Summary

Die Vorbehandlung von Lignocellulose-Biomasse mit Low-Cost-ionischen Flüssigkeiten

Published: August 10, 2016
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Summary

The pretreatment of lignocellulosic biomass with protic low-cost ionic liquids is shown, resulting in a delignified cellulose-rich pulp and a purified lignin. The pulp gives rise to high glucose yields after enzymatic saccharification.

Abstract

A number of ionic liquids (ILs) with economically attractive production costs have recently received growing interest as media for the delignification of a variety of lignocellulosic feedstocks. Here we demonstrate the use of these low-cost protic ILs in the deconstruction of lignocellulosic biomass (Ionosolv pretreatment), yielding cellulose and a purified lignin. In the most generic process, the protic ionic liquid is synthesized by accurate combination of aqueous acid and amine base. The water content is adjusted subsequently. For the delignification, the biomass is placed into a vessel with IL solution at elevated temperatures to dissolve the lignin and hemicellulose, leaving a cellulose-rich pulp ready for saccharification (hydrolysis to fermentable sugars). The lignin is later precipitated from the IL by the addition of water and recovered as a solid. The removal of the added water regenerates the ionic liquid, which can be reused multiple times. This protocol is useful to investigate the significant potential of protic ILs for use in commercial biomass pretreatment/lignin fractionation for producing biofuels or renewable chemicals and materials.

Introduction

Treffen der Menschheit Energiebedarf nachhaltig eine der größten Herausforderungen, die unsere Zivilisation steht. Der Energieverbrauch wird voraussichtlich in den nächsten 50 Jahren verdoppeln, eine größere Belastung auf fossilen Ressourcen setzen. 1 Der Aufbau von Treibhausgasen (THG) in der Atmosphäre durch weitverbreitete Verwendung fossiler Brennstoffe ist besonders problematisch, da CO 2 erzeugt aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen ist verantwortlich für 50% des anthropogenen Treibhauseffekt. 2 daher groß angelegte Anwendung erneuerbarer und kohlenstoffneutrale Technologien ist entscheidend für die Erfüllung der gestiegenen Energie- und materiellen Bedürfnisse der zukünftigen Generationen. 1, 3

Pflanzenbiomasse ist der vielseitigste erneuerbare Ressource, wie es verwendet werden kann, Wärme, Strom sowie auf Kohlenstoff basierende Chemikalien, Materialien und Kraftstoffe herzustellen. Primäre Vorteile von Lignocellulose über andere Biomassearten sind seine Fülle, Potenzial für hohe Erträge per Bereich des Landes und oft viel höhere CO 2 Emissionseinsparungen, die hohe Retention von Kohlenstoff im Boden umfasst. 4, 5 Weitere Vorteile von Biomasse sind lokale Verfügbarkeit, geringen Kapitalbedarf Biomasse zu Energie umwandeln, und die Bodenerosion Prävention. 8

Die wichtigsten Herstellung von Lignocellulose – Einsatzstoffe sind die Forstwirtschaft und der Landwirtschaft sowie der kommunalen Abfallwirtschaft. 6 Lignocellulose Produktion das Potenzial erweitert werden muss, mit einem Geist der Entwaldung und der Vermeidung der Ersatz von Nahrungspflanzen und die Freisetzung von potentiellen Schadstoffen zu begrenzen. 7 Für erneuerbare Biomasse eine tragfähige weit verbreitete Quelle flüssigen Treibstoffen und Chemikalien zu werden, muss die Verarbeitung wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu werden mit fossilen Brennstoffen Umwandlungstechnologien. 9, 10 ein Schlüssel dazu ist die Ausbeute und die Qualität der Biomasse-Zwischenprodukte zu steigern bei gleichzeitiger Reduzierung Kosten. </ P>

Lignocellulose enthält einen hohen Anteil an Zucker , die gegenüber Kraftstoffen und Chemikalien durch katalytische und mikrobieller Umwandlungen umgewandelt werden können. 11 Diese Zucker in polymerer Form wie Cellulose und Hemicellulose in Lignocellulose vorhanden sind. Sie können in Glukose und andere Zucker Monomeren hydrolysiert werden und dann verwendet für die Herstellung von Bioethanol und anderen Bio-derived Chemikalien und Lösungsmittel. 12

Um die Zellulose Zucker für den Zugriff auf eine Vorbehandlung der Biomasse ist notwendig , durch physikalische, chemische oder kombinierte Verfahren. 4 Die Vorbehandlung ist wohl der teuerste Schritt in der Valorisierung von Lignocellulose – Biomasse. Daher Forschung in verbesserte Vorbehandlungsverfahren ist zwingend notwendig.

Verschiedene Vorbehandlungstechnologien zur Verfügung. Von besonderem Interesse sind diejenigen, die das Lignin aus Zellulose (fractionative Vorbehandlung) trennen. Lignin, die dritte Hauptkomponente inLignocellulose, beschränkt den Zugang von Agenten an Cellulose und Hemicellulose und reduziert die Zuckerausbeute pro Tonne Beschickungsmaterial zu hydrolysieren. 11 Die abgetrennte Lignin kann Zwischen als zusätzliche biorefinery verwendet werden , wenn es in geeigneter Qualität isoliert wird. 13. Ein fractionative Verfahren ist das Kraft – Verfahren das ist die häufigste Vorbehandlung für Papier / Zellstoff-Produktion. In Kraftpulpenprozesses, Holzhackschnitzel in einem Gemisch aus Natriumhydroxid und Natriumsulfid und erwärmt bei erhöhten Temperaturen von etwa 170 ° C unter hohen Druck gesetzt werden. 14 Die alkalischen Reaktionen , die durch Aufbrechen der Polymere bis zu kurzen Fragmenten über nukleophile Hemicellulose und Lignin zu entfernen und basenkatalysiert und durch die Ligninfragmente über de-protoniert phenolischen Hydroxyl / Alkoholgruppen auflöst. Ein weiteres gemeinsames Delignifizierungsverfahren ist der Organosolv- Prozess, der auch Fragmente und löst das Lignin und Hemicellulose. Anstatt eine alkalische aqueo mitus Lösung, organische Lösungsmittel, wie Ethanol und Essigsäure werden bei hohen Temperaturen im Bereich von 160-200 ° C und Drücken von 5 bis 30 bar verwendet. Organosolv- Vorbehandlung hat einige Vorteile gegenüber Kraft in Aufschließen , dass es weniger Luft und Wasserverschmutzung erzeugt. 15 Beide Prozesse einige wirtschaftliche Herausforderungen besitzen, wenn für die Produktion von Chemikalien und Brennstoffe anstatt Cellulose. 16 Die Ionosolv Vorbehandlung verwendet ionische Flüssigkeiten, die Salze sind , dass haben Schmelzpunkte unter 100 ° C und, als Ergebnis ihrer starken Coulomb – Wechselwirkungen, sehr niedrige Dampfdrücke. 17 Dies eliminiert die Verunreinigung der Luft in dem Vorbehandlungsverfahren und ermöglicht eine Verarbeitung bei oder nahe Atmosphärendruck.

Während die meisten ILs in mühsamer, Synthesen mehrstufiges erstellt werden, können protischen ILs in einem von Grundchemikalien Prozess in einem Schritt synthetisiert werden, wodurch sie weniger teuer macht; es wird geschätzt, dass einige ILs bei Bulk Skala für ein hergestellt werden könntenPreis von $ 1,24 pro kg , die zu den üblichen organischen Lösungsmitteln wie Aceton und Toluol vergleichbar ist. 18 Die Fähigkeit , diese anpassbare ILs in einem Prozess zu recyceln und wiederverwenden , die diese eine gutartige Alternative und eine wirtschaftlich attraktive Kandidaten bei vergleichsweise niedrigeren Temperaturen und Drücken macht arbeitet für Bioraffinerie.

Diese detaillierte Video – Protokoll zeigt eine Labormaßstab Version des Ionosolv Verfahren zur Delignifizierung von Lignocellulose und die eventuelle enzymatischen Verzuckerung der Cellulose-reiche Zellstoff sowie die Gewinnung von hochreinem geruchsfreies Lignin. 19

Protocol

Hinweis: Die protischen ionischen Flüssigkeiten in dem Verfahren verwendet werden synthetisiert in unserem Labor, obwohl einige oder vielleicht kommerziell verfügbar werden. Die resultierenden ionischen Flüssigkeiten sind sauer und ätzend und wahrscheinlich Haut / Augenreizungen (je nach verwendetem Amin) und diese mit größter Sorgfalt tragen geeignete PSA (Laborkittel, Schutzbrille, beständige Handschuhe) behandelt werden. 1. Vorbereitung Vorbereiten und Speichern …

Representative Results

Die genaue Menge an Lignin Entfernung und Ligninausfällung erholten sich die Zellstoff- und Glucoseausbeute von der Art der Biomasse abhängen verwendet, bei dem die Temperatur die Behandlung durchgeführt wird, und die Dauer der Behandlung. Kurzvorbehandlungszeiten und niedrigen Temperaturen führen zu unvollständiger Vorbehandlung während bei höheren Temperaturen die Cellulose in der ionischen Flüssigkeit instabil wird, was zu einer Hydrolyse und Abbau. Die ausgewählte ionische F…

Discussion

Die Technik zur Fraktionierung von Lignocellulose hier präsentierten erzeugt eine cellulosereiche Pulpe und Lignin. Die meisten der Hemicellulosen werden in der ionischen Flüssigkeit gelöst und hydrolysiert, jedoch nicht zurückgewonnen. Wenn Hemicellulose Zucker gewünscht werden, kann eine Hemicellulose Vorextraktionsschritt vor dem Ionosolv Delignifizierung erforderlich sein. Es wurde bisher nicht möglich gewesen, vollständig die Massenbilanz für die Biomasse zu schließen, da es nicht möglich ist, alle Abbaup…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren erkennen die GranthamInstitut für Klimawandel und Umwelt, Klima-KIC und EPSRC (EP / K038648 / 1 und EP / K014676 / 1) für die Finanzierung und Pierre Bouvier für experimentelle Daten für Kiefer Vorbehandlungen bieten.

Materials

IL synthesis
Round bottom flask, with standard ground joint 24/29 NS, 1000 ml Lenz 3 0024 70 VWR product code 271-1309 
250mL Addition Funnel, Graduated, 29/26 Joint Size, 0-4mm PTFE Valve GPE CG-1714-16
Dish-shaped dewar flask, SCH 31 CAL  KGW-Isotherm 1197
Volumetric flask, 200 ml VWR 612-3745 
Cork rings, pasteur pipettes and teet, wash bottle with deionised water, large magentic stir bar
Biomass size reduction
Heavy Duty Cutting Mill SM2000  Retsch  Discontinued Replaced with Cutting Mill SM 200 (20.728.0001) 
Bottom sieves (10 mesh square holes, for particle size <2 mm) Retsch  03.647.0318 Part of cutting mill
Analytical Sieve Shaker AS 200 Retsch  30.018.0001 Part of sieving machine
Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (180 µm) Retsch  60.131.000180 Part of sieving machine
Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (850 µm) Retsch  60.131.000850 Part of sieving machine
Collecting pan, stainless steel, 200 mm Ø, height 50 mm  Retsch  69.720.0050 Part of sieving machine
Rotary evaporator:
Rotary evaporator (Rotavapor R-210) Buchi  Discontinued Replaced with Rotavapor R-300
Water bath (Heating bath B-491) Buchi  48201 Part of rotary evaporator
Recirculator  Julabo F25 Part of rotary evaporator
Vacuum pump (MPC 101 Z) Ilmvac GmbH 412522 Part of rotary evaporator
Vacuum controller (Vacuum Control Box VCB 521) Ilmvac GmbH 600053 Part of rotary evaporator
Parallel evaporator:
StarFish Base Plate 135mm (for Radleys & IKA)  Radleys RR95010 Part of parallel evaporator
Monoblock for 5 x 250ml Flasks Radleys RR95130  Part of parallel evaporator
Telescopic 5-way Clamp with Velcro Radleys RR95400 Part of parallel evaporator
Gas/Vacuum Manifold with connectors Radleys RR95510  Part of parallel evaporator
650mm Rod Radleys RR95665  Part of parallel evaporator
Quick Release Male, R/A Barbed 6.4mm + Shut-off (3.2mm ID)  Radleys RR95520 Part of parallel evaporator
Stirrer/hot plate Radleys RR98072 Part of soxhlet extractor
Temperature controller Radleys RR98073 Part of soxhlet extractor
Elliptical Stirring Bar 15mm Rare Earth Radleys RR98097  Part of parallel evaporator
Vacuum cold trap, plastic coated, PTFE stopcock Chemglass CG-4519-01 Part of parallel evaporator
Vacuum pump (MPC 101 Z) Ilmvac GmbH 412522 Part of parallel evaporator
Tygon tubing E-3603, 6,40 mm (internal) 12,80 mm (external)   Saint-Gobain/VWR 228-1292  Part of parallel evaporator
Parallel Soxhlet extractor:
StarFish Base Plate 135mm (for Radleys & IKA) Radleys RR95010  Part of soxhlet extractor
Monoblock for 5 x 250ml Flasks Radleys RR95130  Part of soxhlet extractor
Telescopic 5-way Clamp with Velcro Radleys RR95400  Part of soxhlet extractor
Telescopic 5-way Clamp with Silicone Strap and Long Handle Radleys RR95410  Part of soxhlet extractor
Water Manifold with connectors Radleys RR95500  Part of soxhlet extractor
650mm Rod Radleys RR95665  Part of soxhlet extractor
Quick Release Male, R/A Barbed 6.4mm + Shut-off (3.2mm ID) Radleys RR95520  Part of soxhlet extractor
Coil condensers with standard ground joints 29/32 NS Lenz 5.2503.04  Part of soxhlet extractor
Extractor Soxhlet 40mL borosilicate glass 29/32 socket 24/29 cone Quickfit EX5/43  Part of soxhlet extractor
Stirrer/hot plate Radleys RR98072 Part of soxhlet extractor
Temperature controller Radleys RR98073 Part of soxhlet extractor
Recirculator Grant LTC1 Part of soxhlet extractor
Cellulose extraction thimble Whatman 2280-228
Tweezers Excelta 20A-S-SE
Vacuum drying oven:
Vacuum drying oven Binder VD 23 Part of vacuum oven
Dewar vessel 2L 100x290mm with handle KGW-Isotherm 10613 Part of vacuum oven
Vacuum Trap GPE CG-4532-01  Part of vacuum oven
Other equipment:
Analytical balance A&D GH-252 accuracy to ± 0.1 mg
Volumetric Karl Fischer titrator Mettler Toledo V20
10 mL disposable pipette Corning Inc Costar 4101 10 mL Stripette
Eppendorf Research plus pipette, variable volume, volume 100-1000 μL Eppendorf 3120000062
Desiccator Jencons JENC250-028BOM
Ace pressure tube bushing type, Front seal, volume 15 mL  Ace Glass 8648-04 
Ace O-rings, silicone, 2.6 mm, I.D. 9.2 mm  Ace Glass 7855216 O-ring for pressure tube
Vortex shaker VWR International 444-1378 (UK)
Fan-assisted convection oven ThermoScientific HeraTherm OMH60
Oven glove (Crusader Flex) Ansel Edmont 42-325
250 mL Round bottom flask single neck ground joint 24/29 (Pyrex) Quickfit  FR250/3S
Rotaflo stopcock adapter with cone 24/29 Rotaflo England MF11/2/SC
50 mL Falcon  tube Heraeus/Kendro HERA 76002844
Centrifuge (Mega Star 3.0) VWR  521-1751
Reagents:
Ethanol absolute VWR 20820.464
Triethylamine Sigma-Aldrich T0886
Sulfuric acid 5 mol/l (10N) AVS TITRINORM volumetric solution Safe-break bottle 2,5L VWR 191665V
Purified water (15 MΩ ressitance) Elga CENTRA R200
Lignocellulosic biomass:
Miscanthus X gigantheus
Pinus sylvestris

Riferimenti

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Citazione di questo articolo
Gschwend, F. J. V., Brandt, A., Chambon, C. L., Tu, W., Weigand, L., Hallett, J. P. Pretreatment of Lignocellulosic Biomass with Low-cost Ionic Liquids. J. Vis. Exp. (114), e54246, doi:10.3791/54246 (2016).

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