특이한 지중해 리그놀룰로오스 잔류물에서 초고속 리닌 추출
Summary
깊은 유텍 성 용매 기반, 마이크로 파 지원 전처리는 리그노 셀룰로오스 분획 및 고순도 리그닌 복구를위한 녹색, 빠르고 효율적인 공정입니다.
Abstract
전처리는 여전히 리그노셀룰로오스 바이오 정유 공정에서 가장 비싼 단계입니다. 화학 적 요구 사항뿐만 아니라 전력 및 열 소비를 최소화하고 환경 친화적 인 용매를 사용하여 비용 효율적인 만들어야합니다. 깊은 유텍 용매 (DESs)는 지속 가능한 바이오 정유 공장의 핵심, 녹색 및 저비용 용매입니다. 그들은 적어도 하나의 수소 결합 기증자와 하나의 수소 결합 수용자에서 발생하는 낮은 동결 점을 특징으로 투명 혼합물입니다. DES는 유망한 용매이지만 경쟁력있는 수익성을 위해 전자 레인지 조사와 같은 경제 난방 기술과 결합해야합니다. 전자 레인지 조사는 가열 시간을 단축하고 신속하게 적절한 온도를 달성 할 수 있기 때문에 분획을 높일 수있는 유망한 전략입니다. 이 연구의 목적은 저비용 및 생분해성 용매를 사용하여 바이오매스 분획 및 리그닌 추출을 위한 1단계, 신속한 방법을 개발하는 것이었습니다.
이 연구에서는, 전자레인지 지원 DES 전처리는 3종류의 DES를 사용하여 800W에서 60s를 위해 실시되었다. DES 혼합물은 콜린 염화물(ChCl)과 3개의 수소 결합 기증자(HBDs)에서 용이하게 제조되었습니다: 모노카복실산 (젖산), 디카복실산 (옥살산), 및 우레아. 이 전처리는 해양 잔류물(포지도니아 잎과 아에가그로필), 농식품 부산물(아몬드 껍질과 올리브 포마), 삼림 잔류물(파인콘), 다년생 리뇨셀룰로시풀(Stipa tenacissima)으로부터의 바이오매스 분획 및 리그닌 회수에 사용되었습니다. 추가 분석은 회수된 리그닌의 수율, 순도 및 분자량 분포를 결정하기 위해 수행되었다. 또한, 추출된 리그닌내화학작용군에 대한 DESS의 효과는 포리에-변환 적외선(FTIR) 분광법에 의해 결정되었다. 결과는 ChCl-oxalic 산 혼합물이 가장 높은 리그닌 순도와 가장 낮은 수율을 제공한다는 것을 나타냅니다. 본 연구는 DES-마이크로파 공정이 리그노셀룰로오스 바이오매스 분획을 위한 초고속, 효율적이며 비용 경쟁력 있는 기술임을 보여줍니다.
Introduction
지속 가능한 바이오 정유 공정은 바이오매스 처리, 그 분획을 관심 분자로 통합하고 부가가치 제품으로의 전환1을통합합니다. 2세대 바이오레핀에서 전처리는 바이오매스를 주요 구성 요소2로분수하는 데 필수적이라고 간주됩니다. 화학적, 물리적 또는 생물학적 전략을 활용한 전통적인 전처리 방법은 널리 적용되어왔다 3. 그러나, 이러한 전처리는 바이오리핀화에서 가장 비싼 단계로 간주되며, 긴 처리 시간, 높은 열 및 전력 소비, 용매 불순물4와같은 다른 단점이 있다. 최근에는 이온성 액체3과유사한 특성을 가진 DES는 생분해성, 환경 친화성, 합성용성 및 치료 후 회복과 같은 장점으로 인해 녹색 용매로 부상했다5.
DES는 유산산, 사과산 또는 옥살산과 같은 적어도 하나의 HBD의 혼합물이며, 베타인 또는 콜린 염화물(ChCl)6과같은 수소 결합 수용자(HBA)이다. HBA-HBD 상호 작용은 화학 결합의 분열을 허용하는 촉매 메커니즘을 가능하게하여 바이오 매스 분획 및 리그닌 분리를 유발합니다. 많은 연구자들은 옥수수의 cob과 stover7,8,ChCl-urea, 및 ChCl-oxalic acid에 ChCl-glycerol와 같은 리뇨셀룰로오스 사료원료의 DES 기반 전처리를 보고했습니다9, 유칼립투스 톱밥에 ChCl-젖산10,및 ChCl-acetic acid11및 ChCl-acetic acid 11 및 ChCl-acetic acid11. DES 효율을 향상시키기 위해 전처리는 마이크로파 처리와 결합하여 바이오매스 분획5를가속화해야 합니다. 많은 연구자들은 목재8과 옥수수 스토버, 스위치그래스 및 Miscanthus5의결합 된 전처리 (DES 및 전자 레인지)를보고했으며, 이는 짧은 기간 동안 한 번의 쉬운 단계에서 리그노 셀룰로오스 분획 및 리그닌 추출을위한 DES의 용량에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.
Lignin은 생체 중합체 생산을 위한 원료로 용맹화된 페놀 거대 분자이며 방향족 단량제 및올리고머(12)와같은 화학 물질의 생산에 대한 대안을 제시한다. 또한, 리그닌은 항산화 및 자외선 흡수활동(13)을가지고 있다. 여러 연구는 화장품에서 리그닌 응용 프로그램을보고14,15. 상용 자외선 차단제 제품에 대한 통합은 SPF 15에서 SPF 30까지 제품의 자외선 차단 인자(SPF)를 개선했으며, 10wt % lignin16을추가하여 2wt % 리그닌과 최대 SPF 50을 첨가했다. 이 논문은 지중해 바이오매스의 DES-마이크로파 전처리에 의해 지원되는 리그닌 탄수화물 분열에 대한 초고속 접근법을 설명합니다. 이러한 바이오매스는 농식품 부산물, 특히 올리브 포마와 아몬드 껍질로 구성되어 있습니다. 조사 된 다른 바이오 매스는 해양 기원 (포지도니아 잎과 aegagropile)과 숲 (소나무 콘과 야생 잔디)에서 유래한 생물의 생물입니다. 이 연구의 초점은 공급 원료 분분에 이 결합된 전처리의 효력을 평가하기 위하여 저비용 녹색 용매를 시험하고, 리그닌 순도와 수율에 미치는 영향을 조사하고, 추출된 리그닌에 있는 분자량 및 화학 기능군에 미치는 효력을 연구하기 위한 것이었습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구는 많은 목표를 가지고 있었다; 첫 번째는 이온 액체와 유기 용매의 특성을 가진 저비용 녹색 용매를 준비하고 사용하는 것이었습니다. 두 번째 목적은 알칼리성 용매, 기본 또는 열물리학 기술을 사용하여 Soxhlet 또는 hemicellulose를 사용하여 추출물의 추출과 같은 예비 단계를 요구하지 않고, 단일 단계에서 바이오매스와 추출 리그닌을 분수하는 것이었습니다. 세 번째 목표는 pH의 조정없이…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MK와 TB는 통계 분석 및 그림 준비에 대한 하이탐 아이브 감사, 월룬 지역 (유럽 지역 개발 – VERDIR) 및 고등 교육 과학 연구 장관 (타우피크 베타아이에브) 자금 조달.
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) |
References
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