طريقة جديدة لتحليل بينتوسان الموجودة في الكتلة الأحيائية الجوت وتحويلها إلى أحادية السكر باستخدام السوائل الأيونية الحمضية
Summary
نقدم بروتوكولا لتركيب السكريات C5 (إكسيلوسي وارابينوز) من متجددة غير الصالحة للأكل الليجنوسليولوزيه الكتلة الحيوية (أي، الجوت) مع وجود برونستد حمضية السوائل الأيونية (كفالات) المحفز في المياه. محفز كفالات معارضها حافز أداء أفضل من المواد الحفازة الأحماض المعدنية التقليدية (ح2هكذا4 و HCl).
Abstract
في الآونة الأخيرة، تستخدم السوائل الأيونية (ILs) لتثمين الكتلة الحيوية إلى قيمة المواد الكيميائية بسبب خصائصها ملحوظة مثل الثبات الحراري، وانخفاض ضغط البخار، غير-القابلية للاشتعال، قدرة الحرارة أعلى، والذوبان الانضباطي والحموضة. هنا، نحن عرض أسلوب لتركيب السكريات C5 (إكسيلوسي وارابينوز) من بينتوسان الموجودة في الكتلة الأحيائية الجوت في عملية واحدة-وعاء باستخدام كمية حفاز من كبريتات الهيدروجين 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium الحمضية برونستد إيل. إيل الحمضية يتم تصنيعه في المختبر، ويتميز باستخدام تقنيات القياس الطيفي الرنين المغناطيسي لفهم النقاء. يتم قياس الخصائص المتنوعة للكفالة مثل حمض قوة، الاستقرار الحرارية والمائية الحرارية، التي أظهرت أن الحافز هو مستقر عند درجة حرارة أعلى (250 درجة مئوية) ويملك جداً حمض قوة عالية (حس 1.57). تحويل ما يزيد على 90% بينتوسان إيل الحمضية إلى السكريات وفورفورال. ومن ثم، يمكن أيضا أن تستخدم طريقة عرض في هذه الدراسة لتقييم تركيز بينتوسان في أنواع أخرى من الكتلة الحيوية الليجنوسليولوزيه.
Introduction
الكتلة الحيوية إمكانات كبيرة كالطاقة المتجددة ومصدر المواد الكيميائية لأنها مستدامة وغير مكلفة، ووزعت على قدم المساواة على عكس موارد الوقود الأحفوري، مما يجعلها واحدة من المرشحين الواعدين لتحل محل الوقود الأحفوري من المواد الخام. يقدر إنتاج الكتلة الحيوية الليجنوسليولوزيه 146 بیلیون طن متري في السنة1. الكتلة الأحيائية الليجنوسليولوزيه هي تتألف أساسا من اللجنين والسليولوز، وهيميسيلولوسي بمكوناته الرئيسية الثلاثة. اللجنين بوليمر عطرية من الوحدات فينيلبروبانويد؛ من ناحية أخرى، هي السليلوز و hemicellulose أجزاء السكاريد من الكتلة الأحيائية الليجنوسليولوزيه. السليلوز يتكون من وحدات الجلوكوز مرتبطة بالروابط glycosidic β(1→4)، بينما تتكون hemicellulose السكريات C5، C6 السكريات والأحماض السكر مرتبطة معا بيتا (1→4)، β (1→3) وبيتا (1→6) سندات جليكوسيديك2،3. جنبا إلى جنب مع مختلف الليجنوسليولوزيه الكتلة الحيوية (تفل قصب السكر، وقشر الأرز، وقش القمح، إلخ.) والكتلة الأحيائية السليلوز الجوت أيضا تنتج بكميات كبيرة جداً (98%ca. في عام 2014) في آسيا مقارنة بإنتاج الجوت الإجمالي في العالم. وتنتج الهند 1.96 × 10 طن متري6 الجوت الكتلة الحيوية بينما تنتج بنغلاديش 1.34 × 10 طن متري6 الجوت الكتلة الحيوية مقارنة بالإنتاج الكلي للكتلة الأحيائية الجوت في العالم (3.39 × 10 طن متري6 ) في عام 20144. الاستفادة من هذه الكتلة الحيوية غير الصالحة للأكل سوف لا تتعارض مع الطلب على الغذاء. ومن ثم فإنه من المفيد لاستخدامها كمخزون لتجميع مجموعة متنوعة من القيمة المضافة الكيميائية (إكسيلوسي، أرابينوز، فورفورال، 5-هيدروكسيميثيلفورفورال (همف)، إلخ). ووفقا “وزارة الطاقة الأمريكية”، تعتبر فورفورال وهمف كبعض المواد الكيميائية أعلى كتلة بناء 30 المستمدة من الكتلة الأحيائية5. يتم الحصول عليها من إكسيلوسي أو مباشرة من hemicellulose فورفورال ويمكن تحويلها إلى العديد من المواد الكيميائية الهامة. حمض الأديبيك والفوران الميثيل ورباعي هيدرو الفوران من المواد الكيميائية الهامة التي تم الحصول عليها من فورفورال6. ومن ثم تحويل الكتلة الحيوية الليجنوسليولوزيه مثل الجوت الكتلة الحيوية إلى C5 السكريات وغيرها من المواد الكيميائية الهامة موضوع مهم.
تقارير واسعة النطاق المتاحة في مختلف أساليب الحفاز لتحويل الكتلة الحيوية الليجنوسليولوزيه إلى قيمة تضاف المواد الكيميائية. الأحماض المعدنية (HCl وح2هكذا4) والمحفزات غير المتجانسة (أمبيرليست، همور، هوسي، سابو-44، إلخ) واستخدمت كثيرا لتحويل hemicellulose والكتلة الحيوية الليجنوسليولوزيه إلى السكريات (السكريات بنتوز وهكسوز) والفوران (فورفورال وهمف)7،8. إعادة استخدام والصليه للأحماض المعدنية قضية رئيسية. مع محفز الحمضية الصلبة، ارتفاع درجة الحرارة والضغوط غير المطلوبة ليحدث رد فعل على سطح الحافز. للتغلب على هذه المشكلات، ترد ILs مؤخرا لتثمين الكتلة الحيوية كمحفز أو المذيبات9،10،،من1112،،من1314. استخدام إيل كمذيب ليست أفضل طريقة بسبب تكلفتها أعلى، وانخفاض ضغط البخار من ILs أن يخلق صعوبة في فصل المنتج. ولذلك، من الضروري استخدام إيل القابلة لإعادة التدوير كعامل حفاز (بكميات قليلة) في نظام مياه المذيبات لتحويل الكتلة الحيوية إلى القيمة المضافة الكيميائية.
نقدم هنا، وسيلة لاستخدام 1-methyl-3-(3-sulfopropyl) كبريتات الهيدروجين إيميدازوليوم إيل الحمضية المحفز للتحويل المباشر ل pentosan الموجودة في الكتلة الأحيائية الجوت في مونومرات السكر دون أي معالجة مسبقة. عادة، هي ذكرت ILs للمعالجة المسبقة للكتلة الأحيائية الليجنوسليولوزيه10،15،،من1617 بينما تستخدم كمية كبيرة جداً من ILs للمعالجة المسبقة الكتلة الأحيائية. ومن ثم فإنها دائماً مفيدة لاستخدام إيل المحفز وتحويل الكتلة الحيوية الليجنوسليولوزيه إلى المواد الكيميائية دون أي معالجة إضافية. وعلاوة على ذلك، في هذا العمل، يتم حساب تركيز اللجنين في الكتلة الأحيائية الجوت استخدام أسلوب كلاسون التي يمكن تحويلها إلى مختلف مونومرات العطرية18.
Protocol
Representative Results
Discussion
بينتوسان الحالي في الجوت تحويل الكتلة الحيوية إلى C5 مونومرات السكر يتجلى في استخدام مختلف متجانسة برونستد المحفزات الحمضية مثل ح2هكذا4، HCl، وايل الحمضية. وعلاوة على ذلك، كان مقارنة نتيجة الحفاز لايل الحمضية مع إيل دون الحموضة (كلوريد 1-بوتيل-3-ميثيليميدازوليوم). وأجريت جميع ردو?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونود أن نشكر وزارة العلوم والتكنولوجيا (معظم) من تايوان (104-2628-E-002-008-MY3؛ 105-2218-ه-155-007؛ 105-2221-E-002-003-MY3؛ 105-2221-E-002-227-MY3؛ 105-2622-E-155-003-CC2) والهدف “أعلى مشروع جامعة” تايوان الوطنية جامعة (105R7706) لدعم التمويل. ونحن ممتنون للبنك للتمويل الجزئي لهذا العمل من خلال مشروع فرعي للتعليم العالي الجودة تعزيز المشروع (هيقيب)، 2071 # اقتراح كاملة. وأيد هذا العمل أيضا جزئيا AIIM جامعة ولونغونغ (التمويل للذهب).
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).
