Aqui, apresentamos um protocolo para realizar a extração de etanol de lignina de diversas fontes de biomassa. O efeito das condições de extração sobre o rendimento de lignina e o conteúdo de β-O-4 são apresentados. Despolimerização seletiva é realizada nas Ligninas obtidas para obter produtos de alta monômero aromático.
Estratégias de valorização de lignina são um factor-chave para atingir o mais economicamente competitivas biorefinarias com base na biomassa lignocelulósica. A maioria dos procedimentos elegantes emergentes para obter produtos aromáticos específicos depende do substrato de lignina com um teor elevado da ligação β-O-4 prontamente cleavable como presente na estrutura de lignina nativo. Isso fornece uma menina-correspondência com Ligninas técnicas típicas que são altamente degradadas e, portanto, são baixos em ligações β-O-4. Portanto, o rendimento de extração e a qualidade da lignina obtida são de extrema importância para acessar novos caminhos de valorização de lignina. Neste manuscrito, um protocolo simples é apresentado para obter Ligninas com alto teor de β-O-4 pela extração de etanol relativamente suave que pode ser aplicada a fontes diferentes de lignocelulose. Além disso, os procedimentos de análise para determinar a qualidade das Ligninas são apresentados juntamente com um protocolo de despolimerização que produz específico fenólicos 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes, que pode ser usado para avaliar as Ligninas obtidas. Os resultados apresentados demonstram a ligação entre qualidade de lignina e potencial para as Ligninas ser pescavore em produtos químicos aromáticos monoméricos específicos. Em geral, a extração e despolimerização demonstra um trade-off entre o rendimento de extração de lignina e a retenção da estrutura nativa aril-éter e, portanto, o potencial da lignina para ser usado como substrato para a produção de produtos químicos para aplicações de maior valor.
Para a indústria química para se tornar sustentável, matérias-primas renováveis como a biomassa lignocelulósica devem ser usados como alternativa à corrente dominante fósseis que1. No entanto, para fazer o uso de tais matérias-primas economicamente viável, aplicações de alto valor devem ser procuradas por todo o seu conteúdo. Biomassa lignocelulósica pode conter cerca de 30% em peso da lignina que é um biopolímero aromático, para o qual atualmente apenas alguns aplicativos foram desenvolvidos para além do seu uso como combustível de baixo valor2. Portanto, a metodologia para componentes aromáticos potencialmente aumentada-valor é de grande interesse para garantir o sucesso de futuras biorrefinarias.
Recentes pesquisas têm se concentrado fortemente no desenvolvimento de novas metodologias para a clivagem seletiva da ligação β-O-4 mais abundante (Figura 1a) em lignina para obter específico monômeros aromáticos, tipicamente fenólicos,3,4 ,5,6. Por exemplo, a aplicação de ácidos entre 80 ° C a 180 ° C é muito eficaz em fendendo a ligação β-O-4 formando aldeído e cetona fragmentos7,8. Nossos grupos e outros demonstraram recentemente que acidolysis combinado com as metodologias para estabilizar e armadilha reativa fragmentos é extremamente potente para obter monômeros fenólicos com motivos específicos de química9,10 , 11 , 12. destes, em particular interceptação de acetal de aldeídos reativos com álcoois para obter fenólicos 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetais) provou ser poderosa devido à sua relativa aplicação simples e a retenção da natureza altamente funcionalizada a lignina monômeros (Figura 1b)13,14. Estes acetais são obtidos a partir da despolimerização na proporção que se relaciona com a distribuição do H, monômeros de G e S presentes na matéria-prima de lignina pai.
Ácido catalisado despolimerização, como muitas das metodologias mais elegantes desenvolveram, são relativamente leves e não cleave mais fortes ligações C-C que ocorrem na lignina15. No entanto, ligações C-C tornam-se especialmente abundantes quando as condições de fracionamento de lignocelulose duras são aplicadas devido a condensação de fragmentos reativos libertado a clivagem de ligações C-O mais fracos laços16,17. A perda de conteúdo de β-O-4 do método de processamento da biomassa é claramente demonstrada pela análise de uma gama de técnicas Ligninas, foram mostrados para reter somente até 6 ligações β-O-4 por 100 unidades aromáticas18, enquanto que estes números variam na lignocelulose de 45 a 90 ligações por 100 unidades aromáticas dependendo a fonte16. Voltando-se para condições de extração mais suaves, Ligninas podem ser obtidas com as distribuições de enlace que melhor reflectem a lignina natural. No entanto, isto exige um trade-off entre a eficiência de extração e a qualidade do material lignina obtidos17. Isto também tem precedência em organosolv extração da lignina, que é um método popular para fracionar a lignina. Muitas variações de existir neste processo, com os métodos que empregam diferentes temperaturas, teor de acidez, tempos de extração e solventes. Aqui, a gravidade de extração tem um impacto direto sobre a estrutura de lignina obtidos e, assim, sua adequação para mais valorização19,20,21. Por exemplo, a lignina organosolv produzida pelo processo de etanol à base de Alcell, operado por 5 anos em escala de demonstração, tinha relativamente baixa quantidade de ligações β-O-4 deixado como era operado em temperatura relativamente alta para garantir deslignificação eficiente em fim de obter os hidratos de carbono de alta qualidade para produção de bioetanol. Não obstante, biobased solventes com pouco impacto ambiental, como o etanol são preferidos e, portanto, os métodos de extração que resultam em Ligninas de maior valor são de interesse. Alcoólicas solventes são de particular interesse como além de ser o meio de extração também incorporam na estrutura da lignina, por exemplo, β’ – O – 4 (Figura 1a),22, que em parte “protege” a estrutura de indesejáveis clivagem. Um método adequado seria potencialmente primeiro obter lignina com um elevado teor de β-O-4 e em uma etapa sequencial para remover o restante da lignina celulose de alto valor de acesso.
Este manuscrito, descrevemos um procedimento altamente reprodutível e para a frente, para a extração da lignina de β-O-4 alta por extração de etanol suave. Dependendo da fonte de biomassa, isto pode levar a eficiência relativamente alta extração e rendimento. Procedimentos para a caracterização da lignina obtida são fornecidos e também como “deprotect” o eterificados β’ – O – 420. Além disso, um procedimento de avaliação é apresentado para o potencial destes Ligninas em procedimentos de despolimerização seletiva que dependem de clivagem seletiva das ligações β-O-4. Esta avaliação é realizada usando a despolimerização catalisada trifluormetanosulfonato de ferro (III) na presença de etileno glicol para obter 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes fenólicos23 que demonstra a ligação entre o conteúdo de β-O-4 do material de lignina e o monômero rende21. Os resultados mostram o equilíbrio entre a eficiência de extração de alta lignina e o potencial da lignina obtido para ser pescavore para monômeros aromáticos específicos.
Os resultados das extrações em diferentes condições e de biomassa diferentes fontes revelam como as condições ideais para a extração da lignina com um teor relativamente alto de ligações β-O-4 podem variar dependendo da fonte. Por exemplo, extração de noz em condições mais duras (método B) proporciona um aumento triplo do rendimento com uma retenção perto da quantidade de unidades de β-O-4, enquanto para faia e cedro o rendimento aumenta, mas é acompanhado por uma queda significativa na quantidade de β-O-4 unidades. Por outro lado, Pinheiro, as mais duras condições de extração fornecem pouco benefício em rendimento e também levam a uma lignina com uma quantidade muito baixa de β-O-4 unidades. Isto significa que, normalmente, alguma forma de otimização tem de envolver-se obter o equilíbrio correto entre o rendimento de lignina e qualidade na forma de retenção da quantidade de unidades de β-O-4 no material lignina obtidos.
O grande aumento na Mw do material lignina Obtido em condições mais duras de extração demonstra que sob estas condições fragmentos maiores podem ser extraídos fornecendo rendimentos mais elevados. No entanto, a essas condições, adicional ocorre a fragmentação, fornecendo material adicional de peso molecular inferior e aumentando assim a polidispersividade, como pode ser claramente observada nos gráficos a GPC de Nogueira (Figura 5a) e cedro (Figura 5D) em a forma do sinal da ~ 500.
HSQC NMR é uma importante ferramenta informativa para fornecer dados comparativos sobre a qualidade das Ligninas diferentes. Note que esse procedimento que é realizado um experimento HSQC padrão, isso é ótimo para a obtenção de dados comparativos, mas não é necessariamente quantitativo devido a diferenças nos tempos de relaxamento. A quantidade elevada de ligações exibido para alguns Ligninas na tabela 1 são superestimados. Experimentos quantitativos de HSQC fornecem melhores resultados mas custam significativamente mais tempo NMR, embora existam alternativas29. Em nossa experiência, os números na tabela 1 devem ser divididos por um fator de 1.3 para refletir melhor a quantidade real de β-O-4 unidades por 100 unidades de aromáticas.
Como mencionado anteriormente, os resultados relatados apontam como encontrar as melhores condições pode variar dependendo da fonte a fim de obter o rendimento máximo do monômero. Por exemplo, quando noz é usado como matéria-prima, os acetais totais rendem aumenta cerca de duas vezes se condições mais duras (método B) são empregadas para extração de lignina. No entanto, isto é principalmente devido à grande diferença de rendimento de extração de lignina, sem afetar o conteúdo de β-O-4. Diferentemente, quando pinho é usado mais suaves condições de extração (um método) são preferíveis. Na verdade, os resultados de extração de lignina em rendimentos muito semelhantes nos dois casos mas condições mais duras causam uma queda na β-O-4 unidades (especialmente o não-eterificados β-O-4 ligações), que podem ser a razão para tal um rendimento baixo monômero, conforme indicado no parágrafo anterior. Uma perda significativa de não-eterificados β-O-4 vínculos pode ser observada também nos casos de faia e cedro se condições (método B) são aplicadas para a extração, o que possivelmente leva a um menor rendimento de monômeros. No entanto, o rendimento global de acetal não difere tanto dependendo das condições de extração. Na verdade, um aumento aproximado de duas vezes no rendimento de extração de lignina é observado por ambas as fontes de biomassa, mudança de métodos para B que compensa a diminuição de aproximadamente duas vezes em rendimento de monômero.
The authors have nothing to disclose.
O trabalho foi financiado pela União Europeia (Marie Curie ITN ‘SuBiCat’ PITN-GA-2013-607044, PJD, KB e JGdV), além do apoio financeiro do Conselho Europeu de investigação, ERC começando Grant 2015 (CatASus) 638076 (anúncios e KB) e o programa de investigação talento Esquema (Vidi) com o número do projeto 723.015.005 (KB), que é parcialmente financiado pela organização do Países Baixos para investigação científica (NWO).
Materials | |||
Iron (III) triflate | Sigma Aldrich | 708801-1G | purity: 90% |
Octadecane | Sigma Aldrich | 0652-100G | purity: 99% |
Celite | Alfa Aesar | H33152.0B | |
Silica Gel | SiliCycle | R12030B-1KG | P60 40-63 μm |
Dichloromethane | Macron Fine Chemicals | 6779-25 | |
Walnut shells | |||
Pine wood | |||
Cedar wood | |||
Beech wood | |||
Ethanol | JT Baker Chemicals | 00832000001 | Ethanol absolute |
Isopropanol | Acros Organics | 149320025 | 99.5+% extra pure |
Acetone | Macron Fine Chemicals | 2440-06 | |
Tetrahydrofuran | Boom B.V. | 164240025 | stabilized with BHT |
Toluene | Macron Fine Chemicals | 8608-02 | |
Water | Demi water from the internal supply | ||
1,4-Dioxane | Acros Organics | 408820010 | 99+% extra pure |
Hydrochloric acid | Acros Organics | 124620026 | 37% solution in water |
Sulfuric acid | Boom B.V. | 760519081000 | 95-97% |
Acetone-d6 | Acros Organics | 325320500 | 99.8 atom% D |
Deuterium oxide | Sigma Aldrich | 151882-100G | 99.9 atom% D |
Filters | Munktell | 400303185 | 185 mm diameter, 10 μm pore size |
Magnetic stirring bars | VWR | 442-4525 | |
Syringe filter | Sartorius | 17559-Q | 0.45 μm filter |
Autosampler vial (2 mL) | Brown | 151123 | |
Reduced volume inlet (0.3 mL) | Brown | 150820 | |
Autosampler caps (11 mm) | Brown | 151216 | |
Autosampler vial crimper | |||
Oil bath | |||
Syringes (1 mL) | Henke Sass Wolf | 4010-200V0 | |
Heating block-4 positions | IKA | ||
Micro tubes 2 ml | Sarstedt | 72691 | |
Crimp seals-20 mm | Brown Chromatography Supplies | 151287 | with Silicone/PTFE septa |
Equipment | |||
Rotary Ball Mill | Fritsch | 06.2000.00 | Laboratory Planetary Mono Mill PULVERISETTE 6 |
Hammer mill | Brabender | ||
Micro Hammer mill | Brabender | ||
Vacuum oven | Heraeus | Heraeus Vacutherm | |
Reflux setup and other glassware | CBN Suppliers B.V. | Reflux condensor, Roundbottom flask, Beaker glass and funnels | |
Rotary evaporator | IKA | ||
250 mL high pressure autoclave | Berghof | ||
1 L high pressure autoclave | Medimex | ||
Ultrasonic bath | Emerson | type Branson 3210 | |
NMR instrument | Bruker | Ascend 600 | |
THF-GPC | Hewlett Packard | 1100 series | |
Magnetic stirring plate | SalmenKipp | SK861492220263 | type x-1250 |
Coffee grinder | Profi Cook | PC-KSW1021 | |
Drilling machine | Solid | type TB 13 S | |
GC-FID | Shimadzu | ||
BUCHI Reveleris PREP purification system | Buchi | ||
BUCHI C18 column | Buchi | 150 mm × 21.2 mm × 10 μm | |
20 ml microwave vials | ??? | ||
Univapo 150 ECH rotational vacuum concentrator | UniEquip | ||
Eppendorf minispin tabletop centrifuge | Eppendorf | ||
SB2 rotator | Stuart | ||
Vortex | Wilten | ||
Processing Software | |||
WinGPC Unichrom | |||
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