Yöntem makalesi

Pentosan analizi için yeni bir yöntem mevcut Jüt biyokütle ve şeker monomerleri asidik iyonik sıvı kullanarak içine onun dönüşüm

DOI:

10.3791/57613

⸱

1 Haziran 2018

 ,  ,  ,  , 
1Department of Chemical Engineering, National Taiwan University, 2International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 3Australian Institute for Innovative Materials (AIIM), University of Wollongong, 4Department of Biotechnology, Bangabandhu Sheikh Mujibur Rahman Agricultural University, 5School of Chemical Engineering & Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology (AIBN), University of Queensland, 6Department of Plant and Environmental New Resources, Kyung Hee University

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Biz Brønsted asidik iyonik sıvılar (BAILs) varlığı su katalizör ile bir yenilenebilir olmayan yenilebilir lignocellulosic biyokütle (yani, jüt) C5 şekerler (ksiloz ve arabinoz) sentezi için bir iletişim kuralı mevcut. BAILs katalizör geleneksel mineral asit katalizörler daha iyi katalitik performans sergiledi (H2SO4 ve HCl).

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Son zamanlarda, iyonik sıvılar (ILS) için biyokütle valorization değerli kimyasallar içine termal istikrar, daha düşük buhar basıncı, zor olmayan, yüksek ısı kapasitesi ve ayarlanabilir çözünürlük ve asit gibi dikkat çekici özellikleri nedeniyle kullanılır. Burada, biz C5 şekerler (ksiloz ve arabinoz) sentezi için bir yöntem pentosan Jüt biyokütle bir one-pot sürecinde mevcut üzerinden Brønsted asidik 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium hidrojen sülfat IL katalitik bir miktarda kullanarak göstermek. Asidik IL laboratuarda sentezlenir ve NMR spektroskopik saflığı anlamak için yöntemlerle karakterize. Kefalet çeşitli özelliklerini asit gücü gibi katalizör (250 ° C) daha yüksek bir sıcaklıkta stabil ve çok yüksek asit gücü (HEy 1.57) sahip gösterdi termal ve hidrotermal istikrarı ölçülür. Asidik IL üzerinde pentosan yüzde 90'ını şekerler furfural dönüştürür. Bu nedenle, bu çalışma sunan yönteminde de pentosan konsantrasyon lignocellulosic biyokütle, diğer türlü değerlendirme için istihdam edilebilir.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O bir fosil feedstocks yerine gelecek vaat eden adayların kılan sürdürülebilir, ucuz ve fosil kaynakları, aksine eşit olarak dağıtılmış olduğu biyokütle bir yenilenebilir enerji ve kimyasal kaynağı olarak büyük bir potansiyele sahiptir. Tahmini lignocellulosic biyokütle 146 milyar ton başına yıl1yapımıdır. Lignocellulosic biyokütle çoğunlukla lignin, selüloz, hemiselüloz onun üç önemli bileşenleri oluşur. Lignin phenylpropanoid birimlerinden yapılan aromatik bir polimerdir; Öte yandan, selüloz, hemiselüloz lignocellulosic biyokütle polisakkarit parçaları vardır. Koful C5 şekerler, C6 şeker ve β (1→4), β (1→3) ve β (1→6) glycosidic tahvil2,3tarafından birbirine bağlı şeker asitler oluşur ise selüloz glikoz birimleri tarafından β(1→4) glycosidic bağlantı, bağlı oluşur. Çeşitli lignocellulosic biyokütle ile birlikte (küspeleri, pirinç kabuğu, buğday samanı, vb), jüt lignocellulose biyokütle da çok büyük miktarlarda (ca. %98 2014 yılında) Asya'da dünyanın toplam Jüt üretim göre üretilmektedir. Süre Bangladeş x 106 metrik ton Jüt biyokütle 20144x 106 metrik ton (3.39) dünyada toplam üretimi karşılaştırıldığında Jüt biyokütle 1,34 üretmek Hindistan x 106 metrik ton Jüt biyokütle 1,96 üretir. Bu yenilebilir olmayan biyokütle kullanımı gıda talebi ile çatışma değil. Bu nedenle, bir hisse senedi katma değer çeşitli sentezleme için kullanmak faydalıdır kimyasallar (ksiloz, arabinoz, furfural, 5-hydroxymethylfurfural (HMF), vb). ABD Enerji Bakanlığı'nın göre furfural ve HMF bazı biyokütle5elde edilen en iyi 30 yapı taşı kimyasal olarak kabul edilir. Furfural ksiloz veya doğrudan koful elde edilir ve birçok önemli kimyasal dönüştürülebilir. Furfuryl alkol, metil furan ve tetrahydrofuran furfural6' dan elde edilen önemli kimyasal maddelerdir. Bu nedenle, jüt biyokütle gibi lignocellulosic biyokütle çevrimi C5 şekerler ve diğer önemli kimyasal içine önemli bir konudur.

Değeri lignocellulosic biyokütle dönüşüm için çeşitli katalitik yöntemlerde kullanılabilir kimyasal maddeler eklenir kapsamlı raporlar. Mineral asitler (HCl ve H2SO4) ve türdeş olmayan Katalizörler (Amberlyst, HMOR, HUSY, SAPO-44, vb) önemli ölçüde şeker (şeker pentoz ve heksoz) koful ve lignocellulosic biyokütle dönüşüm için kullanılmıştır ve furans (furfural ve HMF)7,8. Yeniden kullanılabilirliği ve mineral asit corrosiveness önemli bir konudur. Reaksiyon katalizör yüzeyde oluşur çünkü ancak, katı asit katalizör ile daha yüksek sıcaklık ve basınç gereklidir. Bu sorunları aşmak için son zamanlarda ILS rapor edilmektedir biyokütle olarak bir katalizör ya da solvent9,10,11,12,13,14valorization için. Bir çözücü olarak IL kullanımı daha kullanışlı bir yöntem onun yüksek maliyeti ve daha düşük buhar basıncı zorluk ürün ayırma oluşturur ILS yüzünden değil. Bu nedenle, geri dönüşümlü IL (küçük miktarlarda) bir katalizör bir su çözücü sistemi biyokütle dönüştürülmek üzere katma değer kullanım için şarttır kimyasallar.

Burada, 1-methyl-3-(3-sulfopropyl) imidazolium hidrojen sülfat asitli IL pentosan Jüt biyokütle mevcut doğrudan dönüşüm içine şeker monomerleri olmadan herhangi bir ön katalizör kullanılmak üzere bir yöntem mevcut. Genellikle, ILS bildirilir lignocellulosic biyokütle10,15,16,17 Önarıtma için ILS çok büyük miktarda biyokütle Önarıtma için kullanılır. Bu nedenle, bu her zaman IL katalizör kullanmak için ve herhangi bir ek tedavi kimyasallar lignocellulosic biyokütle dönüştürmek için avantajlıdır. Ayrıca, mevcut çalışma, jüt biyokütle sunulan lignin konsantrasyon çeşitli aromatik monomerleri18dönüştürülmüş olabilir Klason yöntemi kullanılarak hesaplanır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sunan çalışmalarında kullanılan çeşitli kimyasalların toksik ve kanserojen. Lütfen tüm uygun güvenlik uygulamaları IL ve biyokütle işleme sentezi kullanırlar.

1. asidik Il hazırlanması

  1. Yuvarlak alt şişesi 50 ml 1,3-propan sultone 7.625 mmol Ekle ve balon lastik septum ile kapatın.
  2. 1-methylimidazole 7.625 mmol 1,3-propanesultone 7.625 mmol yavaş yavaş ekleyin (10 dakika) 0 ° c (1 mL) kullanarak.
  3. 1-methylimidazole ve 1,3-propanesultone tam eklenmesi sonra 15 mL kuru Toluen ekleyin ve karışımı 120 ° c katı zwitterion almak için 16 h için cezir.
  4. Filtrasyon kullanarak Toluen zwitterion ayırın ve sonra zwitterion 40 mL Toluen ile yıkayın. Zwitterion kurutma için fırın sıcaklığı 80 ° C'ye ayarla Fırın sıcaklığı 80 ° C ulaştıktan sonra örnek 4 h fırında tutun ve kurutulmuş zwitterion sonraki adımda kullanın.
  5. Sülfürik asit zwitterion (zwitterion ve sülfürik asit eşit mol) içeren yuvarlak alt balonun eklemek 1.000 µL micropipette kullanarak. Sonra yuvarlak alt şişeye reflü kondansatör bağlayın. Isı ve istenilen IL almak 12 h için 110 ° C'de karışımı ilave edin.
    Not: Tepki sülfürik asit ve zwitterion arasında herhangi bir solvent gerçekleştirilir.
  6. Sonra sentez asidik Il 1H ve 13C NMR spektroskopi kullanarak karakterize eder.

2. Hammett asit (Ho) belirlenmesi

  1. P- nitroaniline göstergesi 10 mg 1 L volumetric flask ekleyin ve sonra bir 1 L çözüm yapmak için distile su ekleyin. Çözüm 2 min için elle de sallamak ve p- nitroaniline (boş çözüm) suda karıştırmak 1 h için çözüm bırakın.
  2. H+ iyon asit katalizör 1.59 mmol ekleyin (HCl/H2SO4/ asidik IL) 50 ml, p- nitroaniline gösterge çözüm ve sallamak elle (örnek çözümü) karıştırma için çözüm.
    Not mevcut çalışmalarında kullanılan tüm asit Katalizörler (HCl, H2SO4ve asidik IL) ayrı ayrı 50 mL gösterge çözüm (Tablo 1) Hammett asit (Ho) belirlenmesi için eklenir.
  3. Boş çözüm (p- nitroaniline) ve örnek çözümü ( p- nitroaniline solüsyon içeren katalizör) UV ölçümü gerçekleştirmek ve p- nitroaniline Amax belirler.
  4. Son olarak unprotonated [I] ve protonated [IH+] göstergesi çözümleri p- nitroaniline ve örnek çözümler Amax değerini kullanarak molar konsantrasyonu hesaplayın. 2 aşağıdaki denklemi kullanarak Ho hesapla
    figure-protocol-1    Denklem 1
    pK(I)aq nerede pKbir p- nitroaniline göstergesi su (pKa 0,99 =) ve [I] ve [IH+], unprotonated ve protonated molar konsantrasyonlarının göstergesi, sırasıyla çözümlerdir.

3. analiz Jüt biyokütle

  1. Pentosan Analizi
    Not: Jüt biyokütle 105 ° c fırında 16 h için kurutulmuş fırın var.
    1. Bir 1 L alt şişesi yuvarlak fırın kurutulmuş Jüt biyokütle 3 g ekleyin ve sonra 100 mL 3,85 N HCl çözeltisi ekleyin.
    2. Şişeye damıtma cihazı bağlayın ve karıştırma ve belgili tanımlık eriyik kaynama başlar böylece Isıtma başlar.
    3. Dropwise Jüt biyokütle ve HCl çözüm içeren yuvarlak alt şişeye Huni kullanarak 3,85 N HCl 250 mL ekleyin.
    4. Yuvarlak alt balonun içinde sabit birim (100 mL) sırasında damıtma 3,85 N HCl çözüm dropwise ekleyerek korumak.
    5. 220 mL distile toplanan denemeyi durdurur. Sonra 500 ml distile su ile toplanan öz oranında seyreltin.
    6. UV-görünür Spektrometre kullanılarak örneğini analiz ve 280 absorbans kayıt nm.
    7. Pentosan % seyreltme ve absorbans değeri kullanarak aşağıdaki formüle göre belirler:
      figure-protocol-2    Denklem 2
      Not: Bu yöntem teknik Selüloz ve Kağıt Sanayi (TAPPI) yöntemi pentosan analiz9,19için denir. 2-3 kez denemeyi tekrarlamak ve pentosan % ortalama değerini alır. Gerekirse, optimum sınırlamak için absorbans almak için toplanan öz oranında seyreltin.
  2. Analiz ve lignin
    Not: lignin analiz için kullanmadan önce Jüt biyokütle mevcut nem kaldırın. Jüt biyokütle 105 ° C nem kaldırmak 16 h için bir fırında tutun.
    1. Jüt biyokütle 1 g 50 mL şişe ekleyin ve 72 wt% H215 mL kadar eklemek4 ' te Jüt biyokütle içeren flakon. 30 ° c 2 h için tesis karıştırma ile sıcak bir tabak kullanarak karışımı ilave edin.
    2. Alt şişesi yuvarlak bir 1 L 150 mL distile su ekleyin ve sindirilmiş biyokütle örnek (şişede mevcut) flask için transfer.
    3. Şişeyi 195 mL su ile yıkayın ve bir 1 L sindirilir biyokütle içeren alt şişesi yuvarlak içine yıkanmış sıvı transfer.
    4. 4 h için çözüm cezir ve yuvarlak alt şişeye oda sıcaklığında için serin. 12 h çözünmez lignin ve kül yerleşmek için bekleyin.
    5. Ash ile çözünmez lignin elde etmek için bir G2 pota kullanarak çözüm filtre. Sonra çözünmeyen katı 150 mL asitsiz yapmak için sıcak su ile yıkayın.
    6. 60 ° c fırında 16 h için katı (lignin + kül) Kuru ve daha fazla 105 ° C fırında 1 saat için kuru.
    7. Örnek desiccator tutmak ve örnek soğuyunca kilo almak. Bu aşamada elde edilen lignin kül içerir ve bu nedenle düzeltilmeyen lignin denir.
    8. Kül düzeltme 650 ° c hava huzurunda 5 h için elde edilen örnek Isıtma tarafından gerçekleştirin. Aşağıdaki formül kullanılarak kül Düzeltme Eki
      figure-protocol-3    Denklem 3

4. dönüşüm Pentosan Jüt Biyokütleden içine şeker

  1. Fırın kurutulmuş Jüt biyokütle 2 g bir yüksek basınç ve yüksek sıcaklık toplu reaktör (160 mL Parr reaktör) ekleyin. 60 mL su ile birlikte asidik Il 0,24 g ekleyin ve 160 ° c sıcaklık artışı
  2. Reaktör ilâ 160 ° c Isıtma iken 200 rpm karıştırma hızını 160 ° C sıcaklık ulaşıldığında, 600 RPM karıştırma hızını artırmak.
  3. 1s için reaksiyon devam. O zaman, 200 rpm karıştırma bağlantı hızını azaltın ve Isıtma durdurmak.
  4. Reaktör oda sıcaklığına kadar soğumasını sağlar. Karıştırma durdurmak, reaktör açın ve katı tepki karışım ayırın. HPLC kullanarak tepki karışımı çözümlemesi gerçekleştirin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pentosan ve lignin biyokütle kurtarıldı tam miktarı lignocellulosic biyokütle türüne göre değişir. Benzer türdeki diğer lignocellulosic biyokütle farklı yerlerden toplanan pentosan ve lignin farklı konsantrasyon olabilir. Bu çalışmada kullanılan Jüt biyokütle 20 wt% pentosan ve 14 wt% lignin içerir.

Şekil 1 gösterir mineral asitler katalitik aktivitesini karşılaştırılması (H2<...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pentosan SO4, HCl ve asidik IL içine şeker monomer gösterdi H2gibi çeşitli homojen Brønsted asidik katalizörler kullanarak C5 Jüt biyokütle dönüşüm içinde mevcut. Ayrıca, katalitik sonucu asidik IL IL olmadan asit (1-butil-3-methylimidazolium klorür) ile karşılaştırıldı. Bütün tepkiler su 160 ° C'de Parr Otoklav içinde gerçekleştirilmiştir. Asidik IL kullanımını gösterdi zaman homojen asitler Bu çalışmada kullanılan göre en yüksek pentosan dönüşüm (mineral asitler H2SO4 ve HCl)...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

İfşa etmek yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bakanlığı Bilim ve teknoloji (çoğu) Tayvan teşekkür etmek istiyorum (104-2628-E-002-008-MY3 105-2218-E-155-007; 105-2221-E-002-003-MY3; 105-2221-E-002-227-MY3; 105-2622-E-155-003-CC2) ve Top Ulusal Tayvan Üniversitesi Projesi için amaç Üniversitesi (105R7706) finansman desteği için. Biz bu çalışma sayesinde bir alt proje, yüksek eğitim kalite geliştirme projesi (HEQEP), tam teklif #2071 kısmi finansman için Dünya Bankası için müteşekkiriz. Bu eser de kısmen (altın fon) Üniversitesi Wollongong'ın AIIM tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1-MetilimidazolSigma AldrichM50834
1,3-PropansülfonSigma AldrichP50706Neme duyarlı
p-nitroanilinSigma Aldrich185310
ToluenJ. T. Baker9460-03
Sülfürik asitHoneywell-Fluka30743Yüksek aşındırıcı
Hidroklorik asitHoneywell-Fluka30719Yüksek derecede aşındırıcı
1-butil-3-metilimidazolyum klorürSigma Aldrich900856Yüksek higroskopik
D (+) - KsilozAkros Organikler141001000
L (+) - ArabinozAcros Organics104981000
UV SpektrometresiJASCOV-670
Parr reaktörüParr USASeriese 4560
Parr reaktör kontrolörüParr USASeriese 4848
Yüksek basınçlı sıvı kromatografisi (HPLC)JASCOSeriese LC-2000
Dijital sıcak plaka karıştırıcıThermo ScientificSP142020-33Q Cimarec
Fırın fırınıThermal ScientificFB1400 Termolyne yüksek fırın fırını

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Demirbaş, A. Biomass resource facilities and biomass conversion processing for fuels and chemicals. Energy Convers. Manage. 42 (11), 1357-1378 (2001).
  2. Matsagar, B. M., Dhepe, P. L. Brönsted acidic ionic liquid-catalyzed conversion of hemicellulose into sugars. Catal. Sci. Technol. 5 (1), 531-539 (2015).
  3. Matsagar, B. M., Dhepe, P. L. Effects of cations, anions and H+ concentration of acidic ionic liquids on the valorization of polysaccharides into furfural. New J Chem. 41 (14), 6137-6144 (2017).
  4. Food and Agriculture Organization of the United Nations. , Available from: http://faostat3.fao.org/download/Q/QC/E (2014).
  5. Costa Lopes, A. M., Morais, A. R. C., Łukasik, R. M. Sustainable Catalytic Strategies for C5-Sugars and Biomass Hemicellulose Conversion Towards Furfural Production. Production of Platform Chemicals from Sustainable Resources. , Springer Singapore. 45-80 (2017).
  6. Matsagar, B. M., Munshi, M. K., Kelkar, A. A., Dhepe, P. L. Conversion of concentrated sugar solutions into 5-hydroxymethyl furfural and furfural using Bronsted acidic ionic liquids. Catal. Sci. Technol. 5 (12), 5086-5090 (2015).
  7. Gürbüz, E. I., et al. Conversion of Hemicellulose into Furfural Using Solid Acid Catalysts in γ-Valerolactone. Angew Chem Int Ed. 52 (4), 1270-1274 (2013).
  8. Filiciotto, L., Balu, A. M., Van der Waal, J. C., Luque, R. Catalytic insights into the production of biomass-derived side products methyl levulinate, furfural and humins. Catal Today. 302, 2-15 (2017).
  9. Matsagar, B. M., et al. Direct Production of Furfural in One-pot Fashion from Raw Biomass Using Brønsted Acidic Ionic Liquids. Sci. Rep. 7 (1), 13508(2017).
  10. Gschwend, F. J. V., et al. Pretreatment of Lignocellulosic Biomass with Low-cost Ionic Liquids. J Vis Exp. (114), e54246(2016).
  11. Xu, F., et al. Transforming biomass conversion with ionic liquids: process intensification and the development of a high-gravity, one-pot process for the production of cellulosic ethanol. Energy Environ. Sci. 9 (3), 1042-1049 (2016).
  12. Sun, J., et al. One-pot integrated biofuel production using low-cost biocompatible protic ionic liquids. Green Chem. 19 (13), 3152-3163 (2017).
  13. Nguyen, C. V., et al. Combined treatments for producing 5-hydroxymethylfurfural (HMF) from lignocellulosic biomass. Catal Today. 278 (Part 2), 344-349 (2016).
  14. Yan, N., Yuan, Y., Dykeman, R., Kou, Y., Dyson, P. J. Hydrodeoxygenation of Lignin-Derived Phenols into Alkanes by Using Nanoparticle Catalysts Combined with Brønsted Acidic Ionic Liquids. Angew Chem Int Ed. 49 (32), 5549-5553 (2010).
  15. Weerachanchai, P., Lee, J. -M. Recyclability of an ionic liquid for biomass pretreatment. Bioresour. Technol. 169 (Supplement C), 336-343 (2014).
  16. Shill, K., et al. Ionic liquid pretreatment of cellulosic biomass: Enzymatic hydrolysis and ionic liquid recycle. Biotechnol Bioeng. 108 (3), 511-520 (2011).
  17. Tadesse, H., Luque, R. Advances on biomass pretreatment using ionic liquids: An overview. Energy Environ. Sci. 4 (10), 3913-3929 (2011).
  18. Agirrezabal-Telleria, I., Gandarias, I., Arias, P. L. Production of furfural from pentosan-rich biomass: Analysis of process parameters during simultaneous furfural stripping. Bioresour. Technol. 143 (Supplement C), 258-264 (2013).
  19. Yingying, L., et al. An Improved Method for Determination of Pentosans in Pulps using Dual-Wavelength Spectroscopy. BioResources. 11 (3), 6801-6807 (2016).
  20. Kumar, A. K., Sharma, S. Recent updates on different methods of pretreatment of lignocellulosic feedstocks: a review. Bioresour. Bioprocess. 4 (1), 7(2017).
  21. Kumar, P., Barrett, D. M., Delwiche, M. J., Stroeve, P. Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production. Ind. Eng. Chem. Res. 48 (8), 3713-3729 (2009).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

C5 eker Senteziyonik S v SenteziNMR SpektroskopisiAsit G c l mTermal Kararl l kHidrotermal Kararl l kHPLC Analizi

İlgili makaleler