Förbehandling av lignocellulosa med låg kostnad joniska lösningar

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

Mötesmänsklighetens energibehov på ett hållbart sätt är en av de största utmaningarna som vår civilisation står inför. Energianvändningen förväntas fördubblas under de kommande 50 åren, lägga större påfrestningar på fossila resurser bränslen. ¹ uppbyggnaden av växthusgaser (GHG) i atmosfären genom utbredd användning av fossila bränslen är särskilt problematiskt eftersom _CO2 genereras från förbränning av fossila bränslen är ansvarig för 50% av den antropogena växthuseffekten. ² Därför storskalig användning av förnybara och koldioxidneutrala teknik är avgörande för att möta de ökade energi- och materialbehov för kommande generationer. ^{1, 3}

Växtbiomassa är den mest mångsidiga förnybar resurs, som det kan användas för att producera värme, elektricitet samt kolbaserade kemikalier, material och bränslen. Främsta fördelarna med lignocellulosa jämfört med andra typer av biomassa är dess överflöd, potential för hög avkastning per markområde och ofta mycket högre CO ₂ besparingar utsläpps som innehåller hög retention av kol i marken. ^{4, 5} Ytterligare fördelar med att använda biomassa inkluderar lokal tillgänglighet, låga kapitalkrav för att omvandla biomassa till energi, och förebyggande jorderosion. ⁸

Den huvudsakliga produktionen av lignocellulosa råvaror är skogsindustrin och jordbrukssektorn samt kommunala avfallshanteringen. ⁶ Lignocellulosa produktion har potential att utökas med ett sinne för att begränsa avskogningen och undvika utbyte av livsmedelsgrödor och utsläpp av potentiella föroreningar. ⁷ för förnybar biomassa för att bli en livskraftig utbredd källa av flytande bränslen och kemikalier transport, måste dess bearbetning blir ekonomiskt konkurrenskraftig med fossila bränslen omvandlingsteknik. ^{9, 10} en nyckel till att uppnå detta är att öka utbytet och kvaliteten på biomassa som härrör från mellan samtidigt minska kostnad. </ P>

Lignocellulosa innehåller en hög andel av socker som kan omvandlas till bränsle och kemikalier via katalytiska och mikrobiella omvandlingar. ¹¹ Dessa socker finns i lignocellulosa i polymer form som cellulosa och hemicellulosa. De kan hydrolyseras till glukos och andra socker monomerer och sedan användas för att framställa bioetanol och andra bio-härledda kemikalier och lösningsmedel. ¹²

För att få tillgång till cellulosasockerarter, är nödvändigt genom fysiska, kemiska eller kombinerade processer förbehandling av biomassan. ⁴ Förbehandlingen är utan tvekan den mest kostsamma steget i valorisering av lignocellulosa. Därför forskning förbättrade förbehandlingsprocesser är absolut nödvändigt.

Olika förbehandlings tekniker finns tillgängliga. Av särskilt intresse är de som separera lignin från cellulosa (fractionative förbehandling). Lignin, den tredje stora komponenten ilignocellulosa, reducerar begränsar tillgången hydrolysera medel till cellulosa och hemicellulosa och sockerutbytet per ton av matarmaterial. ¹¹ Den separerade ligninet kan utnyttjas som en ytterligare bioraffinaderi intermediär om den är isolerad i lämplig kvalitet. ¹³ En fractionative process är kraftprocessen, som är den vanligaste förbehandling för produktion papper / cellulosa. I kraftmassa, träflis placeras i en blandning av natriumhydroxid och natriumsulfid och upphettas vid förhöjda temperaturer av omkring 170 ° C under högt tryck. ¹⁴ De alkaliska reaktioner avlägsna hemicellulosa och lignin genom att bryta polymererna ned till korta fragment via nukleofil och baskatalys, och genom att lösa ligninfragment via de-protonering av fenoliska hydroxyl / alkoholgrupper. En annan vanlig delignifiering processen är den Organosolv process som även fragment och upplöser lignin och hemicellulosa. Snarare än att använda ett alkaliskt aqueooss lösning, är organiska lösningsmedel, såsom etanol och ättiksyra används vid höga temperaturer som sträcker sig mellan 160 till 200 ° C och tryck från 5 till 30 bar. Organosolv förbehandling har vissa fördelar jämfört med sulfat eftersom det ger mindre luft- och vattenföroreningar. ¹⁵ Båda processerna ha några ekonomiska utmaningar, om de används för framställning av kemikalier och bränslen i stället för cellulosa. ¹⁶ Ionosolv förbehandling använder joniska vätskor, som är salter som har smältpunkter under 100 ° C och, som ett resultat av deras kraftfulla Coulombic interaktioner, mycket låga ångtryck. ¹⁷ Detta eliminerar luftföroreningar i förbehandlingsprocessen, och möjliggör bearbetning vid eller nära atmosfärstryck.

Medan de flesta ils skapas i arbetskrävande, flerstegssynteser, kan protiska ils syntetiseras på ett en-stegsförfarande från handelskemikalier, vilket gör dem billigare; det uppskattas att vissa ILS skulle kunna produceras vid bulkskala för enpriset på $ 1,24 per kg, vilket är jämförbart med vanliga organiska lösningsmedel såsom aceton och toluen. ¹⁸ Förmågan att återvinna och återanvända dessa customizable ILS i en process som arbetar vid jämförelsevis lägre temperaturer och tryck gör detta till en mer godartad alternativa och en ekonomiskt attraktiv kandidat för bioraffinering.

Denna detaljerade video protokoll visar en laboratorieskala version av Ionosolv förfarande för delignifiering av lignocellulosa och den slutliga enzymatiska försockring av cellulosarika massa samt återvinning av en hög renhet luktfri lignin. ¹⁹

Protocol

Obs! Protiska joniska vätskor som används i processen syntetiseras i vårt laboratorium, även om vissa kan vara eller bli kommersiellt tillgängliga. De resulterande joniska vätskor är sura och frätande och förmodligen hud / ögonirriterande (beroende på amin används), och måste därför hanteras med omsorg bär lämplig skyddsutrustning (labbrock, säkerhetsspecifikationer, resistenta handskar). 1. Beredning Förberedelse och lagring av lignocellulosa <…

Representative Results

Den exakta mängden av lignin avlägsnas och lignin nederbörd, återhämtade massa och glukos avkastning beror på vilken typ av biomassa som används, den temperatur vid vilken behandlingen körs och varaktigheten av behandlingen. Korta förbehandlingstider och låga temperaturer leder till ofullständig förbehandling medan vid högre temperaturer cellulosan blir instabil i den joniska vätskan, vilket leder till hydrolys och nedbrytning. Den valda joniska vätskan spelar också en vi…

Discussion

Tekniken för fraktionering av lignocellulosabiomassa presenteras här producerar en cellulosarika massa och en lignin. De flesta av de hemicellulosor upplöses in i den joniska vätskan och hydrolyserades, men inte återhämtat sig. Om hemicellulosa sockerarter föredras, kan en hemicellulosa pre-extraktionssteget före Ionosolv delignifiering vara nödvändig. Det har hittills varit omöjligt att stänga helt massbalansen för biomassan, eftersom det inte är möjligt att identifiera och kvantifiera alla nedbrytningsp…

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