Ultrasnabb Lignin extraktion från ovanliga Medelhavet Lignocellulosic Rester
Summary
Djup eutectic lösningsmedel-baserade, mikrovågsassisterad förbehandling är en grön, snabb och effektiv process för lignocellulosic fraktionering och hög renhet lignin återhämtning.
Abstract
Förbehandling är fortfarande det dyraste steget i lignocellulosa bioraffinaderiprocesser. Det måste göras kostnadseffektivt genom att minimera kemiska krav samt kraft- och värmeförbrukning och genom att använda miljövänliga lösningsmedel. Djupa eutectic lösningsmedel (DES) är viktiga, gröna och billiga lösningsmedel i hållbara bioraffinaderier. De är transparenta blandningar som kännetecknas av låga fryspunkter till följd av minst en vätebindningsdonator och en vätebindnings acceptor. Även om DES är lovande lösningsmedel är det nödvändigt att kombinera dem med en ekonomisk uppvärmningsteknik, såsom mikrovågsbestrålning, för konkurrenskraftig lönsamhet. Mikrovågsstrålning är en lovande strategi för att förkorta uppvärmningstiden och öka fraktionering eftersom den snabbt kan uppnå lämplig temperatur. Syftet med denna studie var att utveckla en snabb metod i ett steg för fraktionering av biomassa och ligninutvinning med hjälp av ett lågkostnads- och biologiskt nedbrytbart lösningsmedel.
I denna studie genomfördes en mikrovågsassisterad DES-förbehandling för 60-tal vid 800 W, med hjälp av tre typer av DES. DES-blandningarna framställdes lätt av kolinklorid (ChCl) och tre vätebindningsdonatorer (HBD): en monokarboxylsyra (mjölksyra), en dikarboxylsyra (oxalsyra) och urea. Denna förbehandling användes för fraktionering av biomassa och ligninåtervinning från marina rester (Posidoniablad och aegagropile), biprodukter från jordbruksbaserade livsmedel (mandelskal och olivrestrester), skogsrester (tallkojor) och fleråriga lignocellulosagräs (Stipa tenacissima). Ytterligare analyser genomfördes för att bestämma utbyte, renhet och molekylvikt fördelning av den återställda lignin. Dessutom fastställdes effekten av DES på de kemiska funktionella grupperna i det extraherade lignin av Fourier-transform infraröd (FTIR) spektroskopi. Resultaten visar att chcl-oxalsyrablandningen ger den högsta ligninrenhet och lägsta utbyte. Den aktuella studien visar att DES-mikrovågsprocessen är en ultrasnabb, effektiv och kostnadseffektiv teknik för lignocellulosamassafraktion.
Introduction
Hållbara bioraffinaderiprocesser integrerar bearbetning av biomassa, fraktionering i molekyler av intresse och omvandling till mervärdesprodukter1. Vid andra generationens biorefiniering anses förbehandling vara nödvändig för att fraktionera biomassa i huvudkomponenterna2. Traditionella förbehandlingsmetoder som använder kemiska, fysiska eller biologiska strategier har tillämpats i stor utsträckning3. Sådan förbehandling anses dock vara det dyraste steget i biorefiniering och har andra nackdelar som lång bearbetningstid, hög värme- och strömförbrukning och lösningsmedelsförstöring4. Nyligen har DESS, vars egenskaper liknar de av joniskavätskor 3, dykt upp som gröna lösningsmedel på grund av fördelar som biologisk nedbrytbarhet, miljövänlighet, enkel syntes och återhämtning efter behandling5.
DES är blandningar av minst en HBD, såsom mjölksyra, äppelsyra eller oxalsyra, och en vätebindningsabluder (HBA) såsom betagin eller kolinklorid (ChCl)6. HBA-HBD-interaktioner möjliggör en katalytisk mekanism som tillåter klyvning av kemiska bindningar, vilket orsakar biomassafraktion och ligninseparation. Många forskare har rapporterat des-baserade förbehandling av lignocellulosic råvaror såsom ChCl-glycerol på majs cob och spis7,8, ChCl-urea, och ChCl-oxalsyra på vete halm9,ChCl-mjölksyra på Eucalyptus sågspån10, och ChCl-ättiksyra11 och ChCl-etylenglykol på trä11. För att förbättra DES-effektiviteten bör förbehandlingen kombineras med mikrovågsbehandling för att påskynda biomassafraktion5. Många forskare har rapporterat en sådan kombinerad förbehandling (DES och mikrovågsugn) av trä8 och majsspis, switchgrass och Miscanthus5, vilket ger ny inblick i des kapacitet för lignocellulosic fraktionering och lignin extraktion i ett enkelt steg under en kort period.
Lignin är en fenolisk makromolekyl som valoriseras som råvara för produktion av biopolymerer och utgör ett alternativ för produktion av kemikalier som aromatiska monomerer och oligomerer12. Dessutom har lignin antioxidant och ultraviolett absorptionsaktiviteter13. Flera studier har rapporterat ligninapplikationer i kosmetiskaprodukter 14,15. Dess integrering i kommersiella solskyddsmedel har förbättrat solskyddsfaktorn (SPF) för produkten från SPF 15 till SPF 30 med tillsats av endast 2 wt % lignin och upp till SPF 50 med tillsats av 10 wt % lignin16. Detta dokument beskriver en ultrasnabb strategi för lignin-kolhydrat klyvning, assisterad av kombinerade DES-mikrovågsförbehandling av Medelhavet biomassa. Dessa biomassa består av biprodukter från jordbruksbaserade livsmedel, särskilt olivolja och mandelskal. Andra biomassa som undersöktes var sådana av marint ursprung (Posidoniablad och aegagropile) och sådana som härrörde från en skog (tallkottar och vilda gräs). Fokus för denna studie var att testa billiga gröna lösningsmedel för att utvärdera effekterna av denna kombinerade förbehandling på råmaterialfraktion, för att undersöka dess inverkan på lignin renhet och utbyte, och att studera dess effekter på molekylvikter och kemiska funktionella grupper i extraherade lignin.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna studie hade många mål; Den första var att förbereda och använda billiga gröna lösningsmedel med egenskaperna hos både jonvätskor och organiska lösningsmedel. Det andra målet var att fraktionera biomassan och extraktet lignin i ett enda steg, utan att kräva preliminära steg såsom extraktion av extrakterbara ämnen med Soxhlet eller hemicellulosa med hjälp av alkaliska lösningsmedel, grundläggande eller termofysiska tekniker. Det tredje syftet var att återvinna lignin genom enkel filtrering efter be…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MK och TB tackar Haitham Ayeb för statistiska analyser och konstberedningar, Vallonska regionen (European Regional Development-VERDIR) och Minister of Higher Education and Scientific Research (Taoufik Bettaieb) för 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).
