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

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