Estrazione ultraveloce di Lignin da residui lignocellulosici mediterranei insoliti
Summary
Il pretrattamento a base di solvente eutettico profondo, assistito da microonde, è un processo verde, veloce ed efficiente per il frazionamento lignocellulosico e il recupero della lignina ad alta purezza.
Abstract
Il pretrattamento è ancora il passo più costoso nei processi di bioraffineria lignocellulosica. Deve essere reso conveniente riducendo al minimo i requisiti chimici, il consumo di energia e calore e utilizzando solventi rispettosi dell’ambiente. I solventi eutettici profondi (DES) sono solventi chiave, verdi e a basso costo nei bioradiostori sostenibili. Sono miscele trasparenti caratterizzate da bassi punti di congelamento risultanti da almeno un donatore di legami idrogeno e un accettore di legami idrogeno. Sebbene i DES siano solventi promettenti, è necessario combinarli con una tecnologia di riscaldamento economica, come l’irradiazione a microonde, per una redditività competitiva. L’irradiazione a microonde è una strategia promettente per ridurre i tempi di riscaldamento e aumentare il frazionamento perché può raggiungere rapidamente la temperatura appropriata. Lo scopo di questo studio era quello di sviluppare un metodo rapido e in una fase per il frazionamento della biomassa e l’estrazione della lignina utilizzando un solvente a basso costo e biodegradabile.
In questo studio, un pretrattamento DES assistito da microonde è stato condotto per 60 s a 800 W, utilizzando tre tipi di DES. Le miscele DES sono state preparate in modo facile dal cloruro di colina (ChCl) e da tre donatori di legame idrogeno (HBD): un acido monocarrbossilico (acido lattico), un acido dicarrbossilico (acido ossalico) e urea. Questo pretrattamento è stato utilizzato per il frazionamento della biomassa e il recupero della lignina dai residui marini (foglie di Posidonia e aegagropile), sottoprodotti agroalimentari (gusci di mandorle e vinacce di olive), residui forestali (pigne) ed erbe lignocellulosiche perenni(Stipa tenacissima). Ulteriori analisi sono state condotte per determinare la resa, la purezza e la distribuzione del peso molecolare della lignina recuperata. Inoltre, l’effetto dei DES sui gruppi funzionali chimici nella lignina estratta è stato determinato dalla spettroscopia a infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR). I risultati indicano che la miscela di acido chcl-ossalico offre la massima purezza di lignina e la resa più bassa. Il presente studio dimostra che il processo DES-microonde è una tecnologia ultraveloce, efficiente e competitiva in termini di costi per il frazionamento della biomassa lignocellulosica.
Introduction
I processi di bioraffineria sostenibile integrano la lavorazione della biomassa, il suo frazionamento in molecole di interesse e la loro conversione in prodotti avalore aggiunto 1. Nella bioraffineria di seconda generazione, il pretrattamento è considerato essenziale per frazionare la biomassa nei suoi componenti principali2. I metodi tradizionali di pretrattamento che utilizzano strategie chimiche, fisiche o biologiche sono stati ampiamente applicati3. Tuttavia, tale pretrattamento è considerato il passo più costoso nella bioraffinatura e presenta altri svantaggi come lunghi tempi di lavorazione, elevato consumo di calore ed energia e impurità del solvente4. Recentemente, i DES, le cui proprietà sono simili a quelle dei liquidi ionici3,sono emersi come solventi verdi grazie a vantaggi come biodegradabilità, compatibilità ambientale, facilità di sintesi e recupero dopo il trattamento5.
I DES sono miscele di almeno un HBD, come acido lattico, acido malico o acido ossalico, e un accettore di legame idrogeno (HBA) come betaina o cloruro di colina (ChCl)6. Le interazioni HBA-HBD consentono un meccanismo catalitico che consente la scissione di legami chimici, causando il frazionamento della biomassa e la separazione della lignina. Molti ricercatori hanno riportato il pretrattamento a base di DES di materie prime lignocellulosiche come chcl-glicerolo sulla pannocchiera del mais e stover7,8, ChCl-urea e acido chcl-ossalico sulla paglia di grano9,acido chcl-lattico sulla segatura di eucalipto 10e acido chcl-acetico11 e glicole chcl-etilene sullegno 11. Per migliorare l’efficienza del DES, il pretrattamento deve essere combinato con il trattamento a microonde per accelerare il frazionamento dellabiomassa 5. Molti ricercatori hanno riportato un pretrattamento combinato (DES e microonde) dilegno 8 e di stover di mais, switchgrass e Miscanthus 5 , chefornisce nuoveinformazioni sulla capacità di DESs per il frazionamento lignocellulosico e l’estrazione della lignina in un semplice passaggio in un breve periodo.
La lignina è una macromolecola fenolica valorizzata come materia prima per la produzione di biopolimeri e presenta un’alternativa per la produzione di sostanze chimiche come monomeri aromatici e oligomeri12. Inoltre, la lignina ha attività antiossidanti e di assorbimentoultravioletto 13. Diversi studi hanno riportato applicazioni di lignina nei prodotti cosmetici14,15. La sua integrazione nei prodotti commerciali per la protezione solare ha migliorato il fattore di protezione solare (SPF) del prodotto da SPF 15 a SPF 30 con l’aggiunta di solo il 2 wt % di lignina e fino a SPF 50 con l’aggiunta del 10 wt % lignin16. Questo documento descrive un approccio ultraveloce per la scissione lignina-carboidrati, assistito dal pretrattamento combinato DES-microonde delle biomasse mediterranee. Queste biomasse sono costituite da sottoprodotti agroalimentati, in particolare sansa di oliva e gusci di mandorle. Altre biomasse che sono state studiate sono state quelle di origine marina (foglie di Posidonia e aegagropile) e quelle provenienti da una foresta (pigne ed erbe selvatiche). Lo studio si è posto l’obiettivo di testare solventi verdi a basso costo per valutare gli effetti di questo pretrattamento combinato sul frazionamento delle materie prime, di studiarne l’influenza sulla purezza e sulla resa della lignina e di studiarne gli effetti sui pesi molecolari e sui gruppi funzionali chimici nella lignina estratta.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo studio aveva molti obiettivi; il primo dei quali è stato quello di preparare e utilizzare solventi verdi a basso costo con le caratteristiche sia dei liquidi ionici che dei solventi organici. Il secondo obiettivo era quello di frazionare la biomassa ed estrarre la lignina in un’unica fase, senza richiedere fasi preliminari come l’estrazione di estraibili utilizzando Soxhlet o emicellulosa utilizzando solventi alcalini, tecniche di base o termofise. Il terzo obiettivo era quello di recuperare la lignina mediante s…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MK e TB ringraziano Haitham Ayeb per le analisi statistiche e la preparazione delle figure, la regione vallone (Sviluppo regionale europeo-VERDIR) e il ministro dell’istruzione superiore e della ricerca scientifica (Taoufik Bettaieb) per il finanziamento.
Materials
| HPLC Gel Permeation Chromatography | Agilent 1200 series | ||
| 1 methylimadazole | Acros organics | ||
| 2-deoxy-D-glucose (internal standard) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Acetic acid | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Acetic anhydride | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Adjustables pipettors | |||
| Alkali | alkali-extracted lignin | ||
| Arabinose (99%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Autoclave | CERTO CLAV (Model CV-22-VAC-Pro) | ||
| Water Bath at 70 °C | |||
| Boric acid | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Bromocresol | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Catalyst | CTQ (coded A22) (1.5 g K2SO4 + 0.045 g CuSO4.5 H2O + 0.045 g TiO2) | Merck | |
| Centrifugation container | |||
| Centrifuge | BECKMAN COULTER | Avanti J-E centrifuge | |
| Ceramic crucibles | |||
| Choline chloride 99% | Acros organics | ||
| Column | Agilent PLGel Mixed C (alpha 3,000 (4.6 × 250 mm, 5 µm) preceded by a guard column (TSK gel alpha guard column 4.6 mm × 50 mm, 5 µm) | ||
| Column | HP1-methylsisoxane (30 m, 0.32 mm, 0.25 mm) | ||
| Crucible porosity N°4 ( Filtering crucible) | Shott Duran Germany | boro 3.3 | |
| Deonized water | |||
| Dessicator | |||
| Dimethylformamide | VWR BDH Chemicals | ||
| Dimethylsulfoxide | Acros organics | ||
| Erlenmeyer flask | |||
| Ethanol | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Filtering crucibles, procelain | |||
| Filtration flasks | |||
| Fourrier Transformed Inra- Red | Vertex 70 Bruker apparatus equipped with an attenuated total reflectance (ATR) module. Spectra were recorded in the 4,000–400 cm−1 range with 32 scans at a resolution of 4.0 cm−1 |
||
| Galactose (98% | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Gaz Chromatography | Agilent (7890 series) | ||
| Glass bottle 100 mL | |||
| Glass tubes ( borosilicate) with teflon caps 10 mL | |||
| Glucose (98% | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Golves | |||
| Graduated cylinder 50 mL /100 mL | |||
| H2SO4 Titrisol (0.1 N) | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| H2SO4 (95-98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | BUCHI R-114) | |
| Hummer cutter equiped with 1 mm and 0.5 mm sieve | Mill Ttecator (Sweden) | Cyclotec 1093 | |
| Indulin | Raw lignin control | ||
| Kjeldahl distiller | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
| Kjeldahl tube | FOSS | ||
| Kjeldhal rack | |||
| Kjeldhal digester | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
| Kjeldhal suction system | |||
| Lab Chem station Software | GC data analysis | ||
| Lactic acid | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Lithium chloride LiCl | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Mannose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Methyl red | |||
| Microwave | START SYNTH MILESTONE Microwave laboratory system | ||
| Microwave temperature probe | |||
| Microwave container | |||
| Muffle Furnace | |||
| NaOH | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Nitrogen free- paper | |||
| Opus | spectroscopy software | ||
| Oven | GmbH Memmert SNB100 | Memmert SNB100 | |
| Oxalic acid | VWR BDH Chemicals | ||
| P 1000 | Soda-processed lignin | ||
| pH paper | |||
| precision balance | |||
| Infrared spectroscopy | |||
| Quatz cuvette | |||
| Rhamnose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Rotary vacuum evaporator | Bucher | ||
| Round-bottom flask 500 mL | |||
| sodium borohydride NaBH4 | |||
| Schott bottle | glass bottle | ||
| Sovirel tubes | sovirel | Borosilicate glass tubes | |
| Spatule | |||
| Special tube | |||
| Spectophotometer | UV-1800 Shimadzu | ||
| Sterilization indicator tape | |||
| Stir bar in teflon | |||
| Stirring plate | |||
| Syringes | |||
| Sodium borohydride | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Titrisol | Merck | Merck 109984 | 0.1 N H2SO4 |
| Urea | VWR BDH Chemicals | ||
| Vials | |||
| VolumetriC flask 2.5 L /5 L | Bucher | ||
| Vortex | |||
| Xylose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) |
References
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