Pré-tratamento de biomassa lignocelulósica com baixo custo líquidos iônicos

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

a demanda de energia da humanidade Reunião de forma sustentável é um dos maiores desafios que a nossa civilização enfrenta. O uso de energia está prevista para dobrar nos próximos 50 anos, colocando maior pressão sobre os recursos de combustíveis fósseis. ¹ O acúmulo de gases de efeito estufa (GEE) na atmosfera através da generalizada uso de combustíveis fósseis é particularmente problemática, como o CO ₂ gerado a partir da combustão de combustíveis fósseis é responsável por 50% do efeito de estufa antropogénico. ² Portanto, a aplicação em grande escala de tecnologias neutras renováveis ​​e de carbono é essencial para satisfazer as maiores necessidades de energia e materiais das gerações futuras. ^{1, 3}

biomassa de plantas é o recurso renovável mais versátil, uma vez que pode ser utilizado para produzir calor, electricidade, bem como produtos químicos à base de carbono, e materiais combustíveis. principais vantagens da biomassa lignocelulósica em relação a outros tipos de biomassa são sua abundância, potencial para altos rendimentos peárea de r de terra e frequentemente muito mais elevada poupança de emissões de CO _2, que inclui alta retenção de carbono no solo. ^{4, 5} Adicional benefícios da utilização da biomassa incluem a disponibilidade local, baixos requisitos de capital para converter biomassa em energia, ea prevenção da erosão do solo. ⁸

Grandes produtores de matérias-primas lignocelulósicas são a indústria florestal e no sector agrícola, bem como a gestão de resíduos urbanos. ⁶ produção de lignocelulose tem o potencial para ser expandida, com uma mente para limitar o desmatamento e evitar a substituição de culturas alimentares e liberação de potenciais poluentes. ⁷ para biomassa renovável para se tornar uma fonte generalizada viável de transporte de combustíveis líquidos e produtos químicos, seu processamento deve tornar-se economicamente competitiva com as tecnologias de conversão de combustíveis fósseis. ^{9, 10} a chave para alcançar este objetivo é aumentar a produtividade ea qualidade dos produtos intermédios derivados de biomassa, reduzindo custo. </ P>

Lignocelulose contém uma elevada proporção de açúcares que podem ser convertidos em combustíveis e produtos químicos através de conversões catalíticas e microbianas. ¹¹ Estes açúcares estão presentes em lignocelulose em forma polimérica como celulose e hemicelulose. Eles podem ser hidrolisados ​​em glucose e outros açúcares monómeros e, em seguida, utilizado para a produção de etanol e outros produtos químicos derivados de bio e solventes. ¹²

Para acessar os açúcares celulósicos, o pré-tratamento da biomassa é necessário através de processos combinados físicos, químicos, ou ^4. O pré-tratamento é sem dúvida o passo mais caro na valorização da biomassa lignocelulósica. Daí a investigação de processos de pré-tratamento melhorados é imperativo.

Várias tecnologias de pré-tratamento estão disponíveis. De particular interesse são aqueles que separar a lenhina da celulose (pré-tratamento fractionative). A lignina, o terceiro componente principal emlignocelulose, limita o acesso de agentes para a celulose e hemicelulose hidrolisar e reduz o rendimento de açúcar por tonelada de matéria-prima. ¹¹ A lignina separada pode ser utilizada como um biorrefinaria adicional intermédia se é isolado na qualidade adequada. ¹³ Um processo fractionative é o processo de Kraft que é o pré-tratamento mais comum para a produção de papel / celulose. No cozimento kraft, as aparas de madeira são colocados numa mistura de hidróxido de sódio e sulfeto de sódio e aqueceu-se a temperaturas elevadas de cerca de 170 ° C e sob alta pressão. ¹⁴ As reacções alcalinas remover hemicelulose e lignina, quebrando os polímeros de baixo para pequenos fragmentos via nucleofilica e catálise básica, e dissolvendo os fragmentos de lenhina por meio de-protonação de grupos hidroxilo / álcool fenólicos. Outro processo de deslignif icação comum é o processo Organosolv que também fragmentos e dissolve a lenhina e hemicelulose. Em vez de utilizar um aqueo alcalinonos solução, solventes orgânicos tais como etanol e ácido acético são utilizados a temperaturas elevadas variando entre 160-200 ° C e pressões de 5-30 bar. Organossolve pré-tratamento tem algumas vantagens sobre processos kraft na medida em que produz menos poluição do ar e da água. ¹⁵ Ambos os processos possuem alguns desafios económicos, se usado para a produção de produtos químicos e combustíveis, em vez de celulose. ¹⁶ O pré-tratamento Ionosolv usa líquidos iônicos, que são sais que têm pontos de fusão inferiores a 100 ° C e, como um resultado das suas interacções de Coulomb fortes, as pressões de vapor muito baixa. ¹⁷ Isto elimina a poluição do ar no processo de pré-tratamento, e permite o processamento em ou próximo da pressão atmosférica.

Enquanto a maioria dos LIs são criados em trabalhoso, sínteses de várias etapas, a ILS próticos podem ser sintetizadas num processo de um-passo a partir de produtos químicos de base, o que os torna menos dispendioso; estima-se que cerca de LIs pode ser produzido em grandes quantidades para uma escalapreço de $ 1,24 por kg, que é comparável com solventes orgânicos comuns, tais como acetona e tolueno. ¹⁸ A capacidade de reciclar e reutilizar estes LIs personalização num processo que opera a temperaturas relativamente baixas e pressões torna esta uma alternativa mais benigna e um candidato economicamente atraente para biorefinação.

Este protocolo de vídeo detalhada demonstra uma versão em escala laboratorial do processo Ionosolv para a deslignificação de biomassa lignocelulósica e a eventual sacarificação enzimática da celulose ricos em celulose, bem como a recuperação de um lignina livre de odor de alta pureza ^19.

Protocol

Nota: Os líquidos iónicos próticos utilizados no processo são sintetizados no nosso laboratório, embora alguns possam ser ou tornar-se comercialmente disponíveis. Os líquidos iônicos resultantes são ácidas e provavelmente irritantes da pele / olho (dependendo da amina utilizada) corrosivo e, pelo que deve ser manuseado com cuidado usando EPI adequado (bata de laboratório, óculos de segurança, luvas resistentes). 1. Preparação Preparação e armazenamento da …

Representative Results

A quantidade exacta de remoção de lignina e a precipitação de lignina, celulose e recuperado um rendimento de glicose dependem do tipo de biomassa utilizada, a temperatura à qual o tratamento é administrado e a duração do tratamento. tempos de pré-tratamento curtos e baixas temperaturas conduzir a pré-tratamento incompleto, enquanto a temperaturas mais elevadas a celulose torna-se instável no líquido iónico, levando a hidrólise e a degradação. O líquido iónico seleccion…

Discussion

A técnica para o fraccionamento da biomassa lenhocelulica aqui apresentado produz uma polpa ricos em celulose e lignina. A maioria das hemiceluloses são dissolvidos no líquido iónico e hidrolisada, mas não recuperados. Se acares hemicelulicos são desejados, uma hemicelulose passo de pré-extracção antes da deslignificação Ionosolv pode ser necessário. Tem sido até agora impossível de fechar completamente o balanço de massa para a biomassa, uma vez que não é possível identificar e quantificar os produtos…

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