特殊地中海リグノセルロース残基からの超高速リグニン抽出
Summary
深いユーテク系溶媒ベースのマイクロ波アシスト前処理は、リグノセルロース分画および高純度リグニン回収のための、緑色で迅速かつ効率的なプロセスです。
Abstract
前処理は、リグノセルロース性バイオリファイナリープロセスにおける最も高価なステップです。化学要件を最小限に抑え、電力や熱の消費を最小限に抑え、環境にやさしい溶剤を使用することで、コスト効率が高くならなければなりません。深い共生溶剤(DES)は、持続可能なバイオリファイナリーの重要な、緑、低コストの溶剤です。それらは、少なくとも1つの水素結合ドナーおよび1つの水素結合アクセクターから生じる低い凝固点によって特徴づけられる透明混合物である。DESは有望な溶剤ですが、競争力を持つ利益のためには、マイクロ波照射などの経済加熱技術と組み合わせる必要があります。マイクロ波照射は、適切な温度を迅速に達成できるため、加熱時間を短縮し、分画を高める有望な戦略です。本研究の目的は、低コストで生分解性溶媒を用いたバイオマス分画およびリグニン抽出のための一段階の迅速な方法を開発することであった。
本研究では、3種類のDESを用いて、800Wで60sのマイクロ波支援DES前処理を行った。DES混合物は、コリンクロリド(ChCl)および3つの水素結合ドナー(HBD)からファシリティ的に調製した:モノカルボン酸(乳酸)、ジカルボン酸(シュウ酸)、および尿素。この前処理は、海洋残基(ポジドニア葉およびエーガグロパイル)、アグリフード副産物(アーモンド殻およびオリーブポマ、森林残留物(松ぼっくり)、および多年生リグノセルロース草(スティパ・テナシシマ)からのバイオマス分別およびリグニン回収に使用された。さらに分析を行い、回収されたリグニンの収率、純度、および分子量分布を決定した。さらに、抽出されたリグニン中の化学官能基に対するDESの効果は、フーリエ変換赤外線(FTIR)分光法によって決定された。結果は、ChCl-シュウ酸混合物が最高のリグニン純度と最低収率を与える可能性があることを示しています。本研究は、DES-マイクロ波プロセスがリグノセルロース系バイオマス分画のための超高速で効率的でコスト競争力のある技術であることを示しています。
Introduction
持続可能なバイオリファイナリープロセスは、バイオマス処理、その分画を目的の分子に統合し、付加価値製品への転換を1.第二世代のバイオリファイニングにおいて、前処理はバイオマスをその主成分2に分画するために不可欠であると考えられる。化学的、物理的、または生物学的戦略を利用した従来の前処理方法は、広く適用されてきた3.しかし、このような前処理は、バイオリファイニングにおいて最も高価な工程と考えられており、処理時間が長く、高熱・消費電力、溶剤不純物4などの他の欠点がある。最近では、イオン液体3の特性が類似したDESは、生分解性、環境配慮、合成の容易さ、および処理後の回復などの利点により緑色の溶媒として出現している5。
DESは、乳酸、リンゴ酸、またはシュウ酸などの少なくとも1つのHBDと、ベタインまたはコリンクロリド(ChCl)6などの水素結合アクセプター(HBA)との混合物である。HBA-HBD相互作用は、化学結合の切断を可能にする触媒機構を可能にし、バイオマス分画およびリグニン分離を引き起こす。多くの研究者は、トウモロコシのコブ上のChCl-グリセロール、ストーバー7、8、ChCl-シュウレア、小麦ストロー9のChCl-シュウ酸、ユーカリのおがず10のChCl乳酸、およびChCl酢酸11およびChCl-ethlグリコールなどのリグノセルロース系原料のDESベースの前処理を報告している。DES効率を向上させるためには、前処理をマイクロ波処理と組み合わせてバイオマス分画を加速する必要があります5.多くの研究者は、木材8とトウモロコシストーバー、スイッチグラス、ミスカンサス5のこのような組み合わせ前処理(DESと電子レンジ)を報告しており、短期間で1回の簡単なステップでリグノセルロース分画およびリグニン抽出のためのDESの容量に関する新しい洞察を提供しています。
リグニンは、バイオポリマーの製造原料として評価されるフェノール型高分子であり、芳香族モノマーやオリゴマー12などの化学物質の製造に代わる代替物を提示する。また、リグニンは、抗酸化作用および紫外線吸収活性13を有する。いくつかの研究は、化粧品のリグニンの用途を報告しています14,15.市販の日焼け止め製品におけるその統合は、わずか2重量%リグニンと10重量%リグニン16の添加とSPF 50までの追加でSPF 15からSPF 30に製品の日焼け防止因子(SPF)を改善しました。本論文は、地中海の生物群集のDES-マイクロ波前処理を組み合わせることによって助け、リグニン炭水化物切断のための超高速アプローチを記述する。これらの生物塊は、アグリフードの副産物、特にオリーブポマとアーモンドの殻で構成されています。調査された他の生物は、海洋起源(ポジドニアの葉とエーガグロパイル)と森林(松ぼっくりと野生の草)に由来するものであった。本研究の焦点は、この組み合わせ前処理が原料分別に及ぼす影響を評価し、リグニンの純度と収率に及ぼす影響を調査し、抽出されたリグニン中の分子量および化学官能基に及ぼす影響を研究するために、低コストの緑色溶媒を試験することであった。
Protocol
Representative Results
Discussion
この研究には多くの目的がありました。最初の方法は、イオン液体と有機溶剤の両方の特性を持つ低コストのグリーン溶剤を調製し、使用することであった。第二の目的は、アルカリ溶媒、基礎、または熱物理学的技術を使用してソックスレーまたはヘミセルロースを使用して抽出物の抽出などの予備的なステップを必要とせずに、単一のステップでバイオマスを分画し、リグニンを抽出す?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MKとTBは、ハイサム・アイエブに統計分析と図の準備、ワロン地域(欧州地域開発-VERDIR)、高等教育科学研究大臣(Taoufik Bettaieb)に資金を提供してくれたことに感謝します。
Materials
| HPLC Gel Permeation Chromatography | Agilent 1200 series | ||
| 1 methylimadazole | Acros organics | ||
| 2-deoxy-D-glucose (internal standard) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Acetic acid | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Acetic anhydride | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Adjustables pipettors | |||
| Alkali | alkali-extracted lignin | ||
| Arabinose (99%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Autoclave | CERTO CLAV (Model CV-22-VAC-Pro) | ||
| Water Bath at 70 °C | |||
| Boric acid | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Bromocresol | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Catalyst | CTQ (coded A22) (1.5 g K2SO4 + 0.045 g CuSO4.5 H2O + 0.045 g TiO2) | Merck | |
| Centrifugation container | |||
| Centrifuge | BECKMAN COULTER | Avanti J-E centrifuge | |
| Ceramic crucibles | |||
| Choline chloride 99% | Acros organics | ||
| Column | Agilent PLGel Mixed C (alpha 3,000 (4.6 × 250 mm, 5 µm) preceded by a guard column (TSK gel alpha guard column 4.6 mm × 50 mm, 5 µm) | ||
| Column | HP1-methylsisoxane (30 m, 0.32 mm, 0.25 mm) | ||
| Crucible porosity N°4 ( Filtering crucible) | Shott Duran Germany | boro 3.3 | |
| Deonized water | |||
| Dessicator | |||
| Dimethylformamide | VWR BDH Chemicals | ||
| Dimethylsulfoxide | Acros organics | ||
| Erlenmeyer flask | |||
| Ethanol | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Filtering crucibles, procelain | |||
| Filtration flasks | |||
| Fourrier Transformed Inra- Red | Vertex 70 Bruker apparatus equipped with an attenuated total reflectance (ATR) module. Spectra were recorded in the 4,000–400 cm−1 range with 32 scans at a resolution of 4.0 cm−1 |
||
| Galactose (98% | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Gaz Chromatography | Agilent (7890 series) | ||
| Glass bottle 100 mL | |||
| Glass tubes ( borosilicate) with teflon caps 10 mL | |||
| Glucose (98% | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Golves | |||
| Graduated cylinder 50 mL /100 mL | |||
| H2SO4 Titrisol (0.1 N) | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| H2SO4 (95-98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | BUCHI R-114) | |
| Hummer cutter equiped with 1 mm and 0.5 mm sieve | Mill Ttecator (Sweden) | Cyclotec 1093 | |
| Indulin | Raw lignin control | ||
| Kjeldahl distiller | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
| Kjeldahl tube | FOSS | ||
| Kjeldhal rack | |||
| Kjeldhal digester | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
| Kjeldhal suction system | |||
| Lab Chem station Software | GC data analysis | ||
| Lactic acid | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Lithium chloride LiCl | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Mannose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Methyl red | |||
| Microwave | START SYNTH MILESTONE Microwave laboratory system | ||
| Microwave temperature probe | |||
| Microwave container | |||
| Muffle Furnace | |||
| NaOH | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Nitrogen free- paper | |||
| Opus | spectroscopy software | ||
| Oven | GmbH Memmert SNB100 | Memmert SNB100 | |
| Oxalic acid | VWR BDH Chemicals | ||
| P 1000 | Soda-processed lignin | ||
| pH paper | |||
| precision balance | |||
| Infrared spectroscopy | |||
| Quatz cuvette | |||
| Rhamnose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Rotary vacuum evaporator | Bucher | ||
| Round-bottom flask 500 mL | |||
| sodium borohydride NaBH4 | |||
| Schott bottle | glass bottle | ||
| Sovirel tubes | sovirel | Borosilicate glass tubes | |
| Spatule | |||
| Special tube | |||
| Spectophotometer | UV-1800 Shimadzu | ||
| Sterilization indicator tape | |||
| Stir bar in teflon | |||
| Stirring plate | |||
| Syringes | |||
| Sodium borohydride | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Titrisol | Merck | Merck 109984 | 0.1 N H2SO4 |
| Urea | VWR BDH Chemicals | ||
| Vials | |||
| VolumetriC flask 2.5 L /5 L | Bucher | ||
| Vortex | |||
| Xylose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) |
References
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