En ny metode for Pentosan analyse i Jute biomasse og konvertering sin inn sukker monomerer med surt ioniske flytende
Summary
Vi presenterer en protokoll for syntese av C5 sukker (xylose og arabinose) fra en fornybar ikke-spiselige lignocellulosic biomasse (dvs., jute) med tilstedeværelse av Brønsted Sure ioniske væsker (BAILs) som katalysator i vann. BAILs katalysator utstilt bedre katalytisk ytelse enn konvensjonelle mineral syre katalysatorer (H2SO4 og HCl).
Abstract
Nylig brukes ioniske væsker (ILs) for biomasse valorization til verdifull kjemikalier på grunn av deres bemerkelsesverdige egenskaper som termisk stabilitet, lavere Damptrykk, ikke-Brennbarhet, høyere varmekapasitet, og tunable løselighet og surhet. Her viser vi en metode for syntese av C5 sukker (xylose og arabinose) fra pentosan i jute biomasse i en en-potten prosess ved å benytte en katalytisk mengde Brønsted sur 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium hydrogen sulfate IL. Den sure IL er syntetisert i laboratoriet og preget med NMR spektroskopiske teknikker for å forstå sin renhet. Ulike egenskapene til KAUSJON måles som acid styrke, termisk og hydrotermal stabilitet, som viste at katalysator er stabil ved høyere temperatur (250 ° C) og har meget høy syre styrke (Ho 1.57). Den sure IL konverterer over 90% av pentosan til sukker og furfural. Derfor kan presenterer metoden i denne studien også brukes for vurdering av pentosan konsentrasjon i andre typer lignocellulosic biomasse.
Introduction
Biomasse har stort potensial som en fornybar energi og kjemiske kilden fordi det er bærekraftig, billig og like distribuert i motsetning til fossile ressurser, som gjør det en av de lovende kandidatene å erstatte fossile feedstocks. Beregnet produksjon av lignocellulosic biomasse er 146 milliarder tonn per år1. Lignocellulosic biomasse består hovedsakelig av lignin, cellulose og hemicellulose som dens tre viktige bestanddeler. Lignin er en aromatisk polymer laget av phenylpropanoid enheter. på den annen side, er cellulose og hemicellulose de polysakkarid delene av lignocellulosic biomasse. Cellulose består av glukose-enheter som er koblet med β(1→4) glycosidic linkage, mens hemicellulose består av C5 sukker, C6 sukker og sukker syrer knyttet sammen av β (1→4), β (1→3) og β (1→6) glycosidic obligasjoner2,3. Sammen med ulike lignocellulosic biomasse (bagasse, ris skall, hvete strå, osv.), er jute lignocellulose biomasse også produsert i svært store mengder (ca 98% i 2014) i Asia sammenlignet med totale jute produksjonen i verden. India produserer 1.96 x 106 tonn av jute biomasse mens Bangladesh produserer 1,34 x 106 tonn av jute biomasse sammenlignet med totale produksjon av jute biomasse i verden (3.39 x 106 tonn) i 20144. Bruken av denne ikke-spiselige biomasse ikke i konflikt med mat behov. Derfor er det gunstig å bruke det som et lager for å syntetisere en rekke merverdi kjemikalier (xylose, arabinose, furfural, 5-hydroxymethylfurfural (HMF), osv.). Ifølge US Department of Energy regnes furfural og HMF som noen av de beste 30 byggeblokk kjemikaliene avledet fra biomasse5. Furfural hentes fra xylose eller direkte fra hemicellulose og kan konverteres til mange viktige kjemikalier. Furfuryl alkohol, metyl furan og tetrahydrofuran er viktig kjemikalier fra furfural6. Derfor er konvertering av lignocellulosic biomasse som jute biomasse i C5 sukker og andre viktige kjemikalier et viktig tema.
Omfattende rapporter er tilgjengelige på de ulike katalytiske metodene for konvertering av lignocellulosic biomasse verdi lagt kjemikalier. Mineral syrer (HCl og H2SO4) og heterogene katalysatorer (Amberlyst, HMOR, HUSY, SAPO-44, etc.) ble brukt betydelig for konvertering av hemicellulose og lignocellulosic biomasse til sukker (pentose og hexose sukker) og furaner (furfural og HMF)7,8. Gjenbruk og corrosiveness av mineral syre er et stort problem. Men med solid sur katalysator er høyere temperatur og trykk nødvendig fordi reaksjonen skjer på overflaten av katalysator. For å overvinne disse problemene, nylig ILs rapporteres for valorization av biomasse som katalysator eller løsemiddel9,,10,,11,,12,,13,,14. Bruk av IL som et løsemiddel er ikke en bedre metode på grunn av sin høyere pris og det lavere damptrykket av ILs som skaper problemer i produktet separasjon. Derfor er det viktig å bruke resirkulerbare IL som en katalysator (i små mengder) i et vann løsemiddel system for biomasse konvertering til verdiskaping kjemikalier.
Her presenterer vi en metode for å bruke 1-methyl-3-(3-sulfopropyl) imidazolium hydrogen sulfate surt IL som katalysator for direkte konvertering av pentosan i jute biomasse til sukker monomerer uten noen forbehandling. ILs rapporteres vanligvis for forbehandling lignocellulosic biomasse10,15,16,17 mens stort antall ILs brukes for biomasse forbehandling. Derfor er det alltid en fordel å bruke IL som katalysator og konvertere lignocellulosic biomasse til kjemikalier uten ekstra behandling. Videre i den nåværende arbeidet beregnes lignin konsentrasjonen i jute biomasse ved hjelp av Klason metoden som kan konverteres til ulike aromatiske monomerer18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pentosan tilstede i jute biomasse konvertering til C5 sukker monomerer demonstreres ved hjelp av ulike homogen Brønsted Sure katalysatorer som H2SO4, HCl og sure IL. Videre ble katalytisk resultatet av den sure IL sammenlignet med IL uten Surhet (1-butyl-3-methylimidazolium chloride). Alle reaksjoner ble utført i en Parr autoklav ved 160 ° C i vann. Bruken av Sure IL viste høyeste pentosan konvertering sammenlignet med homogen syrer i dette arbeidet (mineral syrer H2SO4 og …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gjerne takke departementet for vitenskap og teknologi (de fleste) av Taiwan (104-2628-E-002-008-MY3 105-2218-E-155-007; 105-2221-E-002-003-MY3; 105-2221-E-002-227-MY3; 105-2622-E-155-003-CC2) og målet for toppen University prosjektet på National Taiwan University (105R7706) for finansiering støtte. Vi er takknemlige til Verdensbanken for delvis finansiering av dette arbeidet gjennom et delprosjekt av høyere utdanning kvalitet forsterkning prosjektet (HEQEP), komplett forslag #2071. Dette arbeidet ble også delvis støttet av universitetet av Wollongong hensikt å avgjøre (gull finansiering).
Materials
| 1-Methylimidazole | Sigma Aldrich | M50834 | |
| 1,3-Propanesultone | Sigma Aldrich | P50706 | Moisture sensitive |
| p-nitroaniline | Sigma Aldrich | 185310 | |
| Toluene | J. T. Baker | 9460-03 | |
| Sulfuric acid | Honeywell-Fluka | 30743 | Highly corrosive |
| Hydrochloric acid | Honeywell-Fluka | 30719 | Highly corrosive |
| 1-butyl-3-methylimidazolium chloride | Sigma Aldrich | 900856 | Highly hygroscopic |
| D(+)-Xylose | Acros Organics | 141001000 | |
| L(+)-Arabinose | Acros Organics | 104981000 | |
| UV-Spectrometer | JASCO | V-670 | |
| Parr reactor | Parr USA | Seriese 4560 | |
| Parr reactor controller | Parr USA | Seriese 4848 | |
| High pressure liquid chromatography (HPLC) | JASCO | Seriese LC-2000 | |
| Digital hot plate stirrer | Thermo Scientific | SP142020-33Q Cimarec | |
| Oven furnace | Thermal Scientific | FB1400 Thermolyne blast oven furnace |
References
- Demirbaş, A. Biomass resource facilities and biomass conversion processing for fuels and chemicals. Energy Convers. Manage. 42 (11), 1357-1378 (2001).
- Matsagar, B. M., Dhepe, P. L. Brönsted acidic ionic liquid-catalyzed conversion of hemicellulose into sugars. Catal. Sci. Technol. 5 (1), 531-539 (2015).
- Matsagar, B. M., Dhepe, P. L. Effects of cations, anions and H+ concentration of acidic ionic liquids on the valorization of polysaccharides into furfural. New J Chem. 41 (14), 6137-6144 (2017).
- Costa Lopes, A. M., Morais, A. R. C., Łukasik, R. M. Sustainable Catalytic Strategies for C5-Sugars and Biomass Hemicellulose Conversion Towards Furfural Production. Production of Platform Chemicals from Sustainable Resources. , 45-80 (2017).
- Matsagar, B. M., Munshi, M. K., Kelkar, A. A., Dhepe, P. L. Conversion of concentrated sugar solutions into 5-hydroxymethyl furfural and furfural using Bronsted acidic ionic liquids. Catal. Sci. Technol. 5 (12), 5086-5090 (2015).
- Gürbüz, E. I., et al. Conversion of Hemicellulose into Furfural Using Solid Acid Catalysts in γ-Valerolactone. Angew Chem Int Ed. 52 (4), 1270-1274 (2013).
- Filiciotto, L., Balu, A. M., Van der Waal, J. C., Luque, R. Catalytic insights into the production of biomass-derived side products methyl levulinate, furfural and humins. Catal Today. 302, 2-15 (2017).
- Matsagar, B. M., et al. Direct Production of Furfural in One-pot Fashion from Raw Biomass Using Brønsted Acidic Ionic Liquids. Sci. Rep. 7 (1), 13508 (2017).
- Gschwend, F. J. V., et al. Pretreatment of Lignocellulosic Biomass with Low-cost Ionic Liquids. J Vis Exp. (114), e54246 (2016).
- Xu, F., et al. Transforming biomass conversion with ionic liquids: process intensification and the development of a high-gravity, one-pot process for the production of cellulosic ethanol. Energy Environ. Sci. 9 (3), 1042-1049 (2016).
- Sun, J., et al. One-pot integrated biofuel production using low-cost biocompatible protic ionic liquids. Green Chem. 19 (13), 3152-3163 (2017).
- Nguyen, C. V., et al. Combined treatments for producing 5-hydroxymethylfurfural (HMF) from lignocellulosic biomass. Catal Today. 278 (Part 2), 344-349 (2016).
- Yan, N., Yuan, Y., Dykeman, R., Kou, Y., Dyson, P. J. Hydrodeoxygenation of Lignin-Derived Phenols into Alkanes by Using Nanoparticle Catalysts Combined with Brønsted Acidic Ionic Liquids. Angew Chem Int Ed. 49 (32), 5549-5553 (2010).
- Weerachanchai, P., Lee, J. -. M. Recyclability of an ionic liquid for biomass pretreatment. Bioresour. Technol. 169 (Supplement C), 336-343 (2014).
- Shill, K., et al. Ionic liquid pretreatment of cellulosic biomass: Enzymatic hydrolysis and ionic liquid recycle. Biotechnol Bioeng. 108 (3), 511-520 (2011).
- Tadesse, H., Luque, R. Advances on biomass pretreatment using ionic liquids: An overview. Energy Environ. Sci. 4 (10), 3913-3929 (2011).
- Agirrezabal-Telleria, I., Gandarias, I., Arias, P. L. Production of furfural from pentosan-rich biomass: Analysis of process parameters during simultaneous furfural stripping. Bioresour. Technol. 143 (Supplement C), 258-264 (2013).
- Yingying, L., et al. An Improved Method for Determination of Pentosans in Pulps using Dual-Wavelength Spectroscopy. BioResources. 11 (3), 6801-6807 (2016).
- Kumar, A. K., Sharma, S. Recent updates on different methods of pretreatment of lignocellulosic feedstocks: a review. Bioresour. Bioprocess. 4 (1), 7 (2017).
- Kumar, P., Barrett, D. M., Delwiche, M. J., Stroeve, P. Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production. Ind. Eng. Chem. Res. 48 (8), 3713-3729 (2009).
