El pretratamiento de la biomasa lignocelulósica con bajo costo líquidos iónicos
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 demanda de energía de la humanidad satisfacer de manera sostenible es uno de los mayores retos a los que se enfrenta nuestra civilización. El uso de energía se prevé que se duplique en los próximos 50 años, poniendo mayor presión sobre los recursos de combustibles fósiles. 1 La acumulación de gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera a través de toda la extensión uso de combustibles fósiles es particularmente problemático, ya que el CO 2 generado a partir de la combustión de combustibles fósiles es responsable del 50% del efecto invernadero antropogénico. 2 por lo tanto, la aplicación a gran escala de las tecnologías renovables y neutrales de carbono es esencial para satisfacer las crecientes necesidades de energía y materiales de las generaciones futuras. 1, 3
La biomasa vegetal es el recurso renovable más versátil, ya que puede ser utilizado para producir calor, electricidad, así como productos químicos, materiales y combustibles a base de carbono. principales ventajas de la biomasa lignocelulósica con respecto a otros tipos de biomasa son su abundancia, el potencial de altos rendimientos peárea de r de la tierra y, a menudo mucho más alto ahorro de emisiones de CO 2, que incluye una alta retención de carbono en el suelo. 4, 5 beneficios adicionales del uso de biomasa incluyen la disponibilidad local, bajos requerimientos de capital para convertir biomasa en energía, y la prevención de la erosión del suelo. 8
La principal producción de materias primas lignocelulósicas son la industria forestal y el sector agrícola, así como la gestión de los residuos municipales. 6, la producción de lignocelulosa tiene el potencial de ser ampliado, con una mente para limitar la deforestación y evitar la sustitución de los cultivos de alimentos y liberación de contaminantes potenciales. 7 para la biomasa renovable para convertirse en una fuente extendida viable de transporte de combustibles líquidos y productos químicos, que su tratamiento debe ser económicamente competitiva con las tecnologías de conversión de combustibles fósiles. 9, 10 una clave para lograr esto es para aumentar el rendimiento y la calidad de los productos intermedios derivados de la biomasa, mientras que la reducción costo. </ P>
Lignocelulosa contiene una alta proporción de azúcares que se pueden convertir en combustibles y productos químicos a través de conversiones catalíticas y microbianas. 11 Estos azúcares están presentes en lignocelulosa en forma polimérica como la celulosa y la hemicelulosa. Pueden ser hidrolizados en monómeros de glucosa y otra de azúcar y luego utilizados para la producción de bioetanol y otros productos químicos bio-derivado y disolventes. 12
Con el fin de acceder a los azúcares celulósicos, el pretratamiento de la biomasa es necesario a través de procesos combinados física, química o. 4 El tratamiento previo es posiblemente el paso más costoso en la valorización de la biomasa lignocelulósica. Por lo tanto la investigación en la mejora de los procesos de pretratamiento es imprescindible.
Varias tecnologías de pretratamiento están disponibles. De particular interés son los que separan la lignina de la celulosa (pretratamiento fractionative). La lignina, el tercer componente importante enlignocelulosa, limita el acceso de los agentes a la celulosa y la hemicelulosa hidrolizar y reduce el rendimiento de azúcar por tonelada de materia prima. 11 La lignina separada puede ser utilizado como una biorrefinería adicional intermedio si se encuentra aislado en calidad adecuada. 13 Un proceso fractionative es el proceso Kraft que es el pretratamiento más común para la producción de papel / celulosa. En reducción a pasta Kraft, virutas de madera se colocan en una mezcla de hidróxido de sodio y sulfuro de sodio y se calienta a temperaturas elevadas de alrededor de 170 ° C bajo alta presión. 14 Las reacciones alcalinas eliminar hemicelulosa y lignina rompiendo los polímeros a fragmentos cortos a través de nucleófilo y catálisis básica, y mediante la disolución de los fragmentos de lignina a través de-la protonación de los grupos hidroxilo / alcohol fenólicos. Otro proceso de deslignificación común es el proceso Organosolv que también fragmentos y se disuelve la lignina y la hemicelulosa. En lugar de utilizar un aqueo alcalinasolución nosotros, disolventes orgánicos tales como etanol y ácido acético se utiliza a altas temperaturas que oscilan entre 160 a 200 ° C y presiones de 5 a 30 bar. Organosolv pretratamiento tiene algunas ventajas sobre el proceso kraft ya que produce menos contaminación del aire y el agua. 15 Ambos procesos tienen algunos retos económicos, si se utiliza para la producción de productos químicos y combustibles en lugar de celulosa. 16 El pretratamiento Ionosolv utiliza líquidos iónicos, que son sales que tienen puntos de fusión por debajo de 100 ° C y, como resultado de sus poderosas interacciones de Coulomb, las presiones de vapor muy bajas. 17 Esto elimina la contaminación del aire en el proceso de pretratamiento, y permite el procesamiento en o cerca de la presión atmosférica.
Aunque la mayoría de líquidos iónicos se crean en, síntesis de múltiples pasos laboriosos, ILs próticos se pueden sintetizar en un procedimiento en una etapa a partir de productos químicos básicos, que los hace menos costoso; se estima que algunos líquidos iónicos podrían producirse a escala mayor para unaprecio de $ 1,24 por kg, que es comparable a los disolventes orgánicos comunes tales como acetona y. tolueno 18 La capacidad de reciclar y reutilizar estos ILs personalizables en un proceso que opera a temperaturas y presiones relativamente bajas hace que este una alternativa más benigna y un candidato atractivo económicamente de biorrefinería.
Este protocolo de vídeo detallada demuestra una versión a escala de laboratorio del proceso Ionosolv para la deslignificación de biomasa lignocelulósica y la sacarificación enzimática eventual de la pasta de celulosa rica, así como la recuperación de una lignina libre de olores de alta pureza. 19
Protocol
Representative Results
Discussion
La técnica para el fraccionamiento de biomasa lignocelulósica que aquí se presenta produce una pasta de celulosa-rico y una lignina. La mayor parte de las hemicelulosas se disuelven en el líquido iónico y se hidroliza, pero no recuperados. Si se desean azúcares de la hemicelulosa, puede ser necesario una etapa de pre-extracción de hemicelulosa antes de la deslignificación Ionosolv. Ha sido hasta ahora imposible cerrar por completo el balance de masa para la biomasa, ya que no es posible identificar y cuantificar…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores reconocen el Instituto Grantham para el Cambio Climático y el Medio Ambiente, Climate-KIC y EPSRC (EP / K038648 / 1 y EP / K014676 / 1) para la financiación y Pierre Bouvier para proporcionar datos experimentales para pretratamientos de pino.
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
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