सीएफ × इंड (फरफ्यूरल)(9)
  5. सेल्यूलोज-समृद्ध लुगदी हाइड्रोलिसिस
    1. 1.5 एमएल शीशियों का उपयोग करके मिश्रण (सामग्री की तालिकादेखें) के साथ एक हीटिंग ब्लॉक में ऑर्गेनोकेट प्रीट्रीटमेंट से प्राप्त सेल्यूलोज-समृद्ध अवशेषों के लुगदी हाइड्रोलिसिस को पूरा करें।
    2. सेल्यूलोज-समृद्ध लुगदी के 20 मिलीग्राम और सेल्यूलस के 10 माइक्रोन (60 फिल्टर पेपर यूनिट्स (एफपीयू) एमएल-1 और 82 सेलोबिनेस यूनिट्स (सीबीयू) एमएल-1)को 1.5 एमएल vial में साइट्रेट बफर (पीएच = 4.5) के 1 एमएल में जोड़ें, और 0 घंटे, 1 घंटे, या 72 घंटे के लिए 50 डिग्री सेल्सियस पर हिलाते हैं। बाद में, एंजाइमों को विकृत करने के लिए नमूनों को 10 मिनट के लिए 99 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें।
    3. ग्लूकोज (हेक्सोकिनेस) परख किट का उपयोग करके ग्लूकोज एकाग्रता का निर्धारण करें।

Representative Results

लिग्नोसेल्यूलोज प्रीट्रीटमेंट और फ्रैक्शन प्रोसेस ऑर्गेनोकैट (ऑर्गेनोकैट) के लिए शर्तों का एक विशिष्ट सेट एक उत्प्रेरक के रूप में 0.1 एम एफडीसीए का उपयोग करता है, एक 100 ग्राम एल-1 (बीच की लकड़ी, जलीय चरण की तुलना में), प्रतिक्रिया समय का 1 घंटा और प्रतिक्रिया तापमान के रूप में 160 डिग्री सेल्सियस का उपयोग करता है। बीच की लकड़ी की संरचना कहीं और प्रकाशित की गई है21 (~ 48% सेल्यूलोज, 27% हेमीसेलुलोस, 26% लिग्निन)। चित्रा 1 इस शर्तों के सेट के साथ-साथ लंबी प्रतिक्रिया समय (3 एच) और कम तापमान (140 डिग्री सेल्सियस) के साथ निकाले गए हेमीसेल्यूलोज हाइड्रोलिलेट को दिखाता है।

कठोर परिस्थितियों का उपयोग करना, उदाहरण केलिए, उच्च तापमान और लंबे समय तक प्रतिक्रिया समय, उच्च निष्कर्षण पैदावार का कारण बन सकता है, लेकिन यह भी उत्पादों के अधिक गिरावट की ओर जाता है-furfural जाइलोस का एक क्षरण उत्पाद है, जबकि 5-(हाइड्रोक्सीमिथिल) फर्फुरल (5-HMF) ग्लूकोज के इसी क्षरण उत्पाद है । 160 डिग्री सेल्सियस पर 3 घंटे की प्रतिक्रिया समय के साथ उत्पादों (जलीय और कार्बनिक चरणों के बीच वितरित) में अधिक मात्रा में फरफ्यूरल नोट किया गया था। चूंकि चीनी क्षरण उत्पाद अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं और फुरियंस और शर्करा के ह्यूमिन-ओलिगोमर बनाते हैं - उच्च तापमान पर कम प्रतिक्रिया समय को उच्च निष्कर्षण दक्षता और कम चीनी गिरावट के बीच एक अच्छा समझौता माना जा सकता है।

निकाले गए लिग्निन की मात्रा सीधे प्रतिक्रिया तापमान और समय से संबंधित है। चित्रा 2 निकाले गए लिग्निन की मात्रा, β-O-4-लिंकेज सामग्री, और निकाले गए लिग्निन के बड़े पैमाने पर औसत मोलर जनता को प्रदर्शित करता है। जबकि निकाले गए लिग्निन यील्ड लंबे समय तक प्रतिक्रियासमय के साथ उगता है, बरकरार β-O-4-लिंकेज की संख्या 1 घंटे के बजाय 3 घंटे के लिए प्रतिक्रिया करते समय लगभग आधे से कम हो जाती है। प्रतिक्रिया तापमान को 160 डिग्री सेल्सियस से घटाकर 140 डिग्री सेल्सियस करने से लिग्निन पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है, जिसकेपरिणामस्वरूप थोड़ी कम उपज, छोटे द्रव्यमान-औसत मोलर द्रव्यमान, और उच्च β- ओ-4-सामग्री होती है।

चूंकि (लिंगो-) सेल्यूलोज का एंजाइमेटिक हाइड्रोलिसिस लुगदी दक्षता के लिए एक आम संकेतक है, इसलिए उपरोक्त ऑर्गेनोकैट रिएक्शन कंडीशन सेट(चित्रा 3)के परिणामस्वरूप विभिन्न ऑर्गेनोकैट लुगदी पर एक वाणिज्यिक सेल्यूलोज कॉकटेल लागू किया गया था। चूंकि सेल्यूलाइज सब्सट्रेट्स के लिए अनुकूलित नहीं है, इसलिए समग्र सेल्यूलोज रूपांतरण अत्याधुनिक प्रदर्शन के बराबर नहीं है; हालांकि, यह एक दूसरे के लिए अलग लुगदी की तुलना की अनुमति देता है । अब प्रतिक्रिया समय प्रारंभिक प्रतिक्रिया समय और ग्लूकोज उपज पर 72 घंटे के बाद एक महत्वपूर्ण प्रभाव प्रदर्शित करता है, ~ 2.5 के एक कारक से सुधार। तापमान को कम करने के लिए एक बहुत छोटा प्रभाव दिखाने के लिए प्रकट होता है, जिसका अर्थ है कि मुख्य कारक इस उपचार के भीतर एंजाइमेटिक पाचन में अंतर पैदा delignification की डिग्री है ।

Figure 1
चित्रा 1:ऑर्गेनोकेट प्रक्रिया में चीनी निष्कर्षण और फरफ्यूरल उत्पादन 0.1 एम 2, 5-फरेंडिसबॉक्सिलिक एसिड उत्प्रेरक के रूप में और 100 ग्रामएल-1 बीच लकड़ी (जलीय चरण की तुलना में) विभिन्न प्रतिक्रिया तापमान और समय पर जैसा कि एक्स-एक्सिस11पर इंगित किया गया है। सभी प्रयोगों को ट्रिपलीकेट में किया गया है। औसत मानक विचलन के साथ दिखाया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2:ऑर्गेनोकेट प्रक्रिया द्वारा निकाले गए लिग्निन की मात्रा और विश्लेषण 0.1 एम 2,5-फरेंडिसबॉक्सिलिक एसिड उत्प्रेरक के रूप में और 100 ग्रामएल-1 बीच लकड़ी (जलीय चरण की तुलना में) विभिन्न प्रतिक्रिया तापमान और समय पर जैसा कि एक्स-एक्सिस11पर इंगित किया गया है। लिग्निन की पैदावार की गणना ट्रिपलीकेट में की गई है। औसत मानक विचलन के साथ दिखाया गया है। आणविक द्रव्यमान और संपर्क प्रतिनिधि एकल प्रयोगों से प्राप्त किए गए थे। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्र 3:लुगदी के एंजाइमेटिक हाइड्रोलिसिस। 0.10 के साथ ऑर्गेनोकैट से प्राप्त अनुपचारित बीच लकड़ी और सेल्यूलोज-समृद्ध लुगदी के हाइड्रोलिसिस से पहले घंटे (ग्रे बार) के भीतर 72 एच (नीली सलाखों) और प्रतिक्रिया दरों के बाद ग्लूकोज की पैदावार एक्स-एक्सिस पर दर्शाए गए विभिन्न प्रतिक्रिया तापमान और समय पर उत्प्रेरक के रूप में 1 एम 2,5-फरेंडिकोक्सिलिक एसिड और100 ग्राम एल-1 बीच लकड़ी (जलीय चरण की तुलना में) । सेलानेस को11में 72 घंटे तक के लिए 50 डिग्री सेल्सियस पर विभिन्न सब्सट्रेट्स पर लागू किया गया था। सभी प्रयोगों को ट्रिपलीकेट में किया गया है। औसत मानक विचलन के साथ दिखाया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

इकाई δ शिफ्ट(1H) (13C) कड़ी δ शिफ्ट(1H) (13C)
[पीपीएम] [पीपीएम]
एस2,6 (6.95–6.46) (106.8–101.9) α β-ओ-4 (5.08–4.69) (75.8–69.9)
जी2 (7.12–6.72) (113.4–108.7) α β-β (4.72–4.58) (87.46–84.0)
जी5 (7.04–6.51) (117.8–113.4) β β-β (3.35–3.11) (62.0–57.9)
एच2,6 (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)

तालिका 1: लिग्निन में विभिन्न संपर्कों के लिए 1एच-13सी हेट्रोन्यूक्लियर सिंगल क्वांटम सहसंबंध परमाणु चुंबकीय अनुनाद(1एच-13सी-एचएसक्यूसी एनएमआर) द्वारा निर्धारित रासायनिक बदलाव। संक्षिप्त: एस = सिरिंजल इकाई, जी = गुआसिल इकाई, एच = पी-हाइड्रोक्सीफेनिल इकाई।

Discussion

लिग्नोसेल्यूलोज का वर्णित अंश प्रतिक्रिया समय और तापमान(चित्र 1)के आधार पर, फुरनों को चीनी क्षरण से बचने के लिए हेमीसेल्यूलोज हाइड्रोलिसिस दक्षता और चयनशीलता के बीच एक ट्रेडऑफ दिखाता है। लिग्निन निष्कर्षण इसी तरह कठोर परिस्थितियों से प्रभावित था । विशेष रूप से β कीकमी-O-4-लिंकेज और उच्च तापमान और प्रतिक्रिया समय पर पुनर्उदाहरण के कारण बड़े पैमाने पर औसत आणविक वजन की वृद्धि इस समझौते को रेखांकित करती है जिसे बनाया जाना चाहिए । प्रतिक्रिया समय और तापमान का चयन इसलिए इस लिग्नोसेल्यूलोज अंश प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण कदम है। चूंकि एंजाइमेटिक हाइड्रोलिसिस की दक्षता ज्यादातर एफडीसीए-उत्प्रेरक ऑर्गेनोकेट प्रक्रिया में भ्रम द्वारा निर्धारित की जाती है, इसलिए सबसे कठोर प्रसंस्करण स्थितियां सबसे सुलभ लुगदी का खर्च वहन करते हैं। प्रक्रिया9,11, 18,22, उदाहरण के लिए, विभिन्न उत्प्रेरक का उपयोग करके प्रक्रिया की अन्य विविधताओं से पता चलता है कि प्रतिक्रियाशील समाधान में उत्प्रेरक और अंतिम पीएच की ताकत का प्रक्रिया दक्षता पर सबसे मजबूत प्रभाव पड़ता है। प्रक्रिया के संशोधन, उदाहरण के लिए,फॉस्फोरिक एसिड के साथ पूर्वसवेलिंग, एक फायदेमंद प्रभाव के रूप में अच्छी तरह से22के लिए दिखाया गया है । संरचना में विविधता के कारण, हालांकि, प्रक्रिया को विभिन्न फीडस्टॉक्स21के आधार पर अनुकूलन की आवश्यकता होती है। समग्र प्रक्रिया प्रदर्शन को ध्यान में रखते हुए, अलग अंशों के डाउनस्ट्रीम शुद्धिकरण पर विचार किया जाना चाहिए, यही कारण है कि चयनात्मकता एक प्रमुख भूमिका निभाती है। अन्य ऑर्गेनोसोलव जैसी प्रक्रियाओं की तुलना में, ऑर्गेनोकैट एक बिफेसिक पानी/2-एमटीएचएफ प्रणाली का उपयोग करता है, जो तीन अपेक्षाकृत सरल, अलग धाराओं में प्रमुख घटकों को वहन करता है । इस तरह, आगे डाउनस्ट्रीम और परिणामस्वरूप ऊर्जा और उपकरणों की लागत13,18को कम किया जा सकता है।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

यह काम उत्कृष्टता के क्लस्टर के हिस्से के रूप में किया गया था "बायोमास से दर्जी ईंधन" और "ईंधन विज्ञान केंद्र", जो जर्मन विश्वविद्यालयों में विज्ञान और अनुसंधान को बढ़ावा देने के लिए जर्मन अनुसंधान फाउंडेशन की उत्कृष्टता पहल द्वारा वित्त पोषित कर रहे हैं, साथ ही साथ बायोइकोनॉमी विज्ञान केंद्र (BioSC) का हिस्सा है, परियोजना APA फोकस लैब में समर्थित । बायोइकोनॉमी साइंस सेंटर की वैज्ञानिक गतिविधियों को एनआरडब्ल्यू स्ट्रैटेजिक बायोएससी (नंबर 313/323-400-002 13) के ढांचे के भीतर नवाचार, विज्ञान और अनुसंधान मंत्रालय द्वारा आर्थिक रूप से समर्थन दिया गया था।

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

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References

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रसायन विज्ञान अंक 172 लिग्नोसेलुलोस लुगदी बायोरिफाइनरी ऑर्गेनोकैट लिग्निन ग्रीन केमिस्ट्री अंश प्रीट्रीटमेंट
ऑर्गेनोकैट प्रक्रिया का उपयोग करके लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास का अंश
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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).

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