Vi præsenterer her, en protokol for at udføre ethanol udvinding af lignin fra flere kilder, biomasse. Effekten af udvinding betingelser på lignin udbytte og β-O-4 indhold præsenteres. Selektiv depolymerization udføres på de opnåede Arabinose at opnå høj aromatiske monomer produkter.
Lignin revalorisering strategier er en afgørende faktor for at opnå mere økonomisk konkurrencedygtige bioraffinaderier baseret på lignocellulose biomasse. De fleste af de nye elegante procedurer at opnå specifikke aromatiske produkter er afhængige af lignin underlaget har et højt indhold af let cleavable β-O-4 liften som findes i den oprindelige lignin struktur. Dette giver en miss-match med typiske tekniske Arabinose, der er stærkt forringet og derfor er lav i β-O-4 forbindelser. Udvinding udbyttet og kvaliteten af den fremstillede lignin er derfor af største vigtighed at få adgang til nye lignin revalorisering veje. I dette manuskript præsenteres en enkel protokol for at opnå Arabinose med højt indhold af β-O-4 ved relativt mild ethanol ekstraktion, der kan anvendes til forskellige lignocellulose kilder. Derudover præsenteres analyse procedurer til at bestemme kvaliteten af Arabinose sammen med en depolymerization protokol, der giver specifikke phenol 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes, som kan bruges til at evaluere de opnåede Arabinose. Præsenteres resultaterne viser sammenhængen mellem lignin kvalitet og potentiale for Arabinose at være depolymeriseret til specifikke monomere aromatiske kemikalier. Samlet set viser udvinding og depolymerization en trade-off mellem lignin udvinding udbytte og opbevaring af indfødte aryl-ether struktur og dermed lignin potentiale til at blive brugt som substrat til produktion af kemikalier til højere værdi applikationer.
For den kemiske industri at blive bæredygtige, bør vedvarende energiafgrøder såsom lignocellulose biomasse anvendes som et alternativ til nuværende dominerende fossile dem1. For at gøre brug af sådanne energiafgrøder økonomisk levedygtig, bør høj værdi programmer søges for alle dens indhold. Lignocellulose biomasse kan indeholde ca. 30 wt % af lignin, der er en aromatisk polymer, som i øjeblikket kun et par programmer har været udviklet ud over dets anvendelse som brændsel af lav værdi2. Metode mod potentielt øgede værdi aromatiske komponenter er derfor af stor interesse at sikre succes for fremtidige bioraffinaderier.
Nyere forskning har fokuseret kraftigt på udviklingen af nye metoder til selektiv kløvningen af den mest rigelige β-O-4 kobling (figur 1a) i lignin at opnå særlige aromatiske, typisk phenolforbindelser, monomerer3,4 ,5,6. Eksempelvis anvendelsen af syrer mellem 80 ° C til 180 ° C er meget effektiv til at holde β-O-4 koblingen danner aldehyd og keton fragmenter7,8. Vores grupper og andre har for nylig vist, at acidolysis kombineret med metoder til at stabilisere og fælde reaktive fragmenter er yderst potent at opnå phenol monomerer med specifikke kemiske motiver9,10 , 11 , 12. disse, navnlig acetal diffusering af reaktive aldehyder med alkoholer at opnå phenol 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes (acetaler) viste kraftfuldt på grund af dets relative simple anvendelse og opbevaring af stærkt functionalized karakter lignin monomerer (figur 1b)13,14. Disse acetaler er fremstillet af depolymerization i et forhold, der vedrører distribution af H, G og S monomerer er til stede i den overordnede lignin råvare.
Syre katalyseret depolymerization, ligesom mange af de mest elegante metoder udviklet, er relativt mild og ikke spaltes stærkere C-C obligationer, der forekommer i lignin15. Men C-C obligationer blive især rigelige når barske lignocellulose fraktionering betingelser anvendes som følge af kondensation af reaktive fragmenter frigivet fra kløvningen af svagere C-O obligationer16,17. Tabet af β-O-4 indhold fra biomasse forarbejdningsmetode fremgår klart af en analyse af en række tekniske Arabinose, der var vist kun bevare op til 6 β-O-4 forbindelser pr. 100 aromatiske enheder18, mens der i lignocellulose disse tal spænder fra 45 til 90 forbindelser pr. 100 aromatiske enheder afhængigt af kilden16. Hvad angår mildere udvinding betingelser, kan Arabinose fås med kobling distributioner, der bedre afspejler den naturlige lignin. Dette kræver imidlertid en trade-off mellem udvinding effektiviteten og kvaliteten af de opnåede lignin materielle17. Dette har også forrang i organosolv udvinding af lignin, som er en populær metode til at fractionate lignin. Mange variationer af denne proces findes, med de metoder, der anvender forskellige temperaturer, syre indhold, udvinding gange og opløsningsmidler. Her har udvinding sværhedsgraden en direkte indvirkning på den opnåede lignin struktur og dermed dens egnethed til yderligere revalorisering19,20,21. For eksempel, havde organosolv lignin produceret af ethanol baseret Alcell proces, drives i 5 år på demonstration skala, relativt lavt beløb af β-O-4 forbindelser, da det blev drevet ved relativt høj temperatur til at sikre effektive delignification i for at opnå høj kvalitet kulhydrater til bioethanolproduktion af. Ikke desto mindre biobaserede opløsningsmidler med lille miljøpåvirkning som ethanol foretrækkes og dermed de udvindingsmetoder, der resulterer i Arabinose af højere værdi er af interesse. Alkoholiske opløsningsmidler er af særlig interesse som i tillæg til at være udvinding medium de også indarbejde lignin struktur, for eksempel, β’ – O – 4 (figur 1a)22, der dels “beskytter” struktur fra uønskede kavalergang. En egnet metode ville potentielt være først at få lignin med et højt indhold af β-O-4 og i et fortløbende skridt til at fjerne resten af lignin adgang til høj værdi cellulose.
I dette manuskript beskriver vi en ligetil og meget reproducerbar metode til udvinding af høj β-O-4 lignin ved mild ethanol ekstraktion. Afhængigt af biomasse kilden, kan dette føre til relativt høje ekstraktionseffektivitet og udbytte. Procedurer for karakterisering af den opnåede lignin leveres samt hvordan man “deprotect” den etherificeret β’ – O – 420. Derudover præsenteres en evalueringsprocedure for potentielle af disse Arabinose i selektiv depolymerization procedurer, der er baseret på selektiv kløvningen af β-O-4 forbindelser. Denne vurdering udføres ved hjælp af iron(III) triflate katalyserede depolymerization i nærværelse af ethylenglycol for at opnå phenol 2-arylmethyl-1,3-dioxolanes23 , hvilket viser forbindelsen mellem β-O-4 indhold i lignin materiale og monomeren udbytter21. Resultaterne viser balancen mellem høj lignin ekstraktionseffektivitet og den opnåede lignin potentiale til at være depolymerized til specifikke aromatiske monomerer.
Resultater fra ekstraktioner på forskellige forhold og anden biomasse kilder afsløre, hvordan de optimale betingelser for lignin ekstraktion med et relativt højt indhold af β-O-4 forbindelser kan variere afhængigt af kilden. Eksempelvis valnød udvinding på barskere forhold (metode B) giver en tredobbelt stigning i udbytte med en i nærheden af tilbageholdelse af mængden af β-O-4 enheder, mens bøg og cedar udbyttet øges men er ledsaget af en betydelig nedgang i mængden af β-O-4 enheder. På den anden side for pine, de barskere udvinding betingelser give meget lidt gavn i udbytte og også føre til en lignin med et meget lavt beløb af β-O-4 enheder. Dette betyder, at typisk en form for optimering har inddrages får den korrekte balance mellem lignin udbytte og kvalitet i form af fastholdelse af mængden af β-O-4 enheder i opnåede lignin materiale.
Den store stigning i Mw lignin materiale fremstillet af barskere udvinding betingelser viser, at disse betingelser større fragmenter kan være udvundet giver højere udbytter. Men på disse betingelser, yderligere fragmentering sker, giver yderligere lavere molekylvægt materiale og dermed øge polydispersity som kan tydeligt ses i GPC grafer af valnød (figur 5a) og cedertræ (fig. 5 d) i form af signal på ~ 500 Da.
HSQC NMR er et vigtigt informative tool til at tilbyde sammenlignelige data om kvaliteten af forskellige Arabinose. Det skal bemærkes, at i denne procedure en standard HSQC eksperiment udføres, dette er fantastisk til at opnå sammenlignelige data men er ikke nødvendigvis kvantitative på grund af forskelle i afslapning gange. Det høje antal forbindelser vises for nogle Arabinose i tabel 1 er overvurderet. Kvantitative HSQC eksperimenter giver bedre resultater, men koster væsentligt mere NMR tid, selv om der findes alternativer29. Vores erfaring, skal tallene i tabel 1 divideres med en faktor af en 1,3 til bedre afspejler det faktiske beløb af β-O-4 enheder pr. 100 aromatiske enheder.
Som tidligere nævnt, de rapporterede resultater påpege, hvordan at finde optimale betingelser kan variere afhængigt af kilden for at opnå de maksimale monomer udbytter. For eksempel, når valnød bruges som råvaren, udbytte de samlede acetaler stigninger omkring to gange hvis barskere forhold (metode B) er ansat i lignin udvinding. Men dette er hovedsagelig på grund af den store forskel i lignin udvinding udbyttet, uden at det påvirker β-O-4 indhold. Anderledes, når pine bruges er mildere udvinding betingelser (metode A) at foretrække. Faktisk forårsage lignin udvinding resultater i meget lignende udbytterne i de to sager, men hårdere betingelser et fald i β-O-4 enheder (især ikke-etherificeret β-O-4 forbindelser), som kan være årsag til sådan en lav monomer udbytte, som anført i det foregående afsnit. Et betydeligt tab af ikke-etherificeret β-O-4 forbindelser kan observeres samt i tilfælde af bøg og cedar hvis betingelserne (metode B) anvendes til udvinding, som eventuelt fører til en lavere monomerer udbytte. Den samlede acetal udbytte varierer dog ikke så meget afhængig af udvinding. Faktisk er en omtrentlig to-fold stigning i lignin udvinding udbytte observeret for begge biomasse kilder skifte fra metoder A til B, som kompenserer for det groft sagt to-fold fald i monomer udbytte.
The authors have nothing to disclose.
Arbejdet blev finansieret af den Europæiske Union (Marie Curie ITN ‘SuBiCat’ PITN-GA-2013-607044, PJD, KB og JGdV), ud over økonomisk støtte fra det europæiske forskningsråd, ERC starter Grant 2015 (CatASus) 638076 (annoncer og KB) og forskningsprogrammet Talent Ordningen (Vidi) med projektnummer 723.015.005 (KB), som er delvis finansieret af den nederlandske Organisation for videnskabelig forskning (NWO).
Materials | |||
Iron (III) triflate | Sigma Aldrich | 708801-1G | purity: 90% |
Octadecane | Sigma Aldrich | 0652-100G | purity: 99% |
Celite | Alfa Aesar | H33152.0B | |
Silica Gel | SiliCycle | R12030B-1KG | P60 40-63 μm |
Dichloromethane | Macron Fine Chemicals | 6779-25 | |
Walnut shells | |||
Pine wood | |||
Cedar wood | |||
Beech wood | |||
Ethanol | JT Baker Chemicals | 00832000001 | Ethanol absolute |
Isopropanol | Acros Organics | 149320025 | 99.5+% extra pure |
Acetone | Macron Fine Chemicals | 2440-06 | |
Tetrahydrofuran | Boom B.V. | 164240025 | stabilized with BHT |
Toluene | Macron Fine Chemicals | 8608-02 | |
Water | Demi water from the internal supply | ||
1,4-Dioxane | Acros Organics | 408820010 | 99+% extra pure |
Hydrochloric acid | Acros Organics | 124620026 | 37% solution in water |
Sulfuric acid | Boom B.V. | 760519081000 | 95-97% |
Acetone-d6 | Acros Organics | 325320500 | 99.8 atom% D |
Deuterium oxide | Sigma Aldrich | 151882-100G | 99.9 atom% D |
Filters | Munktell | 400303185 | 185 mm diameter, 10 μm pore size |
Magnetic stirring bars | VWR | 442-4525 | |
Syringe filter | Sartorius | 17559-Q | 0.45 μm filter |
Autosampler vial (2 mL) | Brown | 151123 | |
Reduced volume inlet (0.3 mL) | Brown | 150820 | |
Autosampler caps (11 mm) | Brown | 151216 | |
Autosampler vial crimper | |||
Oil bath | |||
Syringes (1 mL) | Henke Sass Wolf | 4010-200V0 | |
Heating block-4 positions | IKA | ||
Micro tubes 2 ml | Sarstedt | 72691 | |
Crimp seals-20 mm | Brown Chromatography Supplies | 151287 | with Silicone/PTFE septa |
Equipment | |||
Rotary Ball Mill | Fritsch | 06.2000.00 | Laboratory Planetary Mono Mill PULVERISETTE 6 |
Hammer mill | Brabender | ||
Micro Hammer mill | Brabender | ||
Vacuum oven | Heraeus | Heraeus Vacutherm | |
Reflux setup and other glassware | CBN Suppliers B.V. | Reflux condensor, Roundbottom flask, Beaker glass and funnels | |
Rotary evaporator | IKA | ||
250 mL high pressure autoclave | Berghof | ||
1 L high pressure autoclave | Medimex | ||
Ultrasonic bath | Emerson | type Branson 3210 | |
NMR instrument | Bruker | Ascend 600 | |
THF-GPC | Hewlett Packard | 1100 series | |
Magnetic stirring plate | SalmenKipp | SK861492220263 | type x-1250 |
Coffee grinder | Profi Cook | PC-KSW1021 | |
Drilling machine | Solid | type TB 13 S | |
GC-FID | Shimadzu | ||
BUCHI Reveleris PREP purification system | Buchi | ||
BUCHI C18 column | Buchi | 150 mm × 21.2 mm × 10 μm | |
20 ml microwave vials | ??? | ||
Univapo 150 ECH rotational vacuum concentrator | UniEquip | ||
Eppendorf minispin tabletop centrifuge | Eppendorf | ||
SB2 rotator | Stuart | ||
Vortex | Wilten | ||
Processing Software | |||
WinGPC Unichrom | |||
MestReNova |