Summary
OrganoCat, lignoselülozun hafif koşullar altında lignin, fermente edilebilir şekerler ve selüloz hamuruna ön işlem ve fraksiyonasyonu için bir yöntemdir. Biyojenik, bifazik solvent su sisteminde ve katalizör olarak 2,5 furancarboxylic asitli 2-metiltetrahidrofuranda, OrganoCat ürünleri basit ürün geri kazanımı için yerinde ayrılır.
Abstract
Petrol bazlı bir ekonomiden daha sürdürülebilir ve biyo-bazlı bir ekonomiye geçiş, hammadde ve enerji arzını sürdürmek için yeni rafineri konseptlerinin geliştirilmesini gerektirir. Bu yeni ve sürdürülebilir biyorefinery kavramları için, Yeşil Kimya ilkelerine uygun katalizörler ve çözücüler kullanmak önemlidir. Bu nedenle biyojenik alternatiflerin uygulanması umut verici bir çözüm olabilir. Burada sunulan lignoselüloz ön işlem ve fraksiyonasyon işlemi-OrganoCat-katalizör olarak 2,5-furandicarboxylic asit gibi biyojenik asitler kullanılarak ana bileşenlerine lignoselüloz entegre bir fraksiyonasyonudur. Hemiselülozlar ve diğer selülozik olmayan polisakkaritler, seyreltilmiş asit tarafından seçici olarak depolimerize edilir ve çözülür, kristal selüloz ise katı hamurda kalır. Biyojenik 2-metiltetrahidrofurandan oluşan ikinci bir organik fazın varlığında, dağınık lignin yerindeçıkarılır. İşlem, üç ana bileşen-lignin, selüloz ve selülozik olmayan şekerlerin verimli bir şekilde fraksiyonasyonuna izin verir. Bu, lignin kalitesine, selülozla zenginleştirilmiş hamurun enzimatik hidrolizinin iyileştirilmesine ve düşük bozulma ile hafif selülozik olmayan şeker ekstraksiyonuna odaklanmaya yardımcı olur.
Introduction
Fosil kaynakların kullanımı, günlük yaşam için gerekli olan çok sayıda ürünün temelini oluşturduğu için büyük teknolojik ilerlemeler getirmiştir. Bununla birlikte, yeryüzündeki petrol ve gaz gibi kaynakların sınırlandırılması ve sömürülmeleriyle bağlantılı çevresel zararlar acil bir alternatif ihtiyacı yaratmaktadır. Lignoselülozik biyokütle, yenilenebilir, çok yönlü ve karbon nötr olduğu için karbon bazlı kimyasallar için umut verici bir kaynaktır1. Lignoselüloz temel olarak kullanmak için üç ana fraksiyondan oluşur: hemiselülozlar, selüloz ve lignin. Endüstriyel işleme uzun bir geçmişe sahiptir. Bununla birlikte, kağıt endüstrisinden sülfit ve Kraft süreçleri gibi yerleşik ve yaygın süreçler, esas olarak kağıt hamuru ve kağıt endüstrisinde kullanım için selüloza odaklanmaktadır2. Kimyasallara yönelik lignoselüloz işlemeyi ekonomik ve çevresel açılardan daha karlı hale getirmek için üç lignoselüloz fraksiyonunun da tam bir valorizasyonuna ihtiyaç vardır.
Birçok lignoselüloz valorizasyon stratejisinde lignin, genellikle enerji geri kazanımı için yakılan sadece bir yan üründür. Şu anda, endüstriyel olarak üretilen lignin sadece% 1-2'si beton katkı maddeleri, yüzey aktif maddeler ve vanilin3gibi katma değerli ürünler üretmek için kullanılmaktadır. Bununla birlikte, aromatiklerin en büyük yenilenebilir kaynağıdır ve bu nedenle polimerler4, karbon fiberler5ve yakıt2için temel olarak uygulama için umut verici özelliklere sahiptir. Lignin değerlenmesindeki zorluklar, kaynak malzemeye ve ekstraksiyon koşullarına bağlı olarak karmaşık yapısında ve çeşitliliğinde yatmaktadır. Ayrıca, proses koşulları nedeniyle, en yaygın lignoselüloz fraksiyonasyon işlemleri monomer üniteler arasında yüksek sayıda C-C bağlantısı ile sülfonated lignin sağlar. Bu nedenle, ticari olarak mevcut lignin depolymerize etmek zordur.
Lignoselüloz fraksiyonasyonu için her üç fraksiyonun da bütünsel kullanımına odaklanan bir dizi farklı yaklaşım geliştirilmiştir. Çoğu işlem, seyreltilmiş asitler ve bazlarla veya yüksek sıcaklıklarda suyun otoprotolizisini kullanarak hemiselülozun hidrolizine dayanır. En çok araştırılan seçeneklerden biri olarak, organosolv prosesleri genellikle su ile birlikte düşük kaynayan organik çözücüler kullanır. Bu sürecin iyi bilinen varyantları arasında% 50 etanol kullanan Alcell süreci ve ilk adımda metanol kullanan ve ikinci adımda NaOH ekleyen Organocell süreci bulunmaktadır. Formik veya asetik asit kullanan asit organosolv işlemleri de tanımlanmıştır2. Lignin büyük bir biyorefinery ürünü olarak değerlenmesine son zamanlarda odaklanılması nedeniyle, lignin ekstraksiyonunu daha küçük lignin bileşikleri ve daha istikrarlı ve değerli ürünler elde etmek için sonraki veya entegre dönüştürme adımlarıyla birleştiren yeni yaklaşımlar geliştirilmiştir6,7,8.
OrganoCat lignoselüloz fraksiyonasyon işlemi (OrganoCat), iki fazlı bir su sistemine ve 2-metiltetrahidrofuran (2-MTHF)9'adayanmaktadır. Ek olarak, geri dönüştürülebilir bir organik asit, hemiselülozları hafif sıcaklıklarda seçici olarak hidrolizleyen katalizör olarak kullanılır. Tüm proses kimyasalları nispeten ucuz ve biyojenik bir şekilde üretilebilir, bu da yeşil kimya ilkelerine uygun olarak prosesin çevresel etkisini düşürür10. Proses, organik fazda ligninli üç ayrı ürün akışı, sulu fazda depolimerize hemiselüloz şekerleri ve katı kalıntı olarak selülozla zenginleştirilmiş posa sağlar. Ürün akışları kolayca ayrılabildiğinden, aşağı akış adımları, enerji talebi ve malzeme maliyetleri, örneğin monofazik yaklaşımlara kıyasla önemli ölçüde azaltılabilir. Lignin nispeten düşük moleküler ağırlığa ve yüksek sayıdaβ-O-4 bağlantısına sahiptir11. Depolimerize hemiselüloz şekerler fermantasyon veya ince kimyasallara dönüştürme için kullanılabilir12. Selüloz hamuru enzymatic depolimerizasyon için son derece erişilebilir9.
Orijinal OrganoCat işlemi, lignoselülozu fraksiyone etmek için katalizör olarak oksalik asit kullanır. Oksalik asit daha sonra kristalizasyon ile geri kazanılabilir9. Bununla birlikte, bu reaksiyonun soğutulması ve suyun kısmi buharlaşması için proses maliyetlerini artırır. Oksalik asidin kısmi ayrışması gelirleri daha da azaltacaktır13. Bu nedenle, OrganoCat işlemi katalizör11olarak 2,5-furandicarboxylic asit (FDCA) getirilerek geliştirilmiştir. FDCA sadece reaksiyonu katalize etmek için yeterince asidik değildir, aynı zamanda dehidrasyon yoluyla glikozdan 5-hidroksimetilfurfural ve metal bazlı katalizörler veya biyokatalizörler ile sonraki oksidasyon14 , 15,16,17'yekadar türetilebilir. FDCA'nın asitliği biraz daha düşük olmasına rağmen, oksalik aside göre daha yüksek bir termal stabiliteye sahiptir. FDCA, oda sıcaklığında suda düşük çözünürlüğe sahiptir, bu da reaksiyondan sonra sulu fazdan doğrudan geri kazanımını sağlar.
OrganoCat prosesinin bir ölçeği 3 L reaktör18'ebaşarıyla geliştirilmiştir. OrganoCat lignin üzerinde yapılan ek çalışmalar, n -heksam veya n-pentan ile antisolvent yağışınınenerji verimli bir lignin geri kazanımı sağladığını buldu19. Farklı moleküler ağırlıklara sahip lignin fraksiyonları elde etmek mümkündü20. Bu makale, katalizör olarak FDCA kullanarak lignoselülozik biyokütlenin ölçeklenebilir, tek adımlı bir fraksiyonasyon işlemi için tam hazırlık yöntemini sunun. Bu işlem, kolayca ayrılabilen üç ürün akışında ayıklanmış lignin, depolimerize hemiselülozlar ve selüloz hamuru verir.
Protocol
NOT: Numuneler oda sıcaklığında (birkaç gün) veya buzdolabında (daha uzun süreler için) bırakılarak işlem herhangi bir noktada duraklatılabilir. Bu protokolde kullanılan malzemelerle ilgili ayrıntılar için Malzeme Tablosu'na bakın.
1. Kayın ağacı parçacıkları
- 10 mm elekli bir kesme değirmeni kullanarak kayın ahşiminin(Fagus sp.) istenen parçacık boyutunu oluşturun ve parçacıkları 50 °C'de sabit kütleye (~24 saat) kurutun ve ~%10 su kalıntısı nem içeriği bırakın.
2. Lignoselülozik fraksiyonasyon ve çalışma
- Lignoselüloz ön işlem ve fraksiyonasyonu
- 25 mL paslanmaz çelik yüksek basınçlı reaktörde oda sıcaklığında 5 mL ultra saf suda 500 mg kayın ağacı(Fagus sp.) partikülleri ve 78,0 mg (0,5 mmol, 0,1 M) FDCA'yı askıya alın. Süspansiyona 5 mL 2-MTHF ve karıştırma çubuğu ekleyin ve reaktörü kapatın. Reaktörü 1 saat boyunca 1500 rpm karıştırma hızında bir ısıtma plakasında 160 °C'ye ısıtın.
- Reaksiyonun ~ 10 dakikalık bir süre boyunca buzlu suda oda sıcaklığına soğumasını bekleyin. Reaktörü açın, 52,5 μL NaOH çözeltisi ekleyin (damıtılmış suda% 50 NaOH) ve oda sıcaklığında 15 dakika ve karıştırma plakasında 500 rpm karıştırın.
- Organik faz ve lignin nicelliğinin izolasyonu
- Karışımı santrifüjleyin (oda sıcaklığı, 5 dk, 1880 × g). Organik fazı (2-MTHF) 50 mL yuvarlak tabanlı bir şişeye aktarmak için bir pipet kullanın.
- Organik fazı bir döner evaporatörde (40 °C, 200 rpm, 180 mbar) katı ve kuru bir lignin fraksiyonu elde edilene kadar buharlaştırın. Analitik bir terazi ile tartarak lignin verimini belirleyin. Daha fazla analiz için katı lignin'i oda sıcaklığında saklayın.
- Katı selülozla zenginleştirilmiş hamurun ve sulu fazın ayrılması
- Selülozla zenginleştirilmiş hamuru izole etmek için bir hunide selüloz filtre kağıdı (17-30 μm gözenek boyutu) kullanarak sulu fazı filtreleyin ve sulu fazı 5 mL şişeye aktarın. Hamuru nötr pH'a kadar 3 x 25 mL su ile yıkayın ve yıkama çözeltisini ayrı ayrı 100 mL'lik bir beherde saklayın. Hamuru 80 °C'de sabit kütleye (~24 saat) kurutun.
- Analitik bir terazi ile tartarak kurutulmuş hamur verimini belirleyin.
- FDCA geri kazanımı ve sulu fazın izolasyonu
- Sulu fazın pH'ını ve yıkama solüsyonunun pH'ını, çözeltiyi bir buz banyosunda soğutarken konsantre HCl kullanarak sürekli karıştırma altında ayrı ayrı 2.3 adımdan pH 1'e ayarlayın. Evrensel gösterge kağıdı kullanarak pH'ı kontrol edin.
- Çökemiş katıyı (FDCA) her iki çözeltiden de filtreleyin, kalıntıları birleştirin ve 80 °C'de sabit kütleye (~24 saat) kurutun. Yıkamaları atın. Analitik terazi ile tartarak FDCA verimini belirleyin.
- Sulu fazı 25 mL şişeye aktarın ve analiz için 4 °C'de saklayın.
- Furfural niceleme için numune hazırlama
- Furfural miktarını belirlemek için ayrı bir deneme gerçekleştirin. 2.1.1-2.2.1 adımlarını yineleyin.
- Toplanan organik çözücü fraksiyona dahili standart olarak 40 mg n-decane ekleyin ve analiz için saklayın.
3. Analiz
- Atımlı amperometrik algılama ile yüksek performanslı anion-değişim kromatografisi ile sulu fazdaki şekerin analizi (HPAEC-PAD)
- 2.4.3 adımda toplanan sulu fazın 10 μL'sini 190 μL damıtılmış su ile seyreltin. Seyreltilmiş örneğe 10 μL 2 mM 2-deoksi-D-glikoz ekleyin.
- Monoakkaritlerin ayrılmasını 0,5 mL-1 akış hızına sahip bir monoakkarit ayırıcı kolona gerçekleştirin ve equilibration'dan sonra numuneyi10dakika boyunca 2 mM NaOH ile enjekte edin. Nötr şekerleri 18 dakika boyunca 2 mM NaOH ile ayırın. Daha sonra, üronik asitleri ayırmak için 10 dakika boyunca 550 mM NaOH kullanın. Sütunu 800 mM NaOH ile 10 dakika durulayın.
NOT: Yazılım, monoakkarit miktarlarını iç standart miktarına normalleştirir ve farklı monoakkaritlerin standart kalibrasyon eğrilerini kullanarak bunları ölçendir.
- 1H-13C heteronükleer tek kuantum korelasyon nükleer manyetik rezonans yoluyla lignin analizi (1H-13C-HSQC NMR)
- 0,5 mL'lik döterlenmiş dimetilsüllfoksitte ([d 6 ] DMSO)~50mg lignin çözün ve karışımı bir NMR tüpüne aktarın. 400MHz spektrometre kullanarak 1 H-13C HSQC (ölçüm süresi 220 dk) NMR ölçümleri yapın.
- Spektrumu kullanarak lignin içinde bulunan bağlantı türlerini belirleyin.
- Spektrumun kimyasal kaymasına DMSO sinyaline (δ (1H) = 2.500 ppm; δ(13C) = 39.52 ppm) referans.
- Tüm sinyaller pozitif olana kadar her iki eksende de manuel faz düzeltmesi gerçekleştirin, ardından temel düzeltme gerçekleştirin.
- Aromatik birimlerin sinyallerini ve lignin bağlantılarını entegre edin; kimyasal kaymalar için Tablo 1'e bakın.
- Aşağıdaki formülü kullanarak aromatik birimlerin toplamını (arom.) hesaplayın:
Φ(arom.) = (S2,6 / 2) + ((G2 + G5) / 2) + (H2,6 / 2) (1)
Si'nin 2 ve 6 şırıngil protonlarına karşılık gelen sinyalin ayrılmaz parçası olması, Gi'nin 2 ve 5 guaiacyl protonlarına karşılık gelen sinyallerin üzerindeki integral olması ve Hi'nin 2 ve 6 p-hidroksifenil protonlara karşılık gelen sinyalin ayrılmaz parçası olmasıyla. - Aşağıdaki formülleri kullanarak her birimin yüzdesini hesaplayın:
S = (S2,6/ 2) / Φ(arom.) × 100% (2)
G = ((G2 + G5) / 2) / Φ(arom.) × %100 (3)
H = (H2,6 / 2) / Φ(arom.) × 100% (4)
S, G ve H ile ilgili monomerlerin yüzdeleri-şırıngil- (S), guaiacyl- (G) ve p-hidroksifenil (H)-monomer ünite başına 100 monomer ünite. - Aşağıdaki formülleri kullanarak 100 birim başına bağlantı sayısını hesaplayın:
β-O-4 linkleri = α β-O-4 / Φ(arom.) × %100 (5)
linkajlar = (α β-β + β β-β + γ β-β) / Φ(arom.) × %100 (6)
linkajlar = (α β-5 + β β-5 + γ β-5) / Φ(arom.) × %100 (7)
α, β ve γ, karşılık gelen β-O-4-, β-β- ve β-5 bağlantılarının α, β ve γ-proton sinyallerine karşılık gelen sinyal üzerindeki integraldir.
NOT: Bağlantı, 100 monomer ünite başına bağlantı olarak verilir. Zirvelerin üst üste binmesi nedeniyle,β-O-4 yalnızca α proton sinyali kullanılarak hesaplanır. β-β ve β-5 bağlantı, ilgili bağlantının tüm sinyalleri kullanılarak hesaplanır.
- Jel geçirgenlik kromatografisi (GPC) analizi
- 10 mg kurutulmuş lignin ve 1 mg glikozu (iç standart olarak) 0,1 M NaOH'un 1 mL'sinde ve 1,5 mL gaz kromatografisinde(GC)- şişede % 0,01 wt NaN 3 sulu çözeltide çözün. GC şişesini septumlu bir kapak kullanarak kapatın.
- Numunenin 100 μL'lik kısmını ultraviyole dedektörü ile donatılmış ve φ = 280 nm dalga boyını izleyen yüksek performanslı bir sıvı kromatografi (HPLC) sistemine enjekte edin. Polar silika (8 mm x 50 mm) ve üç jel sütun (8 mm x 300 mm, parçacık çapı: 5 μm, nominal gözenek genişliği: 1000 Å) ile 1 mL min-1akış hızında önkol programlanmış sıcaklık bölünmüş /bölünmemiş enjektör sisteminden oluşan bir sistem kullanın. Elde edilen verileri iç standardın (glikoz) sinyaline referans verin. 266 ila 65000 Da arasında poli (stiren sülfonat) ile harici bir kalibrasyona atıfta bulunulan yazılımı kullanarak kütle dağılımını hesaplayın.
- GC ile furfural niceleme
- OrganoCat ön işlem organik fazı için iç standart olarak 20 mg n-decane ekleyin. Organik fazın 1 mL'lik kısmını 1,5 mL GC şişesine aktarın.
- Bu çözeltinin 1 μL'lik kısmını, polar poliüretan glikol sabit fazlı 30 m'lik bir sütun ve 1,5 mL dk-1 debiye ve alev iyonlaştırma dedektörüne sahip taşıyıcı gaz olarak helyum kullanarak bir gaz kromatografına enjekte edin. Başlangıç sıcaklığını 50 °C'ye ayarlayın, ardından 8 °C veya-1 ila 250 °C yükseltin ve 5 dakika boyunca 250 °C'de koruyun.
- Yazılım tarafından verilen integralleri (Int) ve harici olarak hesaplanan bir düzeltme faktörünü (cf) kullanarak furfural'ı ölçün.
- 1 mg furfural ve 5 mg n-decane'den oluşan bir numuneyi 1 mL 2-MTHF'de hazırlayın ve yukarıda belirtilen prosedürü kullanarak GC'ye enjekte edin. Düzeltme faktörünü aşağıdaki gibi hesaplayın:
cf = (Int(n-decane) / m (n-decane)) / (Int(furfural) / Int(furfural)) (8) - Bilinmeyen örnekteki furfural miktarını aşağıdaki formülle hesaplamak için düzeltme faktörünü kullanın:
m(furfural) = m (n-decane) / Int (n-decane) × cf × Int(furfural) (9)
- 1 mg furfural ve 5 mg n-decane'den oluşan bir numuneyi 1 mL 2-MTHF'de hazırlayın ve yukarıda belirtilen prosedürü kullanarak GC'ye enjekte edin. Düzeltme faktörünü aşağıdaki gibi hesaplayın:
- Selülozla zenginleştirilmiş pulpa hidrolizi
- OrganoCat ön işlemden elde edilen selüloz zenginleştirilmiş kalıntının pulpa hidrolizini 1,5 mL şişe kullanarak karıştırma ile bir ısıtma bloğunda (Malzeme Tablosunabakınız) gerçekleştirin.
- 1,5 mL'lik şişeye 1 mL sitrat tampona (pH = 4,5)20 mg selüloz zenginleştirilmiş posa ve10μL selüloz (60 filtre kağıdı birimi (FPU) mL -1 ve 82 cellobiase ünitesi (CBU) mL -1) ekleyin, ve 0 saat, 1 saat veya 72 saat boyunca 50 °C'de çalkalayın. Daha sonra, enzimleri denatüre etmek için numuneleri 10 dakika boyunca 99 ° C'ye ısıtın.
- Glikoz (heksiknaz) test kiti kullanarak glikoz konsantrasyonu belirleyin.
Representative Results
Lignoselüloz ön işlem ve fraksiyonasyon işlemi için tipik bir dizi koşul OrganoCat (OrganoCat), katalizör olarak 0,1 M FDCA, 100 g L-1 biyokütle yüklemesi (sulu faza kıyasla kayın ağacı), reaksiyon sıcaklığı olarak 1 saat reaksiyon süresi ve 160 °C kullanır. Kayın ağacının bileşimi başka bir yerde21 (~%48 selüloz, %27 hemiselüloz, %26 lignin) yayınlanmıştır. Şekil 1, çıkarılan hemiselülozun bu koşullar kümesiyle hidrolizatının yanı sıra daha uzun reaksiyon süresi (3 saat) ve daha düşük sıcaklığı (140 °C) göstermektedir.
Daha sert koşulların kullanılması, örneğindaha yüksek sıcaklık ve daha uzun reaksiyon süresi, daha yüksek ekstraksiyon verimine yol açabilir, ancak aynı zamanda ürünlerin-furfural'ın daha fazla bozulmasına yol açar xylose'un bir bozulma ürünüdür, oysa 5-(hidroksimetril)furfural (5-HMF) glikozun karşılık gelen bozulma ürünüdür. Ürünlerde (sulu ve organik fazlar arasında dağıtılmış) 160 °C'de 3 saat reaksiyon süresi ile daha yüksek miktarda furfural kaydedildi. Şeker bozunması ürünleri oldukça reaktif olduğundan ve furan ve şekerlerin humins-oligomerlerini oluşturma eğiliminde olduğundan- daha yüksek sıcaklıkta daha kısa reaksiyon süresi, yüksek ekstraksiyon verimliliği ve düşük şeker bozulması arasında iyi bir uzlaşma olarak kabul edilebilir.
Çıkarılan lignin miktarı reaksiyon sıcaklığı ve süresi ile de doğrudan ilgilidir. Şekil 2, çıkarılan lignin miktarını,β-O-4 bağlantı içeriğini ve çıkarılan ligninlerin kütle ortalama azı dişi kütlelerini görüntüler. Çıkarılan lignin verimi daha uzun reaksiyon süresi ile yükselirken, sağlamβ-O-4-linkajlarının sayısı 1 saat yerine 3 saat reaksiyona girdiğinde yaklaşık yarı yarıya azalır. Reaksiyon sıcaklığının 160 °C'den 140 °C'ye düşürülmesi lignin üzerinde çok daha düşük bir etkiye sahiptir, bu da biraz daha az verim, daha küçük kütle ortalaması azı kütlesi ve daha yüksek β-O-4 içeriği ile sonuçlanır.
(Lingo-)selülozun enzimatik hidrolizi pulpa verimliliği için ortak bir gösterge olduğundan, yukarıda belirtilen OrganoCat reaksiyon durum setlerinden kaynaklanan farklı OrganoCat posalarına ticari bir selüloz kokteyli uygulanmıştır (Şekil 3). Selüloz substratlar için optimize edilmediğinden, genel selüloz dönüşümü en son teknoloji performansla karşılaştırılamaz; ancak, farklı hamurların birbirleriyle karşılaştırılmasını sağlar. Daha uzun reaksiyon süresi, ilk reaksiyon süresi ve 72 saat sonra glikoz verimi üzerinde önemli bir etki sergiler ve ~2.5 faktörü ile iyileşir. Sıcaklığın düşürülmesi, bu tedavide enzimatik sindirilebilirlik farklılıklarına neden olan ana faktörün delignifikasyon derecesi olduğunu ima eden çok daha küçük bir etki gösteriyor gibi görünmektedir.
Şekil 1: OrganoCat prosesinde katalizör olarak 0,1 M 2,5-furandicarboxylic asit ve x ekseninde belirtilen farklı reaksiyon sıcaklıklarında ve zamanlarında 100 g L-1 kayın ağacı (sulu faza kıyasla) ile şeker ekstraksiyonu ve furfural üretimi11. Tüm deneyler üç taraflı olarak yapıldı. Ortalama standart sapma ile gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: OrganoCat prosesi tarafından katalizör olarak 0,1 M 2,5-furandicarboxylic asit ve x ekseninde belirtilen farklı reaksiyon sıcaklıklarında ve zamanlarında 100 g L-1 kayın ağacı (sulu faza kıyasla) ile çıkarılan lignin miktarı ve analizi11. Lignin verimleri üç taraflı olarak hesaplanmıştır. Ortalama standart sapma ile gösterilir. Moleküler kütle ve bağlantılar temsili tek deneylerden türetilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Pulpaların enzimatik hidrolizi. Glikoz, OrganoCat'ten 0,1 M ile elde edilen işlenmemiş kayın ağacı ve selülozla zenginleştirilmiş hamurların hidrolizinden ilk bir saat içinde (gri çubuklar) 72 saat (mavi çubuklar) ve reaksiyon oranlarından sonra verim verir. Katalizör olarak 2,5-furandicarboxylic asit ve x ekseninde belirtildiği gibi farklı reaksiyon sıcaklıklarında ve zamanlarında 100 g L-1 kayın ahşabı (sulu faza kıyasla). Selüloz, 50 °C'deki farklı substratlara contrite tamponunda (pH 4.5)11'ekadar 72 saate kadar uygulandı. Tüm deneyler üç taraflı olarak yapıldı. Ortalama standart sapma ile gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Birim | Vardiya δ (1H)(13C) | Bağlantı | Vardiya 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) |
Tablo 1: Lignin farklı bağlantılarında 1H-13C heteronükleer tek kuantum korelasyon nükleer manyetik rezonans(1H-13C-HSQC NMR) ile belirlenen kimyasal kaymalar. Kısaltmalar: S = şırıngil ünitesi, G = guaiacyl ünitesi, H = p-hidroksifenil ünitesi.
Discussion
Lignoselülozun tarif ettiği fraksiyonasyonu, reaksiyon süresine ve sıcaklığına bağlı olarak, furanlara şeker bozulmasını önlemek için hemiselüloz hidroliz verimliliği ve seçiciliği arasında bir denge gösterir (Şekil 1). Lignin ekstraksiyonu da benzer şekilde daha zorlu koşullardan etkilendi. Özellikleβ-O-4-bağlantılarının azalması ve daha yüksek sıcaklık ve reaksiyon süresinde geri tepmeye bağlı olarak kütle ortalama moleküler ağırlığının arttırılması, yapılması gereken bu uzlaşmanın altını çizmektedir. Reaksiyon süresi ve sıcaklığın seçimi bu nedenle bu lignoselüloz fraksiyonasyon sürecinde kritik bir adımdır. Enzimatik hidrolizin verimliliği çoğunlukla FDCA katalizörü OrganoCat prosesinde delignifikasyon ile belirlendiğinden, en zorlu işleme koşulları en erişilebilir hamuru karşılar. Proses9,11,18,22, örneğin farklı katalizörler kullanarak, reaktif çözeltideki katalizörün ve son pH'ın gücünün proses verimliliği üzerinde en güçlü etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Prosedürün modifikasyonları, örneğinfosforik asit ile preswelling, yararlı bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir22. Bununla birlikte, kompozisyondaki çeşitlilik nedeniyle, farklı hammaddelere bağlı olarak sürecin optimizasyonu gerekir21. Genel süreç performansı göz önüne alındığında, ayrılmış kesirlerin aşağı akış saflaştırılması düşünülmelidir, bu yüzden seçicilik önemli bir rol oynar. OrganoCat, diğer organosolv benzeri proseslerle karşılaştırıldığında, nispeten basit, ayrı üç akıştaki ana bileşenleri sağlayan bifazik bir su /2-MTHF sistemi kullanır. Bu şekilde, daha aşağı akış ve ortaya çıkan enerji ve ekipman maliyetleriazaltılabilir 13,18.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma, Alman üniversitelerinde bilim ve araştırmayı teşvik etmek için Alman Araştırma Vakfı'nın Mükemmellik Girişimi tarafından finanse edilen "Biyokütleden Özel Yakıtlar" ve "Yakıt Bilimi Merkezi" Mükemmellik Kümesi'nin yanı sıra AP³ Focus Lab projesinde desteklenen Biyoekonomi Bilim Merkezi'nin (BioSC) bir parçası olarak gerçekleştirildi. Biyoekonomi Bilim Merkezi'nin bilimsel faaliyetleri, NRW Strategieprojekt BioSC (no. 313/323-400-002 13) çerçevesinde Yenilik, Bilim ve Araştırma Bakanlığı tarafından finansal olarak desteklendi.
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 |
References
- 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).
- 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).
- Aro, T., Fatehi, P. Production and application of lignosulfonates and sulfonated lignin. ChemSusChem. 10 (9), 1861-1877 (2017).
- Kai, D., et al. Towards lignin-based functional materials in a sustainable world. Green Chemistry. 18 (5), 1175-1200 (2016).
- 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).
- 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).
- Liao, Y., et al. A sustainable wood biorefinery for low-carbon footprint chemicals production. Science. 367 (6484), 1385-1390 (2020).
- 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).
- 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).
- Anastas, P. T. Meeting the challenges to sustainability through green chemistry. Green Chemistry. 5 (2), 29-34 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Domínguez de María, P., Guajardo, N. Biocatalytic valorization of furans: opportunities for inherently unstable substrates. ChemSusChem. 10 (21), 4123-4134 (2017).
- Grande, P. M., et al. Fractionation of lignocellulosic biomass using the OrganoCat process. Green Chemistry. 17 (6), 3533-3539 (2015).
- Holtz, A., et al. Process development for separation of lignin from OrganoCat lignocellulose fractionation using antisolvent precipitation. Separation and Purification Technology. 236, 116295 (2020).
- 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).
- Weidener, D., et al. Multiscale analysis of lignocellulose recalcitrance towards OrganoCat pretreatment and fractionation. Biotechnology for Biofuels. 13 (1), 155 (2020).
- Weidener, D., et al. Lignocellulose fractionation using recyclable phosphoric acid: lignin, cellulose, and furfural production. ChemSusChem. 14 (3), 909-916 (2020).
