Le prétraitement de la biomasse lignocellulosique avec les liquides ioniques à faible coût
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
la demande d'énergie de l'humanité Réunion est durablement l'un des plus grands défis que notre civilisation est confrontée. La consommation d'énergie devrait doubler dans les 50 prochaines années, en mettant plus de pression sur les ressources en combustibles fossiles. 1 L'accumulation de gaz à effet (GES) dans l'atmosphère à travers répandue l' utilisation de combustibles fossiles est particulièrement problématique, que le CO 2 généré par la combustion de combustibles fossiles est responsable de 50% de l'effet de serre anthropique. 2 par conséquent, l' application à grande échelle de technologies neutres renouvelables et de carbone est essentielle pour répondre aux besoins énergétiques et matériels accrus des générations futures. 1, 3
La biomasse végétale est la ressource renouvelable la plus polyvalent, car il peut être utilisé pour produire de la chaleur, l'électricité, ainsi que des produits chimiques, des matériaux et des combustibles à base de carbone. Les principaux avantages de la biomasse lignocellulosique par rapport aux autres types de biomasse sont son abondance, le potentiel de rendements élevés pezone r de terre et souvent beaucoup plus de CO 2 économies d'émissions, qui comprend une forte rétention du carbone dans le sol. 4, 5 autres avantages de l' utilisation de la biomasse comprennent la disponibilité locale, faibles besoins en capitaux pour convertir la biomasse en énergie, et la prévention de l' érosion des sols. 8
Les principaux producteurs de matières premières lignocellulosiques sont l'industrie forestière et le secteur agricole, ainsi que la gestion des déchets municipaux. 6 production lignocellulose a le potentiel pour être étendu, avec un esprit de limiter la déforestation et à éviter le remplacement des cultures vivrières et des rejets de polluants potentiels. 7 pour la biomasse renouvelable pour devenir une source généralisée viable des carburants et des produits chimiques liquides pour le transport, le traitement doit devenir économiquement compétitive avec les technologies de conversion des combustibles fossiles. 9, 10 une clé pour y parvenir est d'augmenter le rendement et la qualité des produits intermédiaires dérivés de la biomasse tout en réduisant coût. </ P>
La lignocellulose contient une forte proportion de sucres qui peuvent être convertis en carburants et produits chimiques via des conversions catalytiques et microbiennes. 11 Ces sucres sont présents dans la lignocellulose sous forme polymère que la cellulose et l' hémicellulose. Ils peuvent être hydrolyses en glucose et autres sucres monomères et ensuite utilisés pour la production de bioéthanol et d' autres produits chimiques bio-dérivés et les solvants. 12
Pour accéder aux sucres cellulosiques, le prétraitement de la biomasse est nécessaire grâce à des processus combinés physiques, chimiques, ou 4. Le prétraitement est sans doute l'étape la plus coûteuse dans la valorisation de la biomasse lignocellulosique. D'où la recherche de procédés de prétraitement améliorés est impératif.
Diverses technologies de prétraitement sont disponibles. D'un intérêt particulier sont celles qui séparent la lignine de la cellulose (prétraitement fractionative). La lignine, la troisième composante majeurelignocellulose, limite l' accès des agents à la cellulose et de l' hémicellulose en hydrolysant et réduit le rendement en sucre par tonne de charge d' alimentation. 11 La lignine séparée peut être utilisée comme une bioraffinerie intermédiaire supplémentaire , si elle est isolée dans la qualité appropriée. 13 Un procédé fractionative est le procédé Kraft qui est le prétraitement la plus courante pour la production du papier / cellulose. Dans le procédé kraft, les copeaux de bois sont placés dans un mélange d'hydroxyde de sodium et du sulfure de sodium et on chauffe à des températures élevées d'environ 170 ° C sous une pression élevée. 14 Les réactions alcalines éliminent l' hémicellulose et la lignine en brisant les polymères jusqu'à fragments courts par l' intermédiaire nucléophile et catalyse basique, et en dissolvant les fragments de lignine par l' intermédiaire de-protonation des groupes hydroxyle / alcool phénoliques. Un autre procédé de délignification commun est le processus Organosolv qui fragmente également et dissout la lignine et l'hémicellulose. Plutôt que d'utiliser un Aqueo alcalinSolution nous, les solvants organiques tels que l'éthanol et l'acide acétique sont utilisés à des températures élevées comprises entre 160 à 200 ° C et des pressions de 5 à 30 bars. Organosolv prétraitement a certains avantages par rapport à la pâte kraft en ce qu'il produit moins d' air et de la pollution de l' eau. 15 Les deux procédés possèdent des défis économiques, si elle est utilisée pour la production de produits chimiques et des carburants plutôt que de la cellulose. 16 Le prétraitement Ionosolv utilise des liquides ioniques, qui sont des sels qui ont des points de fusion inférieurs à 100 ° C et, en raison de leurs interactions coulombiennes puissants, des pressions de vapeur très faibles. 17 Ceci élimine la pollution de l' air dans le processus de pré – traitement, et permet le traitement au niveau ou près de la pression atmosphérique.
Alors que la plupart des ILs sont créés dans laborieuses, des synthèses multi-étapes, ILs protiques peuvent être synthétisés dans un procédé à une seule étape à partir de produits chimiques de base, ce qui les rend moins coûteux; on estime que certains ILs peuvent être produits à grande échelle en vrac pour uneprix de 1,24 $ par kg , ce qui est comparable aux solvants organiques courants tels que l' acétone et le toluène. 18 La capacité de recycler et de réutiliser ces ILs personnalisables dans un processus qui fonctionne à des températures relativement faibles et des pressions en fait une alternative plus bénigne et un candidat économiquement attrayante pour bioraffinage.
Ce protocole vidéo montre une version détaillée l' échelle du laboratoire du processus Ionosolv pour la délignification de la biomasse lignocellulosique et de la saccharification enzymatique éventuelle de la pâte de cellulose riche ainsi que la récupération d'une lignine sans odeur de haute pureté 19.
Protocol
Representative Results
Discussion
La technique pour le fractionnement de la biomasse lignocellulosique présenté ici produit une pâte riche en cellulose et la lignine. La plupart des hémicelluloses sont dissous dans le liquide ionique et hydrolysé, mais non récupérés. Si les sucres hémicellulosiques sont désirés, une étape de pré-extraction d'hémicellulose avant la délignification Ionosolv peut être nécessaire. Il a été jusqu'ici impossible de fermer complètement l'équilibre de masse pour la biomasse, car il est impossibl…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs reconnaissent l'Institut Grantham pour le changement climatique et l'environnement, Climate-KIC et EPSRC (EP / K038648 / 1 et EP / K014676 / 1) pour le financement et Pierre Bouvier pour fournir des données expérimentales pour prétraitements de pin.
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
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