Ultrasnelle lignineextractie uit ongewone mediterrane lignocellulosische residuen
Summary
Diepe eutectische oplosmiddel-gebaseerde, microgolf-ondersteunde voorbehandeling is een groen, snel en efficiënt proces voor lignocellulosische fractionering en hoogzuiver lignine herstel.
Abstract
Voorbehandeling is nog steeds de duurste stap in lignocellulosische bioraffinageprocessen. Het moet kosteneffectief worden gemaakt door de chemische behoeften, het stroomverbruik en het warmteverbruik te minimaliseren en milieuvriendelijke oplosmiddelen te gebruiken. Diepe eutectische oplosmiddelen (DES’s) zijn belangrijke, groene en goedkope oplosmiddelen in duurzame bioraffinaderijen. Het zijn transparante mengsels die worden gekenmerkt door lage vriespunten als gevolg van ten minste één waterstofbindingsdonor en één waterstofobligatieacceptor. Hoewel DES’en veelbelovende oplosmiddelen zijn, is het noodzakelijk om ze te combineren met een economische verwarmingstechnologie, zoals microgolfstraling, voor concurrerende winstgevendheid. Microgolfbestraling is een veelbelovende strategie om de verwarmingstijd te verkorten en de fractionering te stimuleren, omdat deze snel de juiste temperatuur kan bereiken. Het doel van deze studie was om een snelle methode in één stap te ontwikkelen voor biomassafractie en lignine-extractie met behulp van een goedkoop en biologisch afbreekbaar oplosmiddel.
In deze studie werd een microgolfondersteunde DES-voorbehandeling uitgevoerd gedurende 60 s bij 800 W, met behulp van drie soorten DESs. De DES-mengsels werden gemakkelijk bereid uit cholinechloride (ChCl) en drie waterstofbindingsdonoren (HBD’s): een monocarboxylzuur (melkzuur), een dicarboxylzuur (oxaalzuur) en ureum. Deze voorbehandeling werd gebruikt voor biomassafractie en lignineterugwinning uit mariene residuen (Posidonia-bladeren en aegagropile), agrovoedingsbijproducten (amandelschillen en olijfafvallen), bosresten (dennenappels) en meerjarige lignocellulosische grassen(Stipa tenacissima). Verdere analyses werden uitgevoerd om de opbrengst, zuiverheid en moleculaire gewichtsverdeling van de teruggewonnen lignine te bepalen. Bovendien werd het effect van DESs op de chemische functionele groepen in de geëxtraheerde lignine bepaald door Fourier-transform infrarood (FTIR) spectroscopie. De resultaten geven aan dat het ChCl-oxaalzuurmengsel de hoogste ligninezuiverheid en de laagste opbrengst biedt. De huidige studie toont aan dat het DES-microgolfproces een ultrasnelle, efficiënte en kostenconcurrerende technologie is voor lignocellulosische biomassafractie.
Introduction
Duurzame bioraffinageprocessen integreren biomassaverwerking, de fractionering ervan in moleculen van belang en de omzetting ervan in producten met toegevoegde waarde1. Bij bioraffinage van de tweede generatie wordt voorbehandeling als essentieel beschouwd voor het fractioneren van biomassa in de belangrijkste componenten2. Traditionele voorbehandelingsmethoden met behulp van chemische, fysische of biologische strategieën zijn op grote schaal toegepast3. Een dergelijke voorbehandeling wordt echter beschouwd als de duurste stap in bioraffinage en heeft andere nadelen zoals lange verwerkingstijd, hoog warmte- en stroomverbruik en oplosmiddelonzuiverheden4. Onlangs zijn DESs, waarvan de eigenschappen vergelijkbaar zijn met die van ionische vloeistoffen3,ontstaan als groene oplosmiddelen als gevolg van voordelen zoals biologische afbreekbaarheid, milieuvriendelijkheid, synthesegemak en herstel na behandeling5.
DESs zijn mengsels van ten minste één HBD, zoals melkzuur, appelzuur of oxaalzuur, en een waterstofbindingsacceptor (HBA) zoals betaïne of cholinechloride (ChCl)6. HBA-HBD-interacties maken een katalytisch mechanisme mogelijk dat decolleté van chemische bindingen mogelijk maakt, waardoor biomassafractie en ligninescheiding worden veroorzaakt. Veel onderzoekers hebben de des-gebaseerde voorbehandeling van lignocellulosische grondstoffen zoals ChCl-glycerol op maïskolf en stover7,8,ChCl-ureum, en ChCl-oxaalzuur op tarwestro9,ChCl-melkzuur op Eucalyptus zaagsel10,en ChCl-azijnzuur11 en ChCl-ethyleenglycol op hout11gemeld. Om de DES-efficiëntie te verbeteren, moet de voorbehandeling worden gecombineerd met microgolfbehandeling om de biomassafractie te versnellen5. Veel onderzoekers hebben een dergelijke gecombineerde voorbehandeling (DES en magnetron) van hout8 en van maïsstover, switchgrass en Miscanthus5gerapporteerd, wat nieuw inzicht geeft in de capaciteit van DESs voor lignocellulosische fractionering en lignine-extractie in één eenvoudige stap over een korte periode.
Lignine is een fenol macromolecule dat als grondstof voor de productie van biopolymeren wordt gewaardeerd en een alternatief biedt voor de productie van chemische stoffen zoals aromatische monomeren en oligomeren12. Bovendien heeft lignine antioxiderende en ultraviolette absorptieactiviteiten13. Verschillende studies hebben ligninetoepassingen in cosmetische productengemeld 14,15. De integratie ervan in commerciële zonnebrandmiddelen heeft de zonbeschermingsfactor (SPF) van het product verbeterd van SPF 15 tot SPF 30 met de toevoeging van slechts 2 wt % lignine en tot SPF 50 met de toevoeging van 10 wt % lignine16. Dit artikel beschrijft een ultrasnelle aanpak voor lignine-koolhydraatsplitsing, bijgestaan door gecombineerde DES-microgolfvoorbehandeling van mediterrane biomassa. Deze biomassa bestaat uit agrovoedingsbijproducten, met name afvallen van olijven en amandelschillen. Andere onderzochte biomassa’s waren biomassa van mariene oorsprong (Posidonia-bladeren en aegagropile) en biomassa afkomstig uit een bos (dennenappels en wilde grassen). De focus van deze studie lag op het testen van goedkope groene oplosmiddelen om de effecten van deze gecombineerde voorbehandeling op de fractionering van grondstoffen te evalueren, om de invloed ervan op de zuiverheid en opbrengst van lignine te onderzoeken en om de effecten ervan op de moleculaire gewichten en chemische functionele groepen in de geëxtraheerde lignine te bestuderen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze studie had vele doelstellingen; de eerste was het bereiden en gebruiken van goedkope groene oplosmiddelen met de kenmerken van zowel ionische vloeistoffen als organische oplosmiddelen. Het tweede doel was om de biomassa te fractioneren en lignine in één stap te extraheren, zonder voorafgaande stappen zoals de extractie van extractables met behulp van Soxhlet of hemicellulose met behulp van alkalische oplosmiddelen, basis- of thermofysische technieken. Het derde doel was lignine terug te winnen door eenvoudige filt…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MK en TB bedanken Haitham Ayeb voor statistische analyses en cijfervoorbereiding, Waals Gewest (Europese Regionale Ontwikkeling-VERDIR) en Minister van Hoger Onderwijs en Wetenschappelijk Onderzoek (Taoufik Bettaieb) voor de financiering.
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).
