מיצוי ליגנין מהיר במיוחד משאריות ליגנוקלולוסיות ים תיכוניות יוצאות דופן
Summary
טיפול מקדים מבוסס אוטקטי עמוק בסיוע מיקרוגל הוא תהליך ירוק, מהיר ויעיל לשברים ליגנוקלוסיים והתאוששות ליגנין בטוהר גבוה.
Abstract
טיפול מקדים הוא עדיין הצעד היקר ביותר בתהליכי ביו-ריטריזנציה ליגנוקלוסיים. זה חייב להיעשות חסכוני על ידי מזעור דרישות כימיות, כמו גם צריכת חשמל וחום ועל ידי שימוש בממסים ידידותיים לסביבה. ממיסים אוטקטיים עמוקים (DESS) הם ממיסים מרכזיים, ירוקים וזולים בביו-ריינסרים בני קיימא. הם תערובות שקופות המאופיינות בנקודות הקפאה נמוכות הנובעות מתורם אג”ח מימן אחד לפחות ומקבל קשר מימן אחד. למרות DESs הם ממיסים מבטיחים, יש צורך לשלב אותם עם טכנולוגיית חימום כלכלית, כגון הקרנת מיקרוגל, לרווחיות תחרותית. הקרנת מיקרוגל היא אסטרטגיה מבטיחה לקצר את זמן החימום ולהגביר את השבר כי זה יכול להגיע במהירות לטמפרטורה המתאימה. מטרת המחקר הייתה לפתח שיטה חד-שלבית ומהירה לשבר ביומסה ומיצוי ליגנין באמצעות ממס זול ומתכלה.
במחקר זה, טיפול קדם DES בסיוע מיקרוגל נערך במשך 60 s ב 800 W, באמצעות שלושה סוגים של DESS. תערובות DES הוכנו באופן קל מ כולין כלוריד (ChCl) ושלושה תורמי אג”ח מימן (HBDs): חומצה מונוקרבוקסילית (חומצה לקטית), חומצה דיקרבוקסילית (חומצה אוקסלית) ואאוריאה. טיפול מקדים זה שימש לשבר ביומסה והתאוששות ליגנין משאריות ימיות (עלי פוסידוניה ואגאגרופילי), תוצרי לוואי של מזון אגרי (קליפות שקדים ופומאס זית), שאריות יער (אצטרובלים) ועשבים ליגנוקלוליים רב שנתיים(Stipa tenacissima). ניתוחים נוספים נערכו כדי לקבוע את התשואה, טוהר, התפלגות משקל מולקולרי של ליגנין התאושש. בנוסף, ההשפעה של DESS על הקבוצות הפונקציונליות הכימיות של ליגנין שחולץ נקבעה על ידי ספקטרוסקופיית אינפרא אדום (FTIR) של פורייה. התוצאות מצביעות על כך שתערובת החומצה ChCl-אוקסלית מעניקה את טוהר הליגנין הגבוה ביותר ואת התשואה הנמוכה ביותר. המחקר הנוכחי מראה כי תהליך DES-מיקרוגל הוא טכנולוגיה אולטרה מהיר, יעיל, ועלות תחרותי עבור שבר ביומסה lignocellulosic.
Introduction
תהליכי ביורפינריה בני קיימא משלבים עיבוד ביומסה, השבר למולקולות מעניינות והמרתם למוצרים בעלי ערך מוסף1. בדור השני של הביו-זיקוק, טיפול מקדים נחשב חיוני לשבר ביומסה למרכיביו העיקריים2. שיטות מסורתיות לטיפול מקדים תוך שימוש באסטרטגיות כימיות, פיזיות או ביולוגיות יושמו באופן נרחב3. עם זאת, טיפול מקדים כזה נחשב הצעד היקר ביותר ב biorefining ויש לו חסרונות אחרים כגון זמן עיבוד ארוך, חום גבוה וצריכת חשמל, וזיהומים ממס4. לאחרונה, DESS, אשר המאפיינים דומים לאלה של נוזלים יוניים3, הופיעו כמו ממיסים ירוקים בשל יתרונות כגון מתכלה, ידידותיות לסביבה, קלות סינתזה, והתאוששות לאחר טיפול5.
DESs הם תערובות של HBD אחד לפחות, כגון חומצה לקטית, חומצה מאלית, או חומצה אוקסלית, ומקבל קשר מימן (HBA) כגון בטאין או כולין כלוריד (ChCl)6. אינטראקציות HBA-HBD מאפשרות מנגנון קטליטי המאפשר מחשוף של קשרים כימיים, דבר הגורם לשבר ביומסה והפרדת ליגנין. חוקרים רבים דיווחו על טיפול מראש מבוסס DES של feedstocks ליגנוקלוסי כגון ChCl-גליצרול על קלח תירס stover7,8, ChCl-אוריאה, וחומצה ChCl-אוקסלית על קש חיטה9, חומצה ChCl-לקטית על נסורת אקליפטוס 10, וחומצה ChCl-אצטית11 ו ChCl-אתילן גליקול עלעץ 11. כדי לשפר את יעילות DES, יש לשלב את הטיפול המקדים עם טיפול במיקרוגל כדי להאיץ את שבר ביומסה5. חוקרים רבים דיווחו על טיפול מקדים משולב כזה (DES ומיקרוגל) שלעץ 8 ושל stover תירס, switchgrass, ו Miscanthus 5 , אשר מספקתובנהחדשה לתוך היכולת של DESS עבור שבר ליגנוקלוסי מיצוי ליגנין בצעד קל אחד על פני תקופה קצרה.
ליגנין הוא מקרומולקולה פנולית המוערכת כחומר גלם לייצור ביופולימרים ומציגה חלופה לייצור כימיקלים כגון מונומרים ארומטיים ואוליגומרים12. בנוסף, ליגנין יש נוגד חמצון ופעילויות ספיגה אולטרה סגול13. מספר מחקרים דיווחו על יישומי ליגנין במוצרי קוסמטיקה14,15. שילובה במוצרי קרם הגנה מסחריים שיפר את גורם ההגנה מפני השמש (SPF) של המוצר מ- SPF 15 ל- SPF 30 עם תוספת של 2 wt % ליגנין בלבד ועד SPF 50 בתוספת של 10 wt % ליגנין16. מאמר זה מתאר גישה אולטרה-מהיר עבור מחשוף ליגנין-פחמימות, בסיוע משולב DES-מיקרוגל pretreatment של ביומסות ים תיכוניות. ביומסות אלה מורכבות מתוצרי לוואי של מזון אגרי, במיוחד פומס זית וקליפות שקדים. ביומסות אחרות שנחקרו היו אלה ממוצא ימי (עלי פוסידוניה ו aegagropile) ואלה שמקורם ביער (אצטרובלים ועשבי בר). המוקד של מחקר זה היה לבדוק ממיסים ירוקים בעלות נמוכה כדי להעריך את ההשפעות של טיפול משולב זה על שבר feedstock, כדי לחקור את השפעתה על טוהר ליגנין ותשואה, וללמוד את השפעותיו על משקולות מולקולריות וקבוצות תפקודיות כימיות ב lignin שחולצו.
Protocol
Representative Results
Discussion
למחקר זה היו מטרות רבות; הראשון שבהם היה להכין ולהשתמש ממיסים ירוקים בעלות נמוכה עם המאפיינים של נוזלים יוניים וממסים אורגניים. המטרה השנייה הייתה לשבר את הביומסה ולחלץ ליגנין בצעד אחד, ללא צורך בצעדים ראשוניים כגון מיצוי של כלי חילוץ באמצעות Soxhlet או hemicellulose באמצעות ממיסים אלקליין, בסיסי, ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ח”כ ושחפת מודים להית’ם אייב על ניתוחים סטטיסטיים והכנת דמות, אזור וואלון (פיתוח אזורי אירופי-VERDIR) ושר ההשכלה הגבוהה והמחקר המדעי (טאופיק בטייב) על המימון.
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).
