En ny metod för Pentosan analys i Jute biomassa och dess omvandling till socker monomerer med sura jonisk vätska
Summary
Vi presenterar ett protokoll för syntesen av C5 sockerarter (xylos och arabinos) från en förnybar oätliga lignocellulosa biomassa (dvs, jute) med förekomst av Brønsted syrlig Joniska vätskor (BAILs) som katalysator i vatten. BAILs katalysatorn uppvisade bättre katalytisk prestanda än konventionella mineral sura katalysatorer (H2SO4 och HCl).
Abstract
Nyligen, Joniska vätskor (ILs) används för biomassa valorisering till värdefulla kemikalier på grund av deras anmärkningsvärda egenskaper såsom termisk stabilitet, lägre ångtryck, svårantändlighet, högre värmekapacitet, och avstämbara löslighet och surhetsgrad. Här visar vi en metod för syntesen av C5 sockerarter (xylos och arabinos) från pentosan närvarande i jute biomassa i en one-pot-process genom att utnyttja en katalytisk mängd Brønsted syrlig 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium väte sulfat IL. Den sura IL syntetiseras i labbet och karakteriseras med hjälp av NMR spektroskopiska tekniker för att förstå dess renhet. Olika egenskaper av borgen mäts såsom syra styrka, termiska och hydrotermisk stabilitet, vilket visade att katalysatorn är stabil på en högre temperatur (250 ° C) och besitter mycket hög syra styrka (Ho 1,57). Den sura IL konverterar över 90% av pentosan till sockerarter och furfural. Presentera metoden i denna studie kan därför också användas för utvärdering av pentosan koncentration i andra sorter av lignocellulosa biomassa.
Introduction
Biomassa har stor potential som en förnybar energi och kemiska källa eftersom det är hållbara, Billiga och lika distribuerade till skillnad från fossila resurser, vilket gör det en av de lovande kandidaterna att ersätta fossila råvaror. Den beräknade produktionen av lignocellulosa biomassa är 146 miljarder ton per år1. Lignocellulosa biomassa består främst av lignin, cellulosa och hemicellulosa som dess tre viktigaste beståndsdelar. Lignin är en aromatisk polymer tillverkad av phenylpropanoid enheter; Däremot, är cellulosa och hemicellulosa de polysackarid delarna av lignocellulosa biomassa. Cellulosa består av glukos enheter anslutna via β(1→4) glycosidic länkage, medan hemicellulosa består av C5 sockerarter, C6 socker och socker syror sammanlänkade med β (1→4), β (1→3) och β (1→6) glycosidic obligationer2,3. Tillsammans med olika lignocellulosa biomassa (bagass, risskal, vetehalm, etc.) produceras jute lignocellulosa biomassan också i mycket stora mängder (ca. 98% 2014) i Asien jämfört med den totala jute produktionen i världen. Indien producerar 1,96 x 106 ton av jute biomassa medan Bangladesh producerar 1,34 x 106 ton av jute biomassa jämfört med den totala produktionen av jute biomassa i världen (3,39 x 106 metriska ton) i 20144. Utnyttjandet av denna icke-ätliga biomassa kommer inte i konflikt med efterfrågan på livsmedel. Därför är det fördelaktigt att använda det som ett lager för att syntetisera en mängd mervärde kemikalier (xylos, arabinos, furfural, 5-hydroximetylfurfural (HMF), etc.). Enligt US Department of Energy betraktas furfural och HMF som några av de översta 30 byggsten kemikalier som härrör från biomassa5. Furfural erhålls från Xylosen eller direkt från hemicellulosa och kan omvandlas till många viktiga kemikalier. Furfurylalkohol, metyl furan och tetrahydrofuran är viktiga kemikalier framställs furfural6. Omvandling av lignocellulosa biomassa såsom jute biomassa till C5 sockerarter och andra viktiga kemikalier är därför ett viktigt ämne.
Omfattande rapporter tillgängliga på de olika katalytiska metoderna för omvandling av lignocellulosa biomassa till värde läggs till kemikalier. Mineralsyror (HCl och H2SO4) och heterogena katalysatorer (Amberlyst, HMOR, HUSY, Säpo-44, etc.) användes betydligt för omvandling av hemicellulosa och lignocellulosa biomassa till sockerarter (pentos och hexos socker) och furaner (furfural och HMF)7,8. Den återanvändbarhet och korrosionsverkan Mineralisk syra är en huvudfråga. Dock med fast syra katalysatorn krävs högre temperatur och tryck eftersom reaktionen sker vid ytan av katalysatorn. För att övervinna dessa problem, nyligen ILs rapporteras valorizationen av biomassa som en katalysator eller lösningsmedel9,10,11,12,13,14. Användning av IL som lösningsmedel är inte en bättre metod på grund av dess högre kostnader och lägre ångtryck ILS som skapar svårigheter i produkten separation. Därför är det absolut nödvändigt att använda återvinningsbara IL som katalysator (i små mängder) i ett lösningsmedel vattensystem för biomassa omvandlingen till förädlingsvärdet kemikalier.
Här presenterar vi en metod för att använda 1-methyl-3-(3-sulfopropyl) imidazolium väte sulfat sura IL som katalysator för direkt omvandling av pentosan närvarande i jute biomassa till socker monomerer utan någon förbehandling. Vanligen, ILs redovisas för förbehandling av lignocellulosa biomassa10,15,16,17 medan det mycket stora antalet av ILs används för biomassa förbehandling. Därför är det alltid fördelaktigt att använda IL som katalysator och att omvandla lignocellulosa biomassa till kemikalier utan någon ytterligare behandling. Dessutom i den nuvarande arbetet beräknas lignin koncentrationen presenteras i jute biomassa enligt Klason metod som skulle kunna omvandlas till olika aromatiska monomerer18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pentosan presenterar i jute biomassa omvandling till C5 socker monomerer demonstreras med olika homogena Brønsted sura katalysatorer såsom H2SO4, HCl och sura IL. Dessutom jämfördes katalytisk resultatet av den sura IL med IL utan syra (1-butyl-3-methylimidazolium klorid). Alla reaktioner utfördes i ett Parr autoklav vid 160 ° C i vatten. Användningen av sura IL visade den högsta pentosan konverteringen jämfört med homogena syror används i detta arbete (mineralsyror H2SO4<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill tacka de ministeriet för vetenskap och teknik (de flesta) 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) och målet för Top University projekt vid National Taiwan Universitet (105R7706) för finansiering stöd. Vi är tacksamma att Världsbanken för delfinansiering av detta arbete genom ett underprojekt av högre utbildning kvalitet förbättring projektet (HEQEP), komplett förslag nr 2071. Detta arbete var också delvis stöds av University of Wollongong’s AIIM (guld 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).
