Ultrarask Lignin-ekstraksjon fra uvanlige lignocellulosiske rester i Middelhavet
Summary
Dyp eutektisk løsningsmiddelbasert, mikrobølgeassistert forbehandling er en grønn, rask og effektiv prosess for lignocellulosisk fraksjonering og høy renhet lignin utvinning.
Abstract
Forbehandling er fortsatt det dyreste trinnet i lignocellulosiske biorefinery prosesser. Det må gjøres kostnadseffektivt ved å minimere kjemiske krav samt kraft- og varmeforbruk og ved å bruke miljøvennlige løsningsmidler. Dype eutektiske løsemidler (DESs) er viktige, grønne og rimelige løsningsmidler i bærekraftige biorefineries. De er gjennomsiktige blandinger preget av lave frysepunkter som følge av minst en hydrogenbindingsdonor og en hydrogenbindings akseptor. Selv om DESs er lovende løsningsmidler, er det nødvendig å kombinere dem med en økonomisk oppvarmingsteknologi, for eksempel mikrobølgebestråling, for konkurransedyktig lønnsomhet. Mikrobølgebestråling er en lovende strategi for å forkorte oppvarmingstiden og øke fraksjoneringen fordi den raskt kan oppnå riktig temperatur. Målet med denne studien var å utvikle en ett-trinns, rask metode for biomassefraksjonering og ligninutvinning ved hjelp av et rimelig og biologisk nedbrytbart løsningsmiddel.
I denne studien ble det utført en mikrobølgeassistert DES-forbehandling i 60 s ved 800 W, ved hjelp av tre typer DES. DES-blandingene ble facilely tilberedt fra kolinklorid (ChCl) og tre hydrogenbindingsdonorer (HBDs): en monokarboksylsyre (melkesyre), en dikarboksylsyre (oksalsyre) og urea. Denne forbehandlingen ble brukt til biomassefraksjonering og ligningjenvinning fra marine rester (Posidoniablader og aegagropile), agri-food biprodukter (mandelskjell og olivenpomace), skogrester (pinecones) og flerårige lignocellulosiske gress (Stipa tenacissima). Videre analyser ble utført for å bestemme avkastning, renhet og molekylvektfordeling av gjenvunnet lignin. I tillegg ble effekten av DESs på de kjemiske funksjonelle gruppene i den ekstraherte lignin bestemt av Fourier-transform infrarød (FTIR) spektroskopi. Resultatene indikerer at ChCl-oksalsyreblandingen gir den høyeste lignin renhet og det laveste utbyttet. Den nåværende studien viser at DES-mikrobølgeprosessen er en ultrarask, effektiv og kostnadseffektiv teknologi for lignocellulosisk biomassefraksjonering.
Introduction
Bærekraftige biorefinery prosesser integrere biomasse prosessering, dens fraksjonering i molekyler av interesse, og deres konvertering til verdiskapende produkter1. I andre generasjons biorefinering anses forbehandling som avgjørende for fraksjonering av biomasse i hovedkomponentene2. Tradisjonelle forbehandlingsmetoder som bruker kjemiske, fysiske eller biologiske strategier har blitt mye brukt3. Imidlertid anses slik forbehandling som det dyreste trinnet i bioraffinering og har andre ulemper som lang behandlingstid, høyt varme- og strømforbruk og løsningsmiddel urenheter4. Nylig har DESs, hvis egenskaper ligner på de av ioniske væsker3, dukket opp som grønne løsningsmidler på grunn av fordeler som biologisk nedbrytbarhet, miljøvennlighet, enkel syntese og gjenoppretting etter behandling5.
DES er blandinger av minst én HBD, for eksempel melkesyre, malinsyre eller oksalsyre, og en hydrogenbindings-akseptor (HBA) som betain eller kolinklorid (ChCl)6. HBA-HBD interaksjoner muliggjør en katalytisk mekanisme som tillater spalting av kjemiske bindinger, forårsaker biomassefraksjonering og lignin separasjon. Mange forskere har rapportert DES-basert forbehandling av lignocellulosiske råstoffer som ChCl-glyserol på maiskolbe og komfyr7,8, ChCl-urea, og ChCl-oksalsyre på hvetestrå9, ChCl-melkesyre på Eukalyptus sagflis10, og ChCl-eddiksyre11 og ChCl-etylenglykol på tre11. For å forbedre DES-effektiviteten, bør forbehandlingen kombineres med mikrobølgebehandling for å akselerere biomassefraksjonering5. Mange forskere har rapportert en slik kombinert forbehandling (DES og mikrobølgeovn) av tre8 og av mais komfyr, switchgrass og Miscanthus5, som gir ny innsikt i kapasiteten til DES for lignocellulosic fraksjonering og lignin utvinning i ett enkelt trinn over en kort periode.
Lignin er en fenolisk makromolekyler valorisert som råmateriale for produksjon av biopolymerer og presenterer et alternativ for produksjon av kjemikalier som aromatiske monomerer og oligomerer12. I tillegg har lignin antioksidant og ultrafiolett absorpsjonsaktiviteter13. Flere studier har rapportert lignin søknader i kosmetiske produkter14,15. Integrasjonen i kommersielle solkremprodukter har forbedret solbeskyttelsesfaktoren (SPF) til produktet fra SPF 15 til SPF 30 med tillegg av bare 2 wt % lignin og opptil SPF 50 med tillegg av 10 wt % lignin16. Dette papiret beskriver en ultrarask tilnærming for lignin-karbohydrat spalting, assistert av kombinert DES-mikrobølge forbehandling av Middelhavet biomasser. Disse biomassene består av agri-food biprodukter, spesielt olivenpom og mandelskjell. Andre biomasser som ble undersøkt var de av marin opprinnelse (Posidonia blader og aegagropile) og de som stammer fra en skog (pinecones og ville gress). Fokuset i denne studien var å teste billige grønne løsningsmidler for å evaluere effekten av denne kombinerte forbehandlingen på råstofffraksjonering, for å undersøke dens innflytelse på lignin renhet og utbytte, og å studere dens effekter på molekylvekter og kjemiske funksjonelle grupper i den ekstraherte lignin.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne studien hadde mange mål; Den første var å forberede og bruke billige grønne løsningsmidler med egenskapene til både ioniske væsker og organiske løsningsmidler. Det andre målet var å fraksjonere biomassen og trekke ut lignin i et enkelt trinn, uten å kreve foreløpige trinn som utvinning av ekstraherbare stoffer ved hjelp av Soxhlet eller hemicellulose ved hjelp av alkaliske løsningsmidler, grunnleggende eller termofysiske teknikker. Det tredje målet var å gjenopprette lignin ved enkel filtrering etter…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MK og TB takker Haitham Ayeb for statistiske analyser og figurforberedelser, Walloon Region (European Regional Development-VERDIR) og minister for høyere utdanning og vitenskapelig forskning (Taoufik Bettaieb) for finansiering.
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
- Kammoun, M., et al. Hydrothermal dehydration of monosaccharides promoted by seawater fundamentals on the catalytic role of inorganic salts. Frontiers in Chemistry. 7, 132 (2019).
- Kammoun, M., Ayeb, H., Bettaieb, T., Richel, A. Chemical characterisation and technical assessment of agri-food residues, marine matrices, and wild grasses in the South Mediterranean area: A considerable inflow for biorefineries. Waste Management. 118, 247-257 (2020).
- Zhang, C. W., Xia, S. Q., Ma, P. Facile pretreatment of lignocellulosic biomass using deep eutectic solvents. Bioresource Technology. 219, 1-5 (2016).
- Mora-Pale, M., Meli, L., Doherty, T. V., Linhardt, R. J., Dordick, J. S. Room temperature ionic liquids as emerging solvents for the pretreatment of lignocellulosic biomass. Biotechnology and Bioengineering. 108 (6), 1229-1245 (2011).
- Chen, Z., Wan, C. Ultrafast fractionation of lignocellulosic biomass by microwave-assisted deep eutectic solvent pretreatment. Bioresource Technologie. 250, 532-537 (2018).
- Francisco, M., Van Den Bruinhorst, A., Kroon, M. C. New natural and renewable low transition temperature mixtures ( LTTMs ): screening as solvents for lignocellulosic biomass processing. Green Chemistry. 14 (8), 2153-2157 (2012).
- Liu, Y. C., et al. Efficient cleavage of lignin – carbohydrate complexes and ultrafast extraction of lignin oligomers from wood biomass by microwave-assisted treatment with deep eutectic solvent. Chem sus chem. 10, 1692-1700 (2017).
- Xu, G. C., Ding, J. C., Han, R. Z., Dong, J. J., Ni, Y. Enhancing cellulose accessibility of corn stover by deep eutectic solvent pretreatment for butanol fermentation. Bioresource Technologie. 203, 364-369 (2016).
- Jablonský, M., Andrea, &. #. 3. 5. 2. ;., Kamenská, L., Vrška, M., Šima, J. Deep eutectic solvents fractionation of wheat straw deep eutectic solvents fractionation of wheat straw. Bioresources. 10 (4), 8039-8047 (2015).
- Shen, X. J., et al. Facile fractionation of lignocelluloses by biomass-derived deep eutectic solvent (DES) pretreatment for cellulose enzymatic hydrolysis and lignin valorization. Green Chemistry. 21, 275-283 (2019).
- Alvarez-Vasco, C., et al. Unique low-molecular-weight lignin with high purity extracted from wood by deep eutectic solvents (DES): a source of lignin for valorization. Green Chemistry. 18, 5133-5141 (2016).
- Banu, J. R., et al. A review on biopolymer production via lignin valorization. Bioresource Technologie. 290, 121790 (2019).
- Gordobil, O., Olaizola, P., Banales, J. M., Labidi, J. Lignins from agroindustrial by-products as natural ingredients for cosmetics chemical structure and in vitro sunscreen and cytotoxic activities. Molecules. 25 (5), 1131 (2020).
- Lee, C. S., Thu Tran, T. M., Weon Choi, J., Won, K. Lignin for white natural sunscreens. International Journal of Biological Macromolecules. 122, 549-554 (2019).
- Widsten, P. Lignin-based sunscreens-state-of-the-art, prospects and challenges. Cosmetics. 7, 85 (2020).
- Qian, Y., Qiu, X., Zhu, S. Lignin: a nature-inspired sun blocker for broad-spectrum sunscreens. Royal Society of Chemistry. 17, 320-324 (2015).
- Zijlstra, D. S., et al. Extraction of lignin with high β-O-4 content by mild ethanol extraction and its effect on the depolymerization yield. Journal of Visualized Experiments. (143), e58575 (2019).
