Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Fraktionering av lignocellulosabiomassa med hjälp av OrganoCat-processen

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 är en metod för förbehandling och fraktionering av lignocellulosa under milda förhållanden till lignin, fermenterbara sockerarter och cellulosamassa. I ett biogent, bifasiskt lösningsmedelssystem av vatten och 2-metyltetrahydrofuran med 2,5-furankarboxylsyra som katalysator separeras OrganoCat-produkterna på plats för enkel produktåtervinning.

Abstract

Övergången från en petroleumbaserad till en mer hållbar och biobaserad ekonomi kräver utveckling av nya raffinaderikoncept för att upprätthålla råvaru- och energiförsörjningen. För dessa nya och hållbara bioraffinaderikoncept är det viktigt att använda katalysatorer och lösningsmedel som är i linje med principerna för grön kemi. Därför kan implementeringen av biogena alternativ vara en lovande lösning. Lignocellulosaförbehandling och fraktioneringsprocessen som presenteras häri-OrganoCat-är en integrerad fraktionering av lignocellulosa i dess huvudkomponenter med biogena syror som 2,5-furandicarboxylic syra som katalysator. Hemicellulosa och andra icke-cellulosaposiska polysackarider avsatts selektivt av den utspädda syran och löses upp, medan den kristallina cellulosan förblir i den fasta massan. I närvaro av en andra organisk fas bestående av biogen 2-metyltetrahydrofuran extraheras disentangled lignin in situ. Processen möjliggör effektiv fraktionering av de tre huvudkomponenterna lignin, cellulosa och icke-cellulosasocker. Detta hjälper till att fokusera på kvaliteten på lignin, förbättringen av enzymatisk hydrolys av cellulosaberikad massa och den milda icke-cellulosasockerutvinningen med låg nedbrytning.

Introduction

Användningen av fossila resurser har medfört stora tekniska framsteg eftersom de utgör grunden för många produkter som är nödvändiga för vardagen. Begränsningen av resurser som olja och gas på jorden och de miljöskador som är förknippade med deras utnyttjande skapar dock ett akut behov av alternativ. Lignocellulosabiomassa är en lovande källa för kolbaserade kemikalier, eftersom den är förnybar, mångsidig och koldioxidneutral1. Lignocellulosa består i grunden av tre huvudfraktioner för att använda: hemicelluloser, cellulosa och lignin. Dess industriella bearbetning har en lång historia. Etablerade och utbredda processer, såsom sulfit- och Kraftprocesserna från pappersindustrin, fokuserar dock främst på cellulosa för användning inom massa- och pappersindustrin2. En fullständig värdering av alla tre lignocellulosafraktioner behövs för att göra lignocellulosabearbetning mot kemikalier mer lönsam ur ett ekonomiskt och miljömässigt perspektiv.

I många lignocellulosa valoriseringsstrategier är lignin en ren biprodukt som ofta bränns för energiåtervinning. För närvarande används endast 1-2% av det industriellt producerade lignin för att producera mervärdesprodukter som betongtillsatser, tensider och vanillin3. Ändå är det den största förnybara källan till aromater och har därför lovande egenskaper för tillämpning som grund för polymerer4,kolfibrer5och bränsle2. Utmaningarna i värderingen av lignin ligger i dess komplexa struktur och mångfald, beroende på källmaterialet och extraktionsförhållandena. På grund av deras processförhållanden levererar dessutom de vanligaste lignocellulosafraktioneringsprocesserna sulfonerat lignin med ett stort antal C-C-kopplingar mellan monomerenheterna. Därför är kommersiellt tillgängligt lignin utmanande att avpolymerisera.

En rad olika tillvägagångssätt, som fokuserar på holistiskt utnyttjande av alla tre fraktionerna, har utvecklats för lignocellulosa fraktionering. De flesta processer förlitar sig på hydrolys av hemicellulosa, antingen med utspädda syror och baser eller genom att använda autoprotolys av vatten vid förhöjda temperaturer. Som ett av de mest utforskade alternativen använder organosolvprocesser lågkokande organiska lösningsmedel, vanligtvis i kombination med vatten. Välkända varianter av denna process inkluderar Alcell-processen, som använder 50% etanol, och Organocell-processen, som använder metanol i det första steget och lägger till NaOH i det andra steget. Syraorganosolv processer som använder myrsyra eller ättiksyra beskrivs också2. På grund av den senaste tidens fokus på valorisering av lignin som en viktig bioraffinaderiprodukt har nya metoder utvecklats, som kombinerar ligninutvinning med efterföljande eller integrerade omvandlingssteg för att ge mindre ligninföreningar och mer stabila och värdefulla produkter6,7,8.

OrganoCat lignocellulosa fraktioneringsprocessen (OrganoCat) är baserad på ett tvåfassystem av vatten och 2-metyltetrahydrofuran (2-MTHF)9. Dessutom används en återvinningsbar organisk syra som katalysator, som selektivt hydrolyserar hemicelluloses vid milda temperaturer. Alla processkemikalier kan produceras på ett relativt billigt och biogent sätt, vilket sänker processens miljöpåverkan i enlighet med principerna för grön kemi10. Processen levererar tre separata produktströmmar med lignin i den organiska fasen, depolymeriserade hemicellulosasocker i vattenfasen och cellulosaberikad massa som en fast rest. Eftersom produktströmmarna lätt kan separeras kan nedströmssteg, energibehov och materialkostnader minskas avsevärt jämfört med till exempel monofasiska tillvägagångssätt. Lignin har en relativt låg molekylvikt och ett stort antal β-O-4 kopplingar11. De depolymeriserade hemicellulosasocker kan användas för jäsning eller omvandling till finkemikalier12. Cellulosamassan är mycket tillgänglig för enzymatisk depolymerisering9.

Den ursprungliga OrganoCat-processen använder oxalsyra som katalysator för att fraktionera lignocellulosa. Oxalsyra kan sedan återvinnas genom kristallisering9. Detta ökar dock processkostnaderna för kylning av reaktionen och partiell avdunstning av vatten. Den partiella nedbrytningen av oxalsyra skulle minska intäkterna ytterligare13. Av denna anledning förbättrades OrganoCat-processen genom att införa 2,5-furandicarboxylsyra (FDCA) som katalysator11. FDCA är inte bara tillräckligt surt för att katalysera reaktionen, men kan också härledas från glukos via uttorkning till 5-hydroximetylfurfural och efterföljande oxidation med metallbaserade katalysatorer eller biokatalysatorer14,15,16,17. Även om surheten hos FDCA är något lägre, har den en högre termisk stabilitet än oxalsyra. FDCA har en låg löslighet i vatten vid rumstemperatur, vilket möjliggör enkel återhämtning från vattenfasen efter reaktionen.

En uppskalning av OrganoCat-processen utvecklades framgångsrikt till en 3L-reaktor 18. Ytterligare studier på OrganoCat lignin fann att antisolvent nederbörd med n-hexan eller n-pentanemöjliggör en energieffektiv ligninåtervinning19. Det var möjligt att få ligninfraktioner med olika molekylvikter20. Detta dokument presenterar den fullständiga förberedande metoden för en skalbar, ettstegs fraktioneringsprocess av lignocellulosa biomassa med FDCA som katalysator. Denna process ger extraherad lignin, depolymeriserade hemicelluloser och cellulosamassa i tre lätt särskiljbara produktströmmar.

Protocol

OBS: Processen kan pausas när som helst genom att lämna proverna i rumstemperatur (i några dagar) eller i kylskåpet (under längre perioder). Se materialförteckningen för mer information om de material som används i detta protokoll.

1. Bokträdspartiklar

  1. Generera önskad partikelstorlek på bokträ(Fagus sp.) med hjälp av en skärkvarn med en sikt på 10 mm och torka partiklarna vid 50 °C till konstant massa (~ 24 h), vilket lämnar en restfuktighet på ~ 10% vatten.

2. Lignocellulosic fraktionering och workup

  1. Lignocellulosa förbehandling och fraktionering
    1. Suspendera 500 mg bokträ(Fagus sp.) partiklar och 78,0 mg (0,5 mmol, 0,1 M) FDCA i 5 ml ultrapurvatten vid rumstemperatur i en 25 ml högtrycksreaktor av rostfritt stål. Tillsätt 5 ml 2 MTHF och en omrörningsstång till fjädringen och stäng reaktorn. Värm reaktorn till 160 °C på en värmeplatta vid en omrörningshastighet på 1500 varv/min i 1 tim.
    2. Låt reaktionen svalna till rumstemperatur i isvatten under en period av ~10 min. Öppna reaktorn, tillsätt 52,5 μL NaOH-lösning (50 wt% NaOH i destillerat vatten) och rör om i 15 minuter vid rumstemperatur och 500 varv/min på en omrörningsplatta.
  2. Isolering av organisk fas och ligninkvantifiering
    1. Centrifugera blandningen (rumstemperatur, 5 min, 1880 × g). Använd en pipett för att överföra den organiska fasen (2-MTHF) till en 50 ml rund bottenkolv.
    2. Avdunsta den organiska fasen i en roterande förångare (40 °C, 200 varv/min, 180 mbar) tills en fast och torr ligninfraktion erhålls. Bestäm ligninutbytet genom att väga med en analytisk balans. Förvara det fasta lignin i rumstemperatur för vidare analys.
  3. Separation av fast cellulosaberikad massa och vattenfas
    1. Filtrera vattenfasen med hjälp av ett cellulosafilterpapper (17-30 μm porstorlek) i en tratt för att isolera den cellulosaberikade massan och överför vattenfasen till en 5 ml flaska. Tvätta massan tills den är neutral pH med 3 x 25 ml vatten och förvara tvättlösningen separat i en 100 ml bägare. Torka massan vid 80 °C till konstant massa (~24 h).
    2. Bestäm det torkade massautbytet genom att väga med en analytisk balans.
  4. FDCA återhämtning och isolering av vattenfas
    1. Justera vattenfasens pH och tvättlösningen från steg 2.3 separat under konstant omrörning till pH 1 med koncentrerad HCl samtidigt som lösningen kyls i ett isbad. Styr pH-värdet med hjälp av universellt indikatorpapper.
    2. Filtrera det utfällda fasta (FDCA) från båda lösningarna, kombinera resterna och torka vid 80 °C till konstant massa (~24 h). Kassera tvättarna. Bestäm FDCA-avkastningen genom att väga med en analytisk balans.
    3. Överför vattenfasen till en 25 ml-kolv och förvara den vid 4 °C för analys.
  5. Provberedning för furfural kvantifiering
    1. Utför ett separat experiment för att bestämma mängden furfural. Upprepa steg 2.1.1-2.2.1.
    2. Tillsätt 40 mg n-dekantan som en intern standard till den insamlade organiska lösningsmedelsfraktionen och förvara för analys.

3. Analys

  1. Analys av socker i vattenfasen genom högpresterande anjonutbyteskromatografi med pulsad amperometrisk detektion (HPAEC-PAD)
    1. Späd 10 μL av vattenfasen som samlats in i steg 2.4.3 med 190 μL destillerat vatten. Tillsätt 10 μL 2 mM 2-deoxy-D-glukos till det utspädda provet.
    2. Utför separationen av monosackarider på en monosackartidavskiljarekolonn med en flödeshastighet på 0,5 mL▼min-1, och injicera provet efter jämvikt med 2 mM NaOH i 10 min. Separera de neutrala sockerarter med 2 mM NaOH över 18 min. Använd därefter 550 mM NaOH i 10 min för att separera uronsyrorna. Skölj kolonnen med 800 mM NaOH i 10 min.
      OBS: Programvaran normaliserar mängden monosackarider till mängden intern standard och kvantifierar dem med hjälp av standardkalibreringskurvor för de olika monosackariderna.
  2. Ligninanalys via 1H-13C heteronukleär enkel kvantkorrelation kärnmagnetisk resonans (1H-13C-HSQC NMR)
    1. Lös upp ~50 mg lignin i 0,5 ml deutererad dimetylsulfoxid ([d6] DMSO) och överför blandningen till ett NMR-rör. Utför 1H-13C HSQC (mättid 220 min) NMR-mätningar med en spektrometer på 400 MHz.
    2. Bestäm vilka typer av kopplingar som finns i lignin med hjälp av spektrumet.
      1. Referera till spektrumets kemiska förskjutning till DMSO-signalen (δ(1H) = 2 500 ppm; δ(13C) = 39,52 ppm).
      2. Utför en manuell faskorrigering på båda axlarna tills alla signaler är positiva och utför sedan en baslinjekorrigering.
      3. Integrera signalerna från de aromatiska enheterna och ligninkopplingarna; Se tabell 1 för de kemiska skiftena.
    3. Beräkna summan av de aromatiska enheterna (arom.) med följande formel:
      Σ(arom.) = (S2,6 / 2) + ((G2 + G5) / 2) + (H2,6 / 2) (1)
      Med Si är integralen över signalen som motsvarar 2 och 6 syringylprotoner, Gi är integralerna över signalerna som motsvarar 2 och 5 guaiacyl protoner, och Hi är integralen över signalen som motsvarar 2 och 6 p-hydroxyphenyl protoner.
    4. Beräkna procentandelen av varje enhet med hjälp av följande 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 och H som procentandelar av respektive monomers-syringyl- (S), guaiacyl- (G) och p-hydroxyfenyl (H)-monomer enheter per 100 monomer enheter.
    5. Beräkna antalet kopplingar per 100 enheter med hjälp av följande formler:
      β-O-4 kopplingar = α β-O-4 / Σ(arom.) × 100% (5)
      kopplingar = (α β β + β β-β + γ β-β) / Σ(arom.) × 100% (6)
      kopplingar = (α β-5 + β β-5 + γ β-5) / Σ(arom.) × 100% (7)
      Med α, β och γ är integralen över signalen som motsvarar α-, β- och γ-protonsignalerna från motsvarande β- O-4-,β-β- och β-5-kopplingar.
      OBS: Kopplingar anges som länkning per 100 monomerenheter. På grund av överlappning av toppar beräknas β-O-4 med endast den α protonsignalen. β-β och β-5-kopplingar beräknas med hjälp av alla signaler i motsvarande länkning.
  3. Analys av gelpermeationskromatografi (GPC)
    1. Lös upp 10 mg torkat lignin och 1 mg glukos (som intern standard) i 1 ml 0,1 M NaOH och 0,01 wt% NaN3 vattenlösning i en 1,5 ml gaskromatografi (GC)-injektionsflaska. Stäng GC-injektionsflaskan med en keps med septum.
    2. Injicera 100 μL av provet i ett högpresterande system för vätskekromatografi (HPLC) utrustat med en ultraviolett detektor och övervaka en våglängd på λ = 280 nm. Använd ett system bestående av ett prekolumnprogrammerat system för delad temperatur/splitless injektorsystem med polig kiseldioxid (8 mm x 50 mm) och tre gelpelare (8 mm x 300 mm, partikeldiameter: 5 μm, nominell porbredd: 1000 Å) med en flödeshastighet på 1 mL min-1. Hänvisa de erhållna uppgifterna till signalen från den interna standarden (glukos). Beräkna massfördelningen med hjälp av programvaran, som refereras till en extern kalibrering med poly (styrensulfonat) i ett intervall från 266 till 65000 Da.
  4. Furfural kvantifiering via GC
    1. Tillsätt 20 mg n-dektan som intern standard till den organiska fasen av OrganoCat-förbehandlingen. Överför 1 ml av den organiska fasen till en 1,5 ml GC-flaska.
    2. Injicera 1 μL av denna lösning i en gaskromatograf med en 30 m kolonn med en polär polyuretanglykol stationär fas och helium som bärgas med en flödeshastighet på 1,5 ml min-1 och en flamjoniseringsdetektor. Ställ in den ursprungliga temperaturen på 50 °C, höj sedan med 8 °C min-1 till 250 °C och håll vid 250 °C i 5 min.
    3. Kvantifiera furfural med hjälp av integralerna (Int) som ges av programvaran och en externt beräknad korrigeringsfaktor (jfr).
      1. Förbered ett prov på 1 mg furfural och 5 mg n-dekantan i 1 ml 2 MTHF och injicera det i GC med det ovannämnda förfarandet. Beräkna korrigeringsfaktorn enligt följande:
        cf = (Int(n-dekantan) / m(n-dekant)) / (Int (furfural) / Int(furfural)) (8)
      2. Använd korrigeringsfaktorn för att beräkna mängden furfural i det okända provet med följande formel:
        m(furfural) = m(n-dekant) / Int(n-dekant) × jfr × int (furfural) (9)
  5. Cellulosaberikad massahydrolys
    1. Utför massahydrolys av cellulosaberikade rester som erhållits från OrganoCat-förbehandling i ett värmeblock med blandning (se materialtabellen)med hjälp av 1,5 ml injektionsflaska.
    2. Tillsätt 20 mg cellulosaberikad massa och 10 μL cellulas (60 filterpappersenheter (FPU) ml-1 och 82 cellobiasenheter (CBU) ml-1) till 1 ml citratbuffert (pH = 4,5) i en 1,5 ml flaska och skaka vid 50 °C i 0 h, 1 h eller 72 timmar. Värm därefter proverna till 99 °C i 10 minuter för att denaturera enzymerna.
    3. Bestäm glukoskoncentrationen med hjälp av ett glukos (hexokinas) analyskit.

Representative Results

En typisk uppsättning villkor för lignocellulosaförbehandlings- och fraktioneringsprocessen OrganoCat (OrganoCat) använder 0,1 M FDCA som katalysator, en biomassabelastning på 100 gL-1 (bokträ, jämfört med vattenfasen), 1 h reaktionstid och 160 °C som reaktionstemperatur. Sammansättningen av bokträ har publicerats någon annanstans21 (~ 48% cellulosa, 27% hemicellulosa, 26% lignin). Figur 1 visar det extraherade hemicellulosahydrolysatet med denna uppsättning förhållanden samt längre reaktionstid (3 h) och lägre temperatur (140 °C).

Att använda hårdare förhållanden, t.ex.högre temperatur och längre reaktionstid, kan leda till högre extraktionsutbyten, men leder också till mer nedbrytning av produkterna-furfural är en nedbrytningsprodukt av xylose, medan 5-(hydroxymetyl)furfural (5-HMF) är motsvarande nedbrytningsprodukt av glukos. En högre mängd furfural noterades i produkterna (distribueras mellan vattenhaltiga och organiska faser) med en reaktionstid på 3 h vid 160 °C. Eftersom sockernedbrytningsprodukterna är mycket reaktiva och tenderar att bilda humins-oligomerer av furaner och sockerarter - kan den kortare reaktionstiden vid högre temperatur betraktas som en bra kompromiss mellan hög extraktionseffektivitet och låg sockernedbrytning.

Mängden extraherat lignin är också direkt relaterad till reaktionstemperaturen och tiden. Figur 2 visar mängden lignin som extraheras, β- O-4-länkningsinnehåll och massgenomsnittet för molmassan hos de extraherade ligninerna. Medan den extraherade ligninutbytet stiger med längre reaktionstid, minskar antalet intakta β-O-4-kopplingar med ungefär hälften när de reagerar i 3 timmar istället för 1 h. Att sänka reaktionstemperaturen från 160 °C till 140 °C har en mycket lägre inverkan på lignin, vilket resulterari något mindre utbyte, mindre massagenomsnitt molmassa och högre β- O-4-innehåll.

Eftersom enzymatisk hydrolys av (lingo-)cellulosa är en vanlig indikator för massaeffektivitet, applicerades en kommersiell cellulosacocktail på de olika OrganoCat-massamassaerna som härrör från ovan nämnda OrganoCat-reaktionstillståndsuppsättningar(figur 3). Eftersom cellulasen inte är optimerad för substraten är den totala cellulosaomvandlingen inte jämförbar med den senaste prestandan. Det gör det dock möjligt att jämföra de olika massamassaerna med varandra. Den längre reaktionstiden uppvisar en betydande inverkan på den ursprungliga reaktionstiden och glukosutbytet efter 72 h, vilket förbättras med en faktor på ~ 2,5. Att sänka temperaturen verkar visa en mycket mindre inverkan, vilket innebär att den viktigaste faktorn som orsakar skillnaderna i enzymatisk smältbarhet inom denna behandling är graden av delignifiering.

Figure 1
Figur 1: Sockerutvinning och furfuralproduktion i OrganoCat-processen med 0,1 M 2,5-furandicarboxylsyra som katalysator och 100 gL-1 bokträ (jämfört med vattenfasen) vid olika reaktionstemperaturer och tider som anges på xaxeln11. Alla experiment har utförts i tre exemplar. Medelvärdet visas med standardavvikelsen. Klicka här för att se en större version av den här figuren.

Figure 2
Figur 2: Mängd och analys av lignin som extraherats av OrganoCat-processen med 0,1 M 2,5-furandicarboxylic syra som katalysator och 100 gL-1 bokträ (jämfört med vattenfasen) vid olika reaktionstemperaturer och tider som anges på xaxeln11. Ligninavkastningen har beräknats i tre exemplar. Medelvärdet visas med standardavvikelsen. Molekylmassa och kopplingar härleddes från representativa enskilda experiment. Klicka här för att se en större version av den här figuren.

Figure 3
Figur 3: Enzymatisk hydrolys av massa. Glukosutbytet efter 72 h (blå stänger) och reaktionshastigheter inom den första timmen (grå stänger) från hydrolysen av obehandlat bokträ och cellulosaberikad massa som erhållits från OrganoCat med 0,1 M 2,5-furandicarboxylicsyra som katalysator och 100 gL-1 bokträ (jämfört med vattenfasen) vid olika reaktionstemperaturer och tider som anges på xaxeln. Cellulas applicerades på de olika substraten vid 50 °C i upp till 72 timmar i ritbuffert (pH 4,5)11. Alla experiment har utförts i tre exemplar. Medelvärdet visas med standardavvikelsen. Klicka här för att se en större version av den här figuren.

Enhet Skift δ (1H)(13C) Koppling 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: Kemiska skiftningar bestäms av 1H-13C heteronukleär enkel kvantkorrelation kärnmagnetisk resonans(1H-13C-HSQC NMR) för olika kopplingar i lignin. Förkortningar: S = syringylenhet, G = guaiacylenhet, H = p-hydroxyfenylenhet.

Discussion

Den beskrivna fraktioneringen av lignocellulosa visar en kompromiss mellan hemicellulosa hydrolys effektivitet och selektivitet för att undvika sockernedbrytning till furaner, beroende på reaktionstid och temperatur (figur 1). Lignin extraktion påverkades på samma sätt av de hårdare förhållandena. Särskilt minskningen av β-O-4-kopplingar och förbättring av massa genomsnittlig molekylvikt på grund av rekondensering vid högre temperatur och reaktionstid understryker denna kompromiss som måste göras. Valet av reaktionstid och temperatur är därför ett kritiskt steg i denna lignocellulosa fraktioneringsprocess. Eftersom effektiviteten av enzymatisk hydrolys verkar bestämmas mest av delignifiering i FDCA-katalyserad OrganoCat-processen, ger de hårdaste bearbetningsförhållandena den mest tillgängliga massan. Andra variationer i processen9,11,18,22, t.ex. med hjälp av olika katalysatorer, visar att katalysatorns styrka och det slutliga pH-värdet i den reaktiva lösningen har den starkaste effekten på processeffektiviteten. Ändringar av förfarandet, t.ex.försvällning med fosforsyra, har visat sig ha en gynnsam effekt också22. På grund av sorten i komposition behöver processen dock optimering, beroende på de olika råvarorna21. Med tanke på den totala processprestandan måste rening nedströms av de separerade fraktionerna övervägas, varför selektivitet spelar en viktig roll. Jämfört med andra organosolvliknande processer använder OrganoCat ett bifasiskt vatten/2-MTHF-system, vilket ger de viktigaste komponenterna i tre relativt enkla, separata strömmar. På så sätt kan ytterligare nedströms och resulterande energi- och utrustningskostnader minskasmed 13,18.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete utfördes som en del av Cluster of Excellence "Tailor-Made Fuels from Biomass" och "Fuel Science Center", som finansieras av Excellence Initiative från den tyska forskningsstiftelsen för att främja vetenskap och forskning vid tyska universitet, samt en del av Bioeconomy Science Center (BioSC), som stöds i projektet AP³ Focus Lab. Bioeconomy Science Centers vetenskapliga verksamhet stöddes ekonomiskt av ministeriet för innovation, vetenskap och forskning inom ramen för 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

Kemi nummer 172 Lignocellulosa massa bioraffinaderi OrganoCat lignin grön kemi fraktionering förbehandling
Fraktionering av lignocellulosabiomassa med hjälp av OrganoCat-processen
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