Olağandışı Akdeniz Lignoselülozik Kalıntılarından Ultra Hızlı Lignin Ekstraksiyonu
Summary
Derin ötektik solvent bazlı, mikrodalga destekli ön işlem, lignoselülozik fraksiyonasyon ve yüksek saflıkta lignin geri kazanımı için yeşil, hızlı ve verimli bir süreçtir.
Abstract
Ön işlem hala lignoselülozik biyorefinery proseslerinde en pahalı adımdır. Kimyasal gereksinimlerin yanı sıra güç ve ısı tüketimi en aza indirilerek ve çevre dostu çözücüler kullanılarak uygun maliyetli hale getirilmelidir. Derin ötektik çözücüler (DESs), sürdürülebilir biyorefineries’te anahtar, yeşil ve düşük maliyetli çözücülerdir. Bunlar, en az bir hidrojen bağı donörü ve bir hidrojen bağı alıcısından kaynaklanan düşük donma noktaları ile karakterize şeffaf karışımlardır. DES’ler çözücü vaat etse de, rekabetçi karlılık için mikrodalga ışınlama gibi ekonomik bir ısıtma teknolojisiyle birleştirmek gerekir. Mikrodalga ışınlama, ısıtma süresini kısaltmak ve fraksiyonasyonu artırmak için umut verici bir stratejidir, çünkü uygun sıcaklığa hızla ulaşılabilir. Bu çalışmanın amacı, düşük maliyetli ve biyobozunur bir çözücü kullanarak biyokütle fraksiyonasyonu ve lignin ekstraksiyonu için tek adımlı, hızlı bir yöntem geliştirmekti.
Bu çalışmada, 800 W’da 60 sn boyunca mikrodalga destekli bir DES ön işlem yapıldı ve üç çeşit DES kullanılmıştır. DES karışımları kolin klorür (ChCl) ve üç hidrojen-bağ donöründen (HBD) facile olarak hazırlandı: monokarboksilik asit (laktik asit), diyarboksilik asit (oksalik asit) ve üre. Bu ön işlem, deniz kalıntılarından (Posidonia yaprakları ve aegagropile), tarım-gıda yan ürünlerinden (badem kabukları ve zeytin pomace), orman kalıntılarından (çam kozalağı) ve çok yıllık lignoselülozik otlardan(Stipa tenacissima)biyokütle fraksiyonasyonu ve lignin geri kazanımı için kullanılmıştır. Geri kazanılan lignin verim, saflık ve moleküler ağırlık dağılımını belirlemek için daha fazla analiz yapıldı. Ayrıca çıkarılan lignin kimyasal fonksiyonel gruplar üzerindeki DES’lerin etkisi Fourier-transform kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ile belirlendi. Sonuçlar, ChCl-oksalik asit karışımının en yüksek lignin saflığını ve en düşük verimi sağladığını göstermektedir. Bu çalışma, DES-mikrodalga işleminin lignoselülozik biyokütle fraksiyonasyonu için ultra hızlı, verimli ve uygun maliyetli bir teknoloji olduğunu göstermektedir.
Introduction
Sürdürülebilir biyorefinery prosesleri biyokütle işlemeyi, fraksiyonasyonunu ilgi moleküllerine entegre eder ve katma değerli ürünlere dönüştürülmesi1. İkinci nesil biyorefiningde, biyokütlenin ana bileşenlerine fraksiyone edilmesi için ön işlem şart olarak kabul edilir2. Kimyasal, fiziksel veya biyolojik stratejiler kullanan geleneksel ön işlem yöntemleri yaygın olarak uygulanmıştır3. Bununla birlikte, bu tür ön işlem biyorefiningde en pahalı adım olarak kabul edilir ve uzun işlem süresi, yüksek ısı ve güç tüketimi ve solvent safsızlıkları4gibi başka dezavantajları vardır. Son zamanlarda, özellikleri iyonik sıvılarınkine benzeyen DESS3, biyobozunurluk, çevre dostu olma, sentez kolaylığı ve tedaviden sonra iyileşme gibi avantajlar nedeniyle yeşil çözücüler olarak ortaya çıkmıştır5.
DESs, laktik asit, malik asit veya oksalik asit gibi en az bir HBD ve betain veya kolin klorür (ChCl) gibi bir hidrojen-bağ kabul edici (HBA)karışımlarıdır 6. HBA-HBD etkileşimleri, kimyasal bağların bölünmesine izin veren, biyokütle fraksiyonasyonuna ve lignin ayrılmasına neden olan katalitik bir mekanizma sağlar. Birçok araştırmacı, mısır koçanı ve stover 7,8, ChCl-urea üzerinde ChCl-gliserol gibi lignoselülozik hammaddelerin DES tabanlı ön işlemden önce rapor olduğunu bildirmektedir. ve buğday samanı üzerinde ChCl-oksalik asit9, Okaliptüs talaş10üzerinde ChCl-laktik asit ve ahşap üzerinde ChCl-asetik asit11 ve ChCl-etilen glikol11. DES verimliliğini artırmak için, ön işlem biyokütle fraksiyonasyonunu hızlandırmak için mikrodalga tedavisi ile birleştirilmelidir5. Birçok araştırmacı, kısa bir süre içinde kolay bir adımda lignoselülozik fraksiyonasyon ve lignin ekstraksiyonu için DES’lerin kapasitesi hakkında yeni bir fikir sağlayan odun8 ve mısır sobası, switchgrass ve Miscanthus5’inböyle bir kombine ön işlemi (DES ve mikrodalga) bildirmektedir.
Lignin, biyopolimerlerin üretimi için hammadde olarak değerlenen fenolik bir makromoleküldür ve aromatik monomerler ve oligomerler gibi kimyasalların üretimi için bir alternatif sunar12. Ek olarak, lignin antioksidan ve ultraviyole emilim faaliyetleri vardır13. Çeşitli çalışmalar kozmetik ürünlerde lignin uygulamalarıbildirmiştir 14,15. Ticari güneş koruyucu ürünlere entegrasyonu, ürünün güneşten korunma faktörünü (SPF) SPF 15’ten SPF 30’a sadece 2 wt % lignin ilavesiyle ve SPF 50’ye kadar % 10 wt lignin16ilavesiyle iyileştirdi. Bu makalede, Akdeniz biyomasseslerinin kombine DES-mikrodalga ön işlem ile desteklenen lignin-karbonhidrat bölünmesi için ultra hızlı bir yaklaşım açıklanmaktadır. Bu biyomasses, özellikle zeytin pomace ve badem kabukları olmak üzere tarım-gıda yan ürünlerinden oluşur. Araştırılan diğer biyomasses deniz kökenli olanlar (Posidonia yaprakları ve aegagropile) ve bir ormandan (çam kozalağı ve yabani otlar) kaynaklananlardı. Bu çalışmanın odak noktası, bu kombine ön işlemden elde edilenin hammadde fraksiyonasyonu üzerindeki etkilerini değerlendirmek, lignin saflığı ve verimi üzerindeki etkisini araştırmak ve çıkarılan lignindeki moleküler ağırlıklar ve kimyasal fonksiyonel gruplar üzerindeki etkilerini incelemek için düşük maliyetli yeşil çözücüleri test etmekti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmanın birçok amacı vardı; bunlardan ilki, hem iyonik sıvıların hem de organik çözücülerin özelliklerine sahip düşük maliyetli yeşil çözücüler hazırlamak ve kullanmaktı. İkinci amaç, alkali çözücüler, temel veya termofizik teknikler kullanılarak Soxhlet veya hemiselüloz kullanılarak çıkarılabilirlerin çıkarılması gibi ön adımlar gerektirmeden biyokütleyi fraksiyone etmek ve lignin’i tek bir adımda çıkarmaktı. Üçüncü amaç, işlemden sonra basit filtrasyonla, pH a…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MK ve TB, istatistiksel analizler ve rakam hazırlama için Haitham Ayeb’e, Walloon Bölgesi’ne (Avrupa Bölgesel Kalkınma-VERDIR) ve Yükseköğretim ve Bilimsel Araştırma Bakanı’na (Taoufik Bettaieb) finansman için teşekkür ediyor.
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).
