Voorbehandeling van lignocellulose met Low-cost ionische vloeistoffen
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
energievraag Meeting mensheid duurzaam is één van de grootste uitdagingen die onze beschaving wordt geconfronteerd. Energieverbruik zal naar verwachting verdubbelen in de komende 50 jaar, waardoor een grotere druk op fossiele grondstoffen brandstof. 1 De opbouw van broeikasgassen (BKG) in de atmosfeer door wijdverbreide gebruik van fossiele brandstoffen is bijzonder problematisch, zoals CO 2 opgewekt door de verbranding van fossiele brandstoffen is verantwoordelijk voor 50% van de antropogene broeikaseffect. 2 Daarom is grootschalige toepassing van hernieuwbare en koolstofneutrale technologieën is essentieel voor het voldoen aan de verhoging van de energie en de materiële behoeften van toekomstige generaties. 1, 3
Plantaardige biomassa de meest veelzijdige hernieuwbare bron, als het kan worden gebruikt om warmte, elektriciteit en koolstof gebaseerde chemicaliën, materialen en brandstoffen. Belangrijkste voordelen van lignocellulose biomassa ten opzichte van andere soorten biomassa zijn de overvloed, potentieel voor hoge opbrengsten per gebied van land en vaak veel hoger CO 2 -uitstoot besparingen, die een hoge retentie van koolstof in de bodem omvat. 4, 5 Bijkomende voordelen van het gebruik van biomassa zijn onder andere lokale beschikbaarheid, lage kapitaaleisen om biomassa om te zetten in energie, en bodemerosie voorkomen. 8
De belangrijkste productie van lignocellulose grondstoffen zijn de houtverwerkende industrie en de agrarische sector, alsmede het beheer van stedelijk afval. 6 lignocellulose productie heeft de potentie om uit te breiden, met een geest aan het beperken van de ontbossing en het vermijden van de vervanging van voedselgewassen en het vrijkomen van potentieel schadelijke stoffen. 7 voor duurzame biomassa een levensvatbare wijdverbreide bron van vloeibare transportbrandstoffen en chemicaliën worden, moet de verwerking ervan economisch concurrerend met fossiele brandstoffen conversie technologieën. 9, 10 a sleutel om dit te bereiken is om de opbrengst en kwaliteit van biomassa afgeleide tussenproducten verhogen, terwijl het verminderen cost. </ P>
Lignocellulose bevat een hoog gehalte aan suikers die via katalytische en microbiële omzettingen kunnen worden omgezet in brandstoffen en chemicaliën. 11 Deze suikers aanwezig in lignocellulose in polymere vorm cellulose en hemicellulose zijn. Zij kunnen worden gehydrolyseerd tot glucose en andere suiker monomeren en vervolgens gebruikt voor de productie van bio-ethanol en andere bio-afgeleide chemicaliën en oplosmiddelen. 12
Om toegang te krijgen tot de cellulosehoudende suikers, voorbehandeling van de biomassa is noodzakelijk door middel van fysische, chemische, of gecombineerde processen. 4 De voorbehandeling is misschien wel de duurste stap in de valorisatie van lignocellulose biomassa. Vandaar dat onderzoek naar betere voorbehandeling processen is noodzakelijk.
Diverse voorbehandeling technologieën beschikbaar. Van bijzonder belang zijn die welke de lignine uit cellulose (fractionative voorbehandeling) scheiden. Lignine, het derde belangrijke component inlignocellulose, beperkt de toegang tot het hydrolyseren middelen cellulose en hemicellulose en vermindert de suikeropbrengst per ton voeding. 11 De afgescheiden lignine kan worden gebruikt als een extra biorefinery tussenproduct indien wordt geïsoleerd in geschikte kwaliteit. 13 Een fractionative proces Kraft proces dat is de meest voorkomende voorbehandeling papier / celluloseproduktie. Kraft pulpen worden houtsnippers geplaatst in een mengsel van natriumhydroxide en natriumsulfide en verhit bij verhoogde temperaturen van ongeveer 170 ° C onder hoge druk. 14 De alkalische reacties verwijderen hemicellulose en lignine door het breken van de polymeren naar korte fragmenten via nucleofiele en basische katalyse, en door het oplossen van de ligninefragmenten via de-protonering fenolische hydroxylgroepen / alcoholgroepen. Een ander gemeenschappelijk onthouting proces is de organosolv en waarbij ook fragmenten en lost de lignine en hemicellulose. In plaats van een alkalisch aqueoons oplossing, organische oplosmiddelen zoals ethanol en azijnzuur worden gebruikt bij hoge temperaturen tussen 160-200 ° C en drukken 5-30 bar. Organosolv voorbehandeling heeft een aantal voordelen ten opzichte van kraftcelstofproductie in die het produceert minder lucht- en watervervuiling. 15 Beide processen beschikken over een aantal economische uitdagingen, als het gebruikt wordt voor de productie van chemicaliën en brandstoffen in plaats van cellulose. 16 De Ionosolv voorbehandeling maakt gebruik van ionische vloeistoffen, die zouten die smeltpunten beneden 100 ° C en, als gevolg van hun krachtige Coulomb interacties zeer lage dampdrukken. 17 Hierdoor luchtverontreiniging in het voorbehandelingsproces en maakt verwerking bij of nabij atmosferische druk.
Terwijl de meeste IL's worden gemaakt in bewerkelijk, meerstaps syntheses kunnen protische IL's worden bereid in een enkelvoudig proces van basischemicaliën, waardoor ze goedkoper maakt; wordt geschat dat bepaalde IL's kunnen worden geproduceerd kwantitatieve weegschaal voor eenprijs van $ 1,24 per kg vergelijkbaar met gangbare organische oplosmiddelen zoals aceton en tolueen. 18 De mogelijkheid om te recycleren en hergebruiken deze klantgerichte IL's in een proces dat werkt bij relatief lagere temperaturen en drukken maakt dit een gunstige alternatief en een economisch aantrekkelijke kandidaat voor bioraffinage.
Deze gedetailleerde protocol video toont een laboratoriumschaal versie van de Ionosolv werkwijze voor de delignificatie van lignocellulose biomassa en de uiteindelijke enzymatische versuikering van cellulose-pulp rijke en het herstel van een zeer zuiver geurvrij lignine. 19
Protocol
Representative Results
Discussion
De techniek voor de fractionering van lignocellulosische biomassa hier gepresenteerde produceert een celluloserijke pulp en lignine. De meeste van de hemicellulose wordt opgelost in de ionische vloeistof en gehydrolyseerd, maar niet hersteld. Als hemicellulose suikers gewenst, kan een hemicellulose pre-extractiestap voor de Ionosolv delignificatie noodzakelijk. Het is tot nu toe onmogelijk geweest om een massabalans volledig sluiten van de biomassa, omdat het niet mogelijk is alle afbraakproducten in de ionische l…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de Grantham Instituut voor klimaatverandering en het milieu, Climate-KIC en EPSRC (EP / K038648 / 1 en EP / K014676 / 1) voor de financiering en Pierre Bouvier voor het verstrekken van experimentele gegevens voor grenen voorbehandelingen.
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).
