المعالجة من Lignocellulosic الكتلة الحيوية مع منخفضة التكلفة أيوني السوائل
Summary
The pretreatment of lignocellulosic biomass with protic low-cost ionic liquids is shown, resulting in a delignified cellulose-rich pulp and a purified lignin. The pulp gives rise to high glucose yields after enzymatic saccharification.
Abstract
A number of ionic liquids (ILs) with economically attractive production costs have recently received growing interest as media for the delignification of a variety of lignocellulosic feedstocks. Here we demonstrate the use of these low-cost protic ILs in the deconstruction of lignocellulosic biomass (Ionosolv pretreatment), yielding cellulose and a purified lignin. In the most generic process, the protic ionic liquid is synthesized by accurate combination of aqueous acid and amine base. The water content is adjusted subsequently. For the delignification, the biomass is placed into a vessel with IL solution at elevated temperatures to dissolve the lignin and hemicellulose, leaving a cellulose-rich pulp ready for saccharification (hydrolysis to fermentable sugars). The lignin is later precipitated from the IL by the addition of water and recovered as a solid. The removal of the added water regenerates the ionic liquid, which can be reused multiple times. This protocol is useful to investigate the significant potential of protic ILs for use in commercial biomass pretreatment/lignin fractionation for producing biofuels or renewable chemicals and materials.
Introduction
الطلب على الطاقة البشرية تلبية لنحو مستدام، هي واحدة من أكبر التحديات التي تواجه حضارتنا. ومن المتوقع استخدام الطاقة لمضاعفة في السنوات ال 50 المقبلة، ووضع مزيد من الضغط على موارد الوقود الأحفوري. 1 تراكم الغازات المسببة للاحتباس الحراري (غازات الدفيئة) في الغلاف الجوي من خلال استخدام الوقود الأحفوري واسعة الانتشار هو مشكلة خاصة، كما CO 2 الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري هي المسؤولة عن 50٪ من تأثير الدفيئة البشرية المنشأ. 2 لذلك، تطبيق على نطاق واسع من التقنيات محايدة المتجددة والكربون هو ضروري لتلبية الاحتياجات المتزايدة للطاقة والمواد الأجيال القادمة. 1، 3
الكتلة الحيوية النباتية هي الموارد المتجددة الأكثر تنوعا، كما أنها يمكن أن تستخدم لإنتاج الحرارة والكهرباء وكذلك المعتمدة على الكربون المواد الكيميائية والمواد والوقود. المزايا الأساسية للكتلة الحيوية lignocellulosic على أنواع الكتلة الحيوية الأخرى في وفرة، وقدرتها على عوائد عالية PEمنطقة ص الأراضي وغالبا بكثير أعلى التوفير انبعاث ثاني أكسيد الكربون 2، والذي يتضمن الحفاظ على نسبة عالية من الكربون في التربة. 4، 5 فوائد إضافية لاستخدام الكتلة الحيوية وتشمل التوفر في الأسواق المحلية، متطلبات رأس المال منخفضة لتحويل الكتلة الحيوية إلى الطاقة، ومنع تآكل التربة. 8
المنتجين الرئيسيين للمواد الأولية lignocellulosic هي صناعة الغابات والقطاع الزراعي، فضلا عن إدارة النفايات البلدية. 6 إنتاج مادة الخشب لديه القدرة على توسيعها، مع الاعتبار للحد من إزالة الغابات وتجنب استبدال المحاصيل الغذائية وإطلاق الملوثات المحتملة. 7 الكتلة الحيوية المتجددة لتصبح مصدرا واسع النطاق قابلة للحياة من وقود النقل السائلة والمواد الكيميائية، ويجب معالجته تصبح قادرة على المنافسة اقتصاديا مع تقنيات تحويل الوقود الأحفوري. 9، 10 مفتاح لتحقيق ذلك هو زيادة المحصول وجودة السلع الوسيطة المشتقة من الكتلة الحيوية مع الحد التكلفة. </ P>
تحتوي غنوسيللولوز على نسبة عالية من السكريات التي يمكن تحويلها إلى وقود ومواد كيميائية عن طريق التحويلات الحفازة والميكروبية. 11 هذه السكريات موجودة في غنوسيللولوز في شكل البوليمر كما السليلوز وهيميسيلولوز. ويمكن تحلل إلى جلوكوز وغيرها من السكر أحادية ومن ثم استخدامها لإنتاج الإيثانول وغيرها من المواد الكيميائية المشتقة من الحيوية والمذيبات. 12
من أجل الوصول إلى السكريات السليلوزية، المعالجة من الكتلة الحيوية اللازمة من خلال الفيزيائية والكيميائية، أو العمليات مجتمعة. 4 المعالجة يمكن القول إن الخطوة الأكثر تكلفة في تثمين الكتلة الحيوية lignocellulosic. ومن ثم البحث في عمليات المعالجة المحسنة أمر حتمي.
تتوفر تقنيات المعالجة المختلفة. ذات أهمية خاصة هي تلك التي تفصل بين اللجنين من السليلوز (المعالجة fractionative). اللجنين، المكون الرئيسي الثالث فيغنوسيللولوز، يحد من وصول hydrolyzing كلاء لالسليلوز وهيميسيلولوز ويقلل من محصول السكر للطن الواحد من المواد الخام. 11 ويمكن الاستفادة من اللجنين فصل بمثابة معامل تكرير أحيائية إضافي وسيطة إذا تم عزلها في نوعية مناسبة. 13 واحدة عملية fractionative هي عملية كرافت التي هي المعالجة الأكثر شيوعا لإنتاج الورق / السليلوز. في كرافت اللب، وتوضع رقائق الخشب في مزيج من هيدروكسيد الصوديوم وكبريتيد الصوديوم ويسخن في درجات حرارة مرتفعة حوالي 170 درجة مئوية تحت ضغط عال. 14 ردود الفعل قلوية إزالة هيميسيلولوز واللجنين عن طريق كسر البوليمرات وصولا الى شظايا قصيرة عبر أليف النواة و الحفز قاعدة، وعن طريق إذابة شظايا اللجنين عن طريق دي بروتوناتيون من مجموعات الهيدروكسيل / الكحول الفينول. عملية إزالة اللجنين مشتركة أخرى هي عملية Organosolv التي شظايا أيضا ويذوب اللجنين وهيميسيلولوز. بدلا من استخدام aqueo القلويةلنا حل، وتستخدم المذيبات العضوية مثل الإيثانول وحمض الخليك في درجات حرارة عالية تتراوح ما بين 160-200 درجة مئوية والضغوط 5-30 بار. Organosolv المعالجة لديها بعض المزايا أكثر من كرافت اللب في ذلك أنها تنتج كمية أقل من الهواء وتلوث المياه. 15 كلتا العمليتين تمتلك بعض التحديات الاقتصادية، إذا تم استخدامها لإنتاج المواد الكيميائية والوقود بدلا من السليلوز. 16 وتستخدم المعالجة Ionosolv السوائل الأيونية، والتي هي الأملاح التي لدينا نقطة ذوبان أقل من 100 درجة مئوية، ونتيجة للتفاعلات Coulombic قوية، وضغط بخار منخفض جدا. 17 وهذا يلغي تلوث الهواء في عملية المعالجة، ويمكن معالجة في أو بالقرب من الضغط الجوي.
في حين يتم إنشاء معظم ILS في شاقة، توليفات متعددة الخطوات، ILS بروتيتش يمكن توليفها في عملية من خطوة واحدة من السلع الكيماوية، مما يجعلها أقل تكلفة. وتشير التقديرات إلى أن بعض ILS يمكن أن يتم إنتاجها على نطاق واسع بالجملة لسعر 1.24 $ للكيلوغرام الواحد وهو مشابه للمذيبات العضوية المشتركة مثل الأسيتون والتولوين. 18 القدرة على إعادة تدوير وإعادة استخدام هذه ILS للتخصيص في عملية تعمل في درجات حرارة وضغوط أقل نسبيا يجعل هذا بديل أكثر اعتدالا ومرشحا جذابا اقتصاديا لتكرير حيوي.
يوضح هذا البروتوكول الفيديو مفصل نسخة مختبر مقياس للعملية Ionosolv لإزالة اللجنين الكتلة الحيوية lignocellulosic وتسكر الأنزيمي في نهاية المطاف من اللب السليلوز الغنية فضلا عن استرداد عالية النقاء اللجنين خالية من رائحة. 19
Protocol
Representative Results
Discussion
تقنية للتجزئة من الكتلة الحيوية lignocellulosic المقدمة هنا تنتج لب السليلوز الغنية واللجنين. تذوب معظم hemicelluloses في السائل الأيونية وتحلل، ولكن لم يشف. وإذا رغبت السكريات هيميسيلولوز، قد يكون من الضروري على هيميسيلولوز قبل استخراج خطوة مسبقة لإزالة اللجنين Ionosolv. فقد كان من …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب يعترف معهد جرانثام لتغير المناخ والبيئة والمناخ، الشركة الكويتية للاستثمار وEPSRC (EP / K038648 / 1 و EP / K014676 / 1) للحصول على التمويل وبيار بوفييه لتوفير البيانات التجريبية لالمعالجة المسبقة الصنوبر.
Materials
| IL synthesis | ||||
| Round bottom flask, with standard ground joint 24/29 NS, 1000 ml | Lenz | 3 0024 70 | VWR product code 271-1309 | |
| 250mL Addition Funnel, Graduated, 29/26 Joint Size, 0-4mm PTFE Valve | GPE | CG-1714-16 | ||
| Dish-shaped dewar flask, SCH 31 CAL | KGW-Isotherm | 1197 | ||
| Volumetric flask, 200 ml | VWR | 612-3745 | ||
| Cork rings, pasteur pipettes and teet, wash bottle with deionised water, large magentic stir bar | ||||
| Biomass size reduction | ||||
| Heavy Duty Cutting Mill SM2000 | Retsch | Discontinued | Replaced with Cutting Mill SM 200 (20.728.0001) | |
| Bottom sieves (10 mesh square holes, for particle size <2 mm) | Retsch | 03.647.0318 | Part of cutting mill | |
| Analytical Sieve Shaker AS 200 | Retsch | 30.018.0001 | Part of sieving machine | |
| Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (180 µm) | Retsch | 60.131.000180 | Part of sieving machine | |
| Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (850 µm) | Retsch | 60.131.000850 | Part of sieving machine | |
| Collecting pan, stainless steel, 200 mm Ø, height 50 mm | Retsch | 69.720.0050 | Part of sieving machine | |
| Rotary evaporator: | ||||
| Rotary evaporator (Rotavapor R-210) | Buchi | Discontinued | Replaced with Rotavapor R-300 | |
| Water bath (Heating bath B-491) | Buchi | 48201 | Part of rotary evaporator | |
| Recirculator | Julabo | F25 | Part of rotary evaporator | |
| Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of rotary evaporator | |
| Vacuum controller (Vacuum Control Box VCB 521) | Ilmvac GmbH | 600053 | Part of rotary evaporator | |
| Parallel evaporator: | ||||
| StarFish Base Plate 135mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of parallel evaporator | |
| Monoblock for 5 x 250ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of parallel evaporator | |
| Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of parallel evaporator | |
| Gas/Vacuum Manifold with connectors | Radleys | RR95510 | Part of parallel evaporator | |
| 650mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of parallel evaporator | |
| Quick Release Male, R/A Barbed 6.4mm + Shut-off (3.2mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of parallel evaporator | |
| Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor | |
| Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor | |
| Elliptical Stirring Bar 15mm Rare Earth | Radleys | RR98097 | Part of parallel evaporator | |
| Vacuum cold trap, plastic coated, PTFE stopcock | Chemglass | CG-4519-01 | Part of parallel evaporator | |
| Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of parallel evaporator | |
| Tygon tubing E-3603, 6,40 mm (internal) 12,80 mm (external) | Saint-Gobain/VWR | 228-1292 | Part of parallel evaporator | |
| Parallel Soxhlet extractor: | ||||
| StarFish Base Plate 135mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of soxhlet extractor | |
| Monoblock for 5 x 250ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of soxhlet extractor | |
| Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of soxhlet extractor | |
| Telescopic 5-way Clamp with Silicone Strap and Long Handle | Radleys | RR95410 | Part of soxhlet extractor | |
| Water Manifold with connectors | Radleys | RR95500 | Part of soxhlet extractor | |
| 650mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of soxhlet extractor | |
| Quick Release Male, R/A Barbed 6.4mm + Shut-off (3.2mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of soxhlet extractor | |
| Coil condensers with standard ground joints 29/32 NS | Lenz | 5.2503.04 | Part of soxhlet extractor | |
| Extractor Soxhlet 40mL borosilicate glass 29/32 socket 24/29 cone | Quickfit | EX5/43 | Part of soxhlet extractor | |
| Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor | |
| Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor | |
| Recirculator | Grant | LTC1 | Part of soxhlet extractor | |
| Cellulose extraction thimble | Whatman | 2280-228 | ||
| Tweezers | Excelta | 20A-S-SE | ||
| Vacuum drying oven: | ||||
| Vacuum drying oven | Binder | VD 23 | Part of vacuum oven | |
| Dewar vessel 2L 100x290mm with handle | KGW-Isotherm | 10613 | Part of vacuum oven | |
| Vacuum Trap | GPE | CG-4532-01 | Part of vacuum oven | |
| Other equipment: | ||||
| Analytical balance | A&D | GH-252 | accuracy to ± 0.1 mg | |
| Volumetric Karl Fischer titrator | Mettler Toledo | V20 | ||
| 10 mL disposable pipette | Corning Inc | Costar 4101 10 mL Stripette | ||
| Eppendorf Research plus pipette, variable volume, volume 100-1000 μL | Eppendorf | 3120000062 | ||
| Desiccator | Jencons | JENC250-028BOM | ||
| Ace pressure tube bushing type, Front seal, volume 15 mL | Ace Glass | 8648-04 | ||
| Ace O-rings, silicone, 2.6 mm, I.D. 9.2 mm | Ace Glass | 7855216 | O-ring for pressure tube | |
| Vortex shaker | VWR International | 444-1378 (UK) | ||
| Fan-assisted convection oven | ThermoScientific | HeraTherm OMH60 | ||
| Oven glove (Crusader Flex) | Ansel Edmont | 42-325 | ||
| 250 mL Round bottom flask single neck ground joint 24/29 (Pyrex) | Quickfit | FR250/3S | ||
| Rotaflo stopcock adapter with cone 24/29 | Rotaflo England | MF11/2/SC | ||
| 50 mL Falcon tube | Heraeus/Kendro | HERA 76002844 | ||
| Centrifuge (Mega Star 3.0) | VWR | 521-1751 | ||
| Reagents: | ||||
| Ethanol absolute | VWR | 20820.464 | ||
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | T0886 | ||
| Sulfuric acid 5 mol/l (10N) AVS TITRINORM volumetric solution Safe-break bottle 2,5L | VWR | 191665V | ||
| Purified water (15 MΩ ressitance) | Elga | CENTRA R200 | ||
| Lignocellulosic biomass: | ||||
| Miscanthus X gigantheus | ||||
| Pinus sylvestris |
References
- Lewis, N. S., Nocera, D. G. Powering the planet: chemical challenges in solar energy utilization. Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 103 (43), 15729-15735 (2006).
- Dincer, I. Renewable energy and sustainable development: a crucial review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 4 (2), 157-175 (2000).
- Zweibel, K., Mason, J., Fthenakis, V. A solar grand plan. Sci. Am. 298 (1), 64-73 (2008).
- Lee, J. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. J. Biotechnol. 56 (1), 1-24 (1997).
- Carrott, P., Ribeiro Carrott, M. Lignin-from natural adsorbent to activated carbon: A review. Bioresour.Technol. 98 (12), 2301-2312 (2007).
- Cardona Alzate, C., Sánchez Toro, O. Energy consumption analysis of integrated flowsheets for production of fuel ethanol from lignocellulosic biomass. Energy. 31 (13), 2447-2459 (2006).
- Field, C. B., Campbell, J. E., Lobell, D. B. Biomass energy: the scale of the potential resource. Trends Biochem Sci. 23 (2), 65-72 (2008).
- Hoogwijk, M., et al. Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy. Biomass Bioenergy. 25 (2), 119-133 (2003).
- Goldemberg, J. Ethanol for a sustainable energy future. Science. 315 (5813), 808-810 (2007).
- Himmel, M. E., et al. Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production. Science. 315 (5813), 804-807 (2007).
- Mosier, N., et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresour.Technol. 96 (6), 673-686 (2005).
- 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).
- Hu, F., Ragauskas, A. Suppression of pseudo-lignin formation under dilute acid pretreatment conditions. RSC Advances. 4 (9), 4317-4323 (2014).
- Chakar, F. S., Ragauskas, A. J. Review of current and future softwood kraft lignin process chemistry. Ind Crop Prod. 20 (2), 131-141 (2004).
- Mutjé, P., Pelach, M., Vilaseca, F., García, J., Jiménez, L. A comparative study of the effect of refining on organosolv pulp from olive trimmings and kraft pulp from eucalyptus wood. Bioresour.Technol. 96 (10), 1125-1129 (2005).
- Zhao, X., Cheng, K., Liu, D. Organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic hydrolysis. Appl. Microbiol. Biotechnol. 82 (5), 815-827 (2009).
- Brandt, A., Gräsvik, J., Hallett, J. P., Welton, T. Deconstruction of lignocellulosic biomass with ionic liquids. Green Chem. 15, 550 (2012).
- Chen, L., et al. Inexpensive ionic liquids:[HSO 4]−-based solvent production at bulk scale). Green Chem. 16 (6), 3098-3106 (2014).
- Brandt, A., Chen, L., van Dongen, B. E., Welton, T., Hallett, J. P. Structural changes in lignins isolated using an acidic ionic liquid water mixture. Green Chem. 17, 5019-5034 (2015).
- Sluiter, A., et al. NREL/TP-510-42621. Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples. , (2008).
- Sluiter, A., et al. NREL/ TP – 510 – 42618Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. , (2011).
- Resch, M. G., Baker, S. R., Decker, NREL/TP-5100-63351. Low Solids Enzymatic Saccharificatin of Lignocellulosic Biomass. , (2015).
- Brandt, A., Ray, M. J., To, T. Q., Leak, D. J., Murphy, R. J., Welton, T. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
- Aver, K., Scortegagna, A., Fontana, R., Camassola, M. Saccharification of ionic-liquid-pretreated sugar cane bagasse using Penicillium echinulatum enzymes. J Taiwan Inst Chem Eng. 45 (5), 2060-2067 (2014).
- George, A., et al. Design of low-cost ionic liquids for lignocellulosic biomass pretreatment. Green Chem. 17 (3), 1728 (2015).
- Verdía, P., Brandt, A., Hallett, J. P., Ray, M. J., Welton, T. Fractionation of lignocellulosic biomass with the ionic liquid 1-butylimidazolium hydrogen sulfate. Green Chem. 16 (3), 1617-1627 (2014).
- Brandt, A., et al. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
