המקדים של ביומסה Lignocellulosic עם נוזלים יוניים בעלות נמוכה
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
חדרי הביקוש לאנרגיה של האנושות בר קיימא הוא אחד האתגרים הגדולים שהציוויליזציה שלנו פרצופים. שימוש באנרגיה צפוי להכפיל ב 50 השנים הבאות, הגדלת עומס רב יותר על משאבי דלק מאובנים. 1 ההצטברות של גזי חממה (GHG) באטמוספרה באמצעות שימוש בדלק מאובנים רחב התפשט היא בעייתית במיוחד, כמו CO 2 שנוצר משריפה דלקים מאובנים אחראים 50% של אפקט החממה אנתרופוגניים. 2 לכן, יישום בקנה מידה הגדולה של טכנולוגיות ניטראליות מתחדשות פחמן חיוני שעונה על הצרכים של הדורים הבאים אנרגיה וחומרים המוגבר. 1, 3
ביומסה הצמח הוא משאב מתחדש המגוונים ביותר, כפי שהוא יכול לשמש כדי לייצר חום, חשמל, כמו גם, חומרים כימיקלים מבוססי פחמן ודלקים. היתרונות העיקריים של ביומסה lignocellulosic פני סוגים ביומסה אחרים הם שפע, הפוטנציאל שלה PE תשואות גבוהותאזור r אדמה ועל פי רוב חיסכון פליטה CO 2 גבוה יותר, הכולל שימור גבוה של פחמן בקרקע. 4, 5 יתרונות של שימוש ביומסה כולל זמינות מקומית, דרישות הון נמוכות להמיר ביומסה לאנרגיה, ומניעת סחף קרקע. 8
המפיקים הגדולים של חומר זינה lignocellulosic הם תעשיית ייעור במגזר החקלאי וכן ניהול פסולת עירונית. 6 ייצור lignocellulose יש פוטנציאל להיות מורחבת, עם מוח כדי להגביל יערות והימנעות החלפת גידולי מזון שחרור מזהמים פוטנציאליים. 7 עבור ביומסה מתחדשת להפוך למקור נפוץ קיימא של דלקים לתחבורה נוזלים כימיקלים, העיבוד שלה חייב להיות תחרותי כלכלי עם טכנולוגיות מרת דלק מאובנים. 9, 10, אחת הדרכים להשגה זו היא להגביר את התפוקה ואיכות של חומרי ביניים הנגזרות ביומסה תוך צמצום עלות. </ P>
Lignocellulose מכיל שיעור סוכרים גבוהה אשר ניתנות להמרה דלקים וכימיקלים באמצעות המרות הקטליטי מיקרוביאלי. 11 סוכרים אלה נמצאים lignocellulose בצורה פולימריים כמו תאית hemicellulose. הם יכולים להיות הידרוליזה לתוך מונומרים גלוקוז וסוכר אחרים ולאחר מכן המשמשים לייצור ביו-וכימיקלים שמקורם ביו אחרים וממסים. 12
כדי לגשת הסוכרים התאיים, המקדים של ביומסה יש צורך הדרך פיזי, כימי או תהליכים משולבים. 4 המקדים הוא לטעון את הצעד היקר ביותר יִצוּב מְחִיר של ביומסה lignocellulosic. לפיכך מחקר לתוך תהליכי המקדים שיפור הכרחי.
טכנולוגיות מקדימות שונות זמינות. מעניין במיוחד הם אלה שמפרידים בין ליגנין מתאית (מקדים fractionative). ליגנין, המרכיב העיקרי השלישיlignocellulose, גישת גבולות hydrolyzing סוכנים תאיים hemicellulose ומקטינה את תשואת הסוכר לטון של זינה. 11 ליגנין המופרד יכול להיות מנוצל כמו biorefinery נוסף ביניים אם היא מבודדת באיכות מתאימה. 13 אחת תהליך fractionative הוא תהליך קראפט אשר הוא המקדים הנפוץ ביותר לייצור נייר / תאי. בשנת מעיכת קראפט, שבבי עץ ממוקמים בתוך תערובת של הידרוקסיד נתרן גופרתי נתרן מחומם בטמפרטורות גבוהות של כ 170 מעלות צלזיוס בלחץ גבוה. 14 התגובות אלקליין להסיר hemicellulose ו ליגנין ידי שבירת הפולימרים עד שברים קצרים דרך nucleophilic ו בסיס קטליזה, ועל ידי המסת שברי הליגנין באמצעות דה-protonation של קבוצות הידרוקסיל פנוליות / אלכוהול. תהליך נוסף delignification נפוץ הוא תהליך Organosolv אשר גם שהברים מתמוסס ליגנין ו hemicellulose. במקום להשתמש aqueo אלקלייןפתרון אותנו, ממיסים אורגניים כגון אתנול וחומצה אצטית משמשים בטמפרטורות גבוהות הנעים בין 160-200 מעלות צלזיוס ולחצים מסרגל 5-30. יש מקדים Organosolv כמה יתרונות על פני קראפט מעיכה בכך שהיא מייצרת פחות אוויר וזיהום מים. 15 שני התהליכים להחזיק כמה אתגרים כלכליים, אם משתמשים בו לייצור כימיקלים ודלקים ולא תאי. 16 מקדים Ionosolv משתמש נוזלים יוניים, אשר הם מלחימים יש נקודת התכה מתחת ל -100 מעלות צלזיוס, כתוצאת אינטראקציות Coulombic החזקות שלהם, לחץ אדים נמוכים מאוד. 17 זה מבטל זיהום אוויר בתהליך המקדים, ומאפשר עיבוד ליד או בלחץ אטמוספרי.
בעוד שרוב ILs נוצר סינתזות מייגעות, רבי שלבים, ILs protic יכול להיות מסונתז תהליך חד-שלב מ כימיקלי סחורות, מה שהופך אותם פחות יקרים; ההערכה היא כי חלק ILs יכול להיות מיוצר על בקנה מידה גורפת עבורמחיר של 1.24 $ לכל קילו אשר ניתן להשוות בממסים אורגניים שכיחים כגון אצטון טולואן. 18 היכולת למחזר ולעשות שימוש חוזר ILs להתאמה האישי אלה בתהליך הפועלת יחסית בטמפרטורות נמוכות ולחצים עושה את זה אלטרנטיבה שפירה יותר מועמד אטרקטיבי מבחינה כלכלית עבור Biorefining.
פרוטוקול וידאו מפורט זה מדגים גרסה בקנה מידה במעבדה של תהליך Ionosolv עבור delignification של ביומסה lignocellulosic ואת saccharification האנזימטית הסופי של עיסת התאית עשירה כמו גם ההתאוששות של ליגנין ריח ללא טוהר גבוה. 19
Protocol
Representative Results
Discussion
הטכניקה עבור החלוקה של ביומסה lignocellulosic המוצגת כאן מייצרת עיסה תאית-עשיר ליגנין. רוב hemicelluloses מתמוססים לתוך הנוזל היוני הידרוליזה, אך לא התאושש. אם סוכרי hemicellulose הם רצויים, צעד מראש חילוץ hemicellulose לפני delignification Ionosolv עשוי להיות נחוץ. זה היה עד כה בלתי אפשרי לסגור את מאזן מס?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים המכון גרנתאם לשינויי האקלים ואיכות הסביבה, אקלים-KIC ו EPSRC (EP / K038648 / 1 ו- EP / K014676 / 1) למימון ופייר בובייה למתן נתוני הניסוי עבור pretreatments אורן.
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 |
Riferimenti
- 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).
