Ultrahurtig Lignin Ekstraktion fra usædvanlige Middelhavet Lignocellulosic Rester
Summary
Dyb eutektisk opløsningsmiddelbaseret, mikrobølgeassisteret forbehandling er en grøn, hurtig og effektiv proces til lignocellulosic fraktionering og høj renhed lignin opsving.
Abstract
Forbehandling er stadig det dyreste skridt i lignocellulosic biorefinery processer. Det skal gøres omkostningseffektivt ved at minimere kemiske krav samt el- og varmeforbrug og ved hjælp af miljøvenlige opløsningsmidler. Dybe eutektiske opløsningsmidler (DES’er) er vigtige, grønne og billige opløsningsmidler i bæredygtige bioraffinaderier. De er gennemsigtige blandinger karakteriseret ved lave frysepunkter som følge af mindst en hydrogenbindingsdonor og en hydrogenbindingstager. Selv om DES’er er lovende opløsningsmidler, er det nødvendigt at kombinere dem med en økonomisk opvarmningsteknologi, såsom mikrobølgebestråling, for at sikre konkurrencemæssig rentabilitet. Mikrobølgebestråling er en lovende strategi for at forkorte opvarmningstiden og øge fraktioneringen, fordi den hurtigt kan opnå den rette temperatur. Formålet med denne undersøgelse var at udvikle en ettrins, hurtig metode til biomassefraktionering og ligninudvinding ved hjælp af et billigt og bionedbrydeligt opløsningsmiddel.
I denne undersøgelse blev der udført en mikrobølgeassisteret DES-forbehandling for 60 s ved 800 W ved hjælp af tre slags DES’er. DES-blandingerne blev let fremstillet af cholinchlorid (ChCl) og tre hydrogenbindingsdonorer (HBD’er): en monocarboxylsyre (mælkesyre), en dicarboxylsyre (oxalsyre) og urinstof. Denne forbehandling blev anvendt til fraktionering af biomasse og genvinding af lignin fra marine rester (Posidonia blade og aegagropile), landbrugsfødevarer biprodukter (mandelskaller og olivenpresse), skovrester (pinecones) og flerårige lignocellulosic græs(Stipa tenacissima). Yderligere analyser blev udført for at bestemme udbyttet, renheden og molekylevægtfordelingen af den genvundne lignin. Desuden blev DES’ernes indvirkning på de kemiske funktionelle grupper i den ekstraherede lignin bestemt af Fourier-transform infrarød (FTIR) spektroskopi. Resultaterne viser, at blandingen af ChCl-oxalsyre giver den højeste ligninrenhed og det laveste udbytte. Denne undersøgelse viser, at DES-mikrobølgeprocessen er en ultrahurtig, effektiv og omkostningseffektiv teknologi til fraktionering af lignocellulosisk biomasse.
Introduction
Bæredygtige biorefineryprocesser integrerer biomasseforarbejdning, fraktionering i molekyler af interesse og deres omdannelse til merværdiprodukter1. Ved andengenerationsbiorefinering anses forbehandling for at være afgørende for at fraktionere biomasse i hovedkomponenterne2. Traditionelle forbehandlingsmetoder, der anvender kemiske, fysiske eller biologiske strategier, er blevet anvendt bredt3. En sådan forbehandling betragtes dog som det dyreste skridt i bioraffinering og har andre ulemper såsom lang behandlingstid, højt varme- og strømforbrug og opløsningsmiddel urenheder4. For nylig har DES’er, hvis egenskaber ligner egenskaberne af ioniske væsker3, vist sig som grønne opløsningsmidler på grund af fordele som bionedbrydelighed, miljøvenlighed, let syntese og genopretning efter behandling5.
DES’er er blandinger af mindst én HBD, såsom mælkesyre, æblesyre eller oxalsyre, og en hydrogenbindingstager (HBA), såsom betain eller cholinchlorid (ChCl)6. HBA-HBD-interaktioner muliggør en katalytisk mekanisme, der tillader kavalergang af kemiske bindinger, hvilket forårsager biomassefraktionering og ligninadskillelse. Mange forskere har rapporteret DES-baserede forbehandling af lignocellulosic råvarer såsom ChCl-glycerol på majs cob og stover7,8, ChCl-urea, chcl-oxalsyre på hvedestrå9, chcl-mælkesyre på Eucalyptus savsmuld10og chcl-eddikesyre11 og ChCl-ethylenglycol på træ11. For at forbedre DES-effektiviteten bør forbehandling kombineres med mikrobølgebehandling for at fremskynde biomassefraktionering5. Mange forskere har rapporteret en sådan kombineret forbehandling (DES og mikrobølgeovn) af træ8 og majs komfur, switchgrass, og Miscanthus 5 , som giver ny indsigt i kapaciteten af DESs for lignocellulosic fraktionering og ligninudvindingi et let skridt over en kort periode.
Lignin er et phenolisk makromolekyle, der valoriseres som råmateriale til produktion af biopolymerer og udgør et alternativ til fremstilling af kemikalier som aromatiske monomerer og oligomerer12. Derudover har lignin antioxidant og ultraviolet absorptionsaktiviteter13. Flere undersøgelser har rapporteret lignin applikationer i kosmetiske produkter14,15. Dens integration i kommercielle solbeskyttelsesprodukter har forbedret produktets solbeskyttelsesfaktor (SPF) fra SPF 15 til SPF 30 med tilsætning af kun 2 wt % lignin og op til SPF 50 med tilsætning af 10 wt % lignin16. Dette papir beskriver en ultrahurtig tilgang til lignin-kulhydrat kavalergang, bistået af kombineret DES-mikrobølgeforbehandling af middelhavet biomasse. Disse biomasseer består af landbrugsfødevarer, især olivenpresserester og mandelskaller. Andre biomasse, der blev undersøgt, var biomasse af marine oprindelse (Posidonia blade og aegagropile) og biomasse fra en skov (fyrrekoggere og vilde græsser). Fokus for denne undersøgelse var at teste billige grønne opløsningsmidler for at evaluere virkningerne af denne kombinerede forbehandling på råvarefraktionering, for at undersøge dens indflydelse på ligninrenhed og udbytte og for at studere dens virkninger på de molekylære vægte og kemiske funktionelle grupper i den ekstraherede lignin.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne undersøgelse havde mange mål; den første var at forberede og anvende billige grønne opløsningsmidler med karakter af både ioniske væsker og organiske opløsningsmidler. Det andet mål var at fraktionere biomassen og udvinde lignin i et enkelt trin uden at kræve indledende foranstaltninger såsom udvinding af ekstrakter, der anvender Soxhlet eller hemicellulose ved hjælp af alkaliske opløsningsmidler, grundlæggende eller termofysiske teknikker. Det tredje mål var at genvinde lignin ved simpel filtrering …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MK og TB takker Haitham Ayeb for statistiske analyser og figurforberedelse, Den Vallonske Region (European Regional Development-VERDIR) og minister for videregående uddannelse og videnskabelig 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) |
Referências
- 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).
