Summary

Сверхбыстрая экстракция лигнина из необычных средиземноморских лигноцеллюлозных остатков

Published: March 09, 2021
doi:

Summary

Глубокая эвтектическая предварительная обработка на основе растворителей с помощью микроволновой печи — это зеленый, быстрый и эффективный процесс фракционирования лигноцеллюлозы и восстановления лигнина высокой чистоты.

Abstract

Предварительная обработка по-прежнему является самым дорогим этапом в лигноцеллюлозных процессах биоперерабатывающего производства. Он должен быть экономически эффективным за счет минимизации химических требований, а также потребления энергии и тепла и использования экологически чистых растворителей. Глубокие эвтектические растворители (DES) являются ключевыми, зелеными и недорогими растворителями на устойчивых биообиплавательных предприятиях. Они представляют собой прозрачные смеси, характеризующиеся низкими температурами замерзания, возникающими в результате по меньшей мере одного донора водородной связи и одного акцептора водородных связей. Хотя DES являются перспективными растворителями, для конкурентоспособной рентабельности их необходимо сочетать с экономичной технологией отопления, такой как микроволновое облучение. Микроволновое облучение является многообещающей стратегией для сокращения времени нагрева и повышения фракционирования, поскольку оно может быстро достичь соответствующей температуры. Целью этого исследования была разработка одноэтапного, быстрого метода фракционирования биомассы и экстракции лигнина с использованием недорогого и биоразлагаемого растворителя.

В этом исследовании проводилась предварительная обработка DES с помощью микроволновой печи в течение 60 с при 800 Вт с использованием трех видов DES. Смеси DES были легко приготовлены из холина хлорида (ChCl) и трех доноров водородных связей (HBD): монокарбоновой кислоты (молочной кислоты), дикарбоновой кислоты (щавелевой кислоты) и мочевины. Эта предварительная обработка использовалась для фракционирования биомассы и извлечения лигнина из морских остатков (листья Posidonia и aegagropile), агропищевых побочных продуктов (миндальные раковины и оливковое жмых), лесных остатков (сосновые шишки) и многолетних лигноцеллюлозных трав(Stipa tenacissima). Дальнейшие анализы были проведены для определения выхода, чистоты и молекулярно-массового распределения восстановленного лигнина. Кроме того, влияние ДСС на химические функциональные группы в экстрагированном лигнине определяли методом инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Результаты показывают, что смесь ChCl-щавелевой кислоты обеспечивает самую высокую чистоту лигнина и самый низкий выход. Настоящее исследование показывает, что процесс DES-микроволновой печи является сверхбыстрой, эффективной и конкурентоспособной по стоимости технологией фракционирования лигноцеллюлозной биомассы.

Introduction

Устойчивые процессы биопереработки интегрируют переработку биомассы, ее фракционирование в молекулы, представляющие интерес, и их преобразование в продукты с добавленной стоимостью1. При биорефинировки второго поколения предварительная обработка считается необходимой для фракционирования биомассы на ее основные компоненты2. Широко применяются традиционные методы предварительной обработки с использованием химических, физических или биологических стратегий3. Однако такая предварительная обработка считается самым дорогим этапом биопереработки и имеет другие недостатки, такие как длительное время обработки, высокое потребление тепла и энергии, а также примеси растворителя4. В последнее время DES, свойства которых аналогичны свойствам ионных жидкостей3,появились в качестве зеленых растворителей благодаря таким преимуществам, как биоразлагаемость, экологичность, простота синтеза и восстановление после обработки5.

DES представляют собой смеси по меньшей мере одного HBD, такого как молочная кислота, яблочная кислота или щавелевая кислота, и акцептора водородных связей (HBA), такого как бетаин или холинхлорид(ChCl)6. Взаимодействия HBA-HBD обеспечивают каталитический механизм, который позволяет расщеплять химические связи, вызывая фракционирование биомассы и разделение лигнина. Многие исследователи сообщали о предварительной обработке на основе DES лигноцеллюлозного сырья, такого как ChCl-глицерин на початках кукурузы и стовер7,8,ChCl-мочевина и ChCl-щавелевая кислота на пшеничной соломе9,ChCl-молочная кислота на эвкалиптовых опилках10и ChCl-уксусная кислота11 и ChCl-этиленгликоль на древесине11. Для повышения эффективности ДЭС предварительную обработку следует сочетать с микроволновой обработкой для ускорения фракционирования биомассы5. Многие исследователи сообщали о такой комбинированной предварительной обработке (DES и микроволновой печи) древесины8 и кукурузы, травы и Мискантуса5,что дает новое представление о способности DES для лигноцеллюлозного фракционирования и экстракции лигнина за один простой шаг в течение короткого периода.

Лигнин представляет собой фенольные макромолекулы, валоризированные в качестве сырья для производства биополимеров и представляющие собой альтернативу для производства химических веществ, таких как ароматические мономеры и олигомеры12. Кроме того, лигнин обладает антиоксидантной и ультрафиолетовой абсорбционной активностью13. В нескольких исследованиях сообщалось о применении лигнина в косметических продуктах14,15. Его интеграция в коммерческие солнцезащитные продукты улучшила фактор защиты от солнца (SPF) продукта с SPF 15 до SPF 30 с добавлением только 2 мас.% лигнина и до SPF 50 с добавлением 10 мас.% лигнина16. В данной работе описывается сверхбыстрый подход к расщеплению лигнин-углеводов, поддерживаемый комбинированной DES-микроволновой предварительной обработкой средиземноморских биомасс. Эти биомассы состоят из побочных продуктов сельскохозяйственной пищи, особенно оливкового выжимки и миндальных оболочек. Другими биомассами, которые были исследованы, были биомассы морского происхождения (листья Посидонии и агагропиле) и биомассы, происходящие из леса (сосновые шишки и дикие травы). Основное внимание в этом исследовании было уделено тестированию недорогих зеленых растворителей для оценки влияния этой комбинированной предварительной обработки на фракционирование сырья, изучения его влияния на чистоту и выход лигнина, а также изучения его влияния на молекулярные массы и химические функциональные группы в экстрагированном лигнине.

Protocol

1. Подготовка биомассы Сушка биомассы Поместите листья Посидонии и шарики aegagropile(Posidonia oceanica),собранные на средиземноморских пляжах, в духовку при 40 °C в течение 72 ч. Поместите миндальные раковины(Prunus dulcis),полученные в пищевой промышленности, и оливковыйжмых (Olea …

Representative Results

На фиг.2А-С показан выход лигнина при экстракции из шести видов сырья, показанный на фиг.1А-F,после комбинированной предварительной обработки микроволновой печиСОФ. Результаты показывают, что выход лигнина, п?…

Discussion

Это исследование имело много целей; первым из которых было приготовление и использование недорогих зеленых растворителей с характеристиками как ионных жидкостей, так и органических растворителей. Вторая цель состояла в том, чтобы фракционировать биомассу и экстрагировать лигнин за о…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

МК и ТБ благодарят Хайтама Айеба за статистический анализ и подготовку цифр, Валлонский регион (Европейское региональное развитие – VERDIR) и министра высшего образования и научных исследований (Тауфик Беттайеб) за финансирование.

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)

Referencias

  1. 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).
  2. 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).
  3. Zhang, C. W., Xia, S. Q., Ma, P. Facile pretreatment of lignocellulosic biomass using deep eutectic solvents. Bioresource Technology. 219, 1-5 (2016).
  4. 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).
  5. Chen, Z., Wan, C. Ultrafast fractionation of lignocellulosic biomass by microwave-assisted deep eutectic solvent pretreatment. Bioresource Technologie. 250, 532-537 (2018).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Banu, J. R., et al. A review on biopolymer production via lignin valorization. Bioresource Technologie. 290, 121790 (2019).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Widsten, P. Lignin-based sunscreens-state-of-the-art, prospects and challenges. Cosmetics. 7, 85 (2020).
  16. Qian, Y., Qiu, X., Zhu, S. Lignin: a nature-inspired sun blocker for broad-spectrum sunscreens. Royal Society of Chemistry. 17, 320-324 (2015).
  17. 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).

Play Video

Citar este artículo
Kammoun, M., Berchem, T., Richel, A. Ultrafast Lignin Extraction from Unusual Mediterranean Lignocellulosic Residues. J. Vis. Exp. (169), e61997, doi:10.3791/61997 (2021).

View Video