Un nuevo método para el análisis de este presente en la biomasa de yute y su transformación en monómeros de azúcar con ácido líquido iónico
Summary
Presentamos un protocolo para la síntesis de azúcares C5 (xilosa y arabinosa) de una biomasa lignocelulósica renovable de no comestibles (por ejemplo, yute) con la presencia de líquidos iónicos ácidos de Brønsted (fianzas) como el catalizador en agua. El catalizador de fianzas exhibió mejor catalizador rendimiento de catalizadores ácidos mineral convencionales (H2SO4 y ácido clorhídrico).
Abstract
Recientemente, se utilizan líquidos iónicos (ILs) para la valorización de la biomasa en productos químicos valiosos debido a sus notables propiedades como la estabilidad térmica, baja presión de vapor, no-inflamabilidad, mayor capacidad de calor y armonioso solubilidad y acidez. Aquí, demostramos un método para la síntesis de azúcares C5 (xilosa y arabinosa) desde el este presente en la biomasa de yute en un pote de un proceso mediante la utilización de una cantidad catalítica de sulfato de hidrógeno 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium ácido de Brønsted IL. El IL ácido se sintetiza en el laboratorio y caracterizado usando técnicas espectroscópicas de RMN para la comprensión de su pureza. Se miden las diferentes propiedades de la fianza como fuerza ácida, estabilidad térmica e hidrotermal, que demostró que el catalizador es estable en una temperatura más alta (250 º C) y posee gran fuerza ácida (Ho 1.57). El IL ácido convierte más 90% de este en azúcares y furfural. Por lo tanto, el método que se presenta en este estudio se puede también emplear para la evaluación de la concentración de este en otros tipos de biomasa lignocelulósica.
Introduction
Biomasa tiene un gran potencial como una energía renovable y fuente química porque es barato, igualmente distribuidos a diferencia de los recursos fósiles y sostenible es uno de los candidatos prometedores para sustituir materias primas fósiles. La producción estimada de biomasa lignocelulósica es 146 billones de toneladas métricas por año1. La biomasa lignocelulósica se compone principalmente de lignina, celulosa y hemicelulosa como sus tres principales componentes. La lignina es un polímero aromático de fenilpropanoide unidades; por el contrario, la celulosa y la hemicelulosa son las partes de polisacárido de la biomasa lignocelulósica. La celulosa está compuesta por unidades de glucosa conectadas por un enlace glicosídico β(1→4), mientras que la hemicelulosa se compone de azúcares C5, C6 azúcares y ácidos de azúcar Unidos entre sí por β (1→4), β (1→3) y β (1→6) enlaces glucosídicos2,3. Junto con varios de biomasa lignocelulósica (bagazo, cáscara del arroz, paja del trigo, etcetera), la biomasa de lignocelulosa yute también se produce en cantidades muy grandes (aprox. 98% en 2014) en Asia en comparación con la producción total del yute en el mundo. India produce 1,96 x 106 toneladas de biomasa de yute, mientras que Bangladesh produce 1,34 x 106 toneladas de biomasa de yute en comparación con la producción total de biomasa de yute en el mundo (3.39 x 106 toneladas) en el 20144. La utilización de esta biomasa no comestible no será conflicto con la demanda de alimentos. Por lo tanto, es beneficioso para usarlo como un stock para sintetizar una variedad de valor agregado productos químicos (xilosa, arabinosa, furfural, 5-hidroximetilfurfural (HMF), etc.). Según el Departamento de energía de Estados Unidos, furfural y HMF son considerados como algunos de los top 30 bloque productos químicos derivados de biomasa5. El furfural se obtiene de la xilosa o directamente con la hemicelulosa y se puede convertir a muchos productos químicos importantes. Alcohol furfurílico, metil Furano y tetrahidrofurano son importantes productos químicos obtenidos de furfural6. Por lo tanto, la conversión de biomasa lignocelulósica como biomasa de yute en azúcares C5 y otros importantes productos químicos es un tema importante.
Extensos informes están disponibles en los distintos métodos catalíticos para la conversión de biomasa lignocelulósica en valor agregado productos químicos. Los ácidos minerales (HCl y H2SO4) y catalizadores heterogéneos (Amberlyst HMOR HUSY, SAPO-44, etc.) se utilizaron significativamente para la transformación de hemicelulosa y de biomasa lignocelulósica en azúcares (azúcares de pentosa y hexosa) y furanos (furfural y HMF)7,8. La reutilización y la acción corrosiva de ácido mineral es una cuestión importante. Sin embargo, con el catalizador ácido sólido, mayor temperatura y presiones son necesarias porque la reacción se produce en la superficie del catalizador. Para superar estos problemas, recientemente ILs se divulgan para la valorización de la biomasa como catalizador o disolvente9,10,11,12,13,14. El uso de la IL como un disolvente no es un mejor método debido a su mayor costo y la baja presión de vapor del ILs que crea dificultad en la separación del producto. Por lo tanto, es imperativo utilizar IL reciclable como un catalizador (en pequeñas cantidades) en un sistema de solventes de agua para la conversión de biomasa a valor añadido productos químicos.
Aquí, presentamos un método para utilizar 1-methyl-3-(3-sulfopropyl) imidazolio hidrógeno sulfato ácido IL como el catalizador para la conversión directa de este presente en la biomasa de yute en monómeros de azúcar sin ningún tratamiento previo. Comúnmente, ILs se divulgan para el pretratamiento de biomasa lignocelulósica10,15,16,17 mientras que la cantidad muy grande de ILs se usa para el pretratamiento de biomasa. Por lo tanto, siempre es ventajoso utilizar IL como el catalizador y para convertir biomasa lignocelulósica en productos químicos sin ningún tratamiento adicional. Por otra parte, en el presente trabajo, se calcula la concentración de lignina en biomasa de yute el método Klason que se podría convertir en varios monómeros aromáticos18.
Protocol
Representative Results
Discussion
El este presente en la conversión de biomasa de yute en C5 monómeros de azúcar se demuestra usando varios homogéneos catalizadores ácidos Brønsted como H2SO4, HCl y ácido IL. Además, se comparó el resultado catalítico del ácido IL con IL sin acidez (cloruro de 1-butil-3-methylimidazolium). Todas las reacciones se realizaron en un autoclave de Parr a 160 ° C en agua. El uso de ácidos IL demostró la más alta conversión de este en comparación con ácidos homogéneos utilizados en este …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nos gustaría dar las gracias al Ministerio de ciencia y tecnología (MOST) de Taiwán (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) y el objetivo para el proyecto de Universidad superior en Taiwán nacional Universidad (105R7706) para el apoyo financiero. Agradecemos al Banco Mundial para financiamiento parcial de esta obra a través de un subproyecto de educación superior calidad mejora proyecto (HEQEP), completa propuesta #2071. Este trabajo fue apoyado también parcialmente por AIIM de Universidad de Wollongong (financiación de oro).
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 |
Referenzen
- 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).
