저가 이온 성 액체와 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스의 전처리
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
회의 인류의 에너지 수요는 지속적으로 우리의 문명이 직면 한 가장 큰 도전 과제 중 하나입니다. 에너지 사용은 화석 연료 자원에 큰 부담을 가하고, 향후 50 년 동안 두 배로 예상된다. 1 CO 2의 연소에서 생성 된 넓은 확산 화석 연료의 사용을 통해 대기 중 온실 가스 (GHG)의 축적은, 특히 문제가 화석 연료는 인위적 온실 효과의 50 %에 대한 책임이있다.이 때문에, 재생 및 탄소 중립 기술 대규모 애플리케이션 세대의 증가 된 에너지 및 재료의 요구를 충족 필수적이다. 1,3
이 열, 전기뿐만 아니라, 탄소 계 화학 물질과 연료를 생산하는데 사용될 수있는 플랜트의 바이오 매스가 가장 다양한 재생 가능한 자원이다. 다른 바이오 매스 유형을 통해 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스의 주요 장점은 높은 수율의 체육에 대한 풍부한 잠재력이다토양 탄소의 높은 유지를 포함 토지와 종종 훨씬 더 높은 CO 2 배출량 절감의 연구 영역. 4, 바이오 매스를 사용하여 5 추가 혜택은 지역의 가용성, 에너지 바이오 매스를 변환하는 낮은 자본 요구 사항 및 토양 침식 방지를 포함한다. (8)
리그 노 셀룰로오스 원료의 주요 생산자는 산림 산업과 농업 분야뿐만 아니라 폐기물 관리입니다. (6) 리그 노 셀룰로즈 생산 삼림 벌채를 제한하고 식량 작물과 잠재적 오염 물질의 방출의 교체를 방지에 마음으로 확대 될 가능성이있다. (7) 액체 수송 연료 및 화학 물질의 가능한 광범위한 소스가 될 신 재생 바이오 매스의 경우, 그 처리는 화석 연료 변환 기술과 경제적 경쟁력을해야합니다. (9), (10)이 달성의 핵심이 감소하면서 수율 및 바이오 매스 유래 중간체의 질을 향상하는 것입니다 비용. </ P>
리그 노 셀룰로즈는 촉매 및 미생물의 전환을 통해 연료 및 화학 물질로 변환 할 수있는 설탕의 높은 비율을 포함한다. (11)이 당은 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 등의 고분자 형태의 리그 노 셀룰로즈 존재한다. 이들은 글루코스 및 다른 당 단량체를 가수 분해 한 후 에탄올 및 기타 생물 유래의 화학 물질과 용매의 제조에 사용될 수있다. (12)
셀룰로스 당에 액세스하기 위해, 바이오 전처리는 물리적, 화학적, 또는 혼합 과정을 통해 필요하다. (4) 전처리 틀림 목질 바이오 매스 가치화에서 가장 고가의 공정이다. 개선 된 전처리 공정에 따라서 연구가 필수적이다.
다양한 전처리 기술을 사용할 수 있습니다. 특히 관심 셀룰로오스 (fractionative 전처리)로부터 리그닌을 분리하는 것들이다. 리그닌, 세 번째 주요 구성 요소리그 노 셀룰로즈, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스에 에이전트를 가수 분해의 액세스를 제한하고 원료의 톤 당 설탕 수율을 감소시킨다. (11)이 적합한 품질에 고립되어있는 경우 분리 된 리그닌이 중간에 추가 바이오 리파이너리로 활용 될 수있다. (13) 하나 fractionative 프로세스가 크래프트 과정이다 종이 / 셀룰로오스 생산을위한 가장 일반적인 전처리이다. 크라프트 펄프에 목재 칩을 높은 압력 하에서 약 170 ℃의 상승 된 온도에서 수산화 나트륨 황화 나트륨 가열 혼합하여 배치되어있다. (14) 알칼리 반응 핵성 통해 짧은 단편 아래로 중합체를 끊어서 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 제거하고 및 페놀 성 수산기 / 알콜 기의 탈 양성자 화를 통해 리그닌 단편 용해 염기 촉매. 또 다른 일반적인 탈 리그닌 프로세스는 조각 및 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 용해 Organosolv 프로세스입니다. 오히려 알칼리 aqueo를 사용하는 것보다미국 용액, 에탄올 및 아세트산과 같은 유기 용매 5-30 줄에서 160-200 ℃로와 압력 사이의 범위 고온에서 사용된다. Organosolv 전처리가 덜 공기와 수질 오염을 생산하는 것을 펄프 화 크래프트를 통해 몇 가지 장점이있다.보다는 화학 물질과 연료의 생산에 사용하는 경우 15 두 프로세스가 어떤 경제 문제를 가지고 셀룰로오스. 16 Ionosolv 전처리는 염 이온 성 액체를 사용하는 그들의 강력한 쿨롱 상호 작용이 매우 낮은 증기압의 결과로서, 100 ℃ 이하의 융점을 가지며. (17)이 전처리 공정으로 공기 오염을 제거하고, 또는 대기압 근처의 처리를 가능하게한다.
대부분의 IL이 힘들고, 다단계 합성에서 생성되지만, 프로톤의 IL들을 저렴하게 범용 화학에서 단일 단계 공정에서 합성 될 수있다; 일부의 IL은 벌크 규모로 생산 될 수있는 것으로 추정된다아세톤, 톨루엔. 18 상대적으로 낮은 온도와 압력에서 작동하는 과정에서 이러한 사용자 정의 대한 IL 재활용 및 재사용 할 수있는 기능 등의 일반적인 유기 용매에 필적 kg 당 $ 1.24의 가격은 더 양성 대체하고 경제적으로 매력적인 후보이 있습니다 바이오 정제합니다.
상세한 영상 프로토콜 목질 바이오 매스 셀룰로오스 풍부한 펄프의 최종 효소 당화뿐만 아니라 고순도 무취 리그닌의 회수의 탈 리그닌 대한 Ionosolv 처리의 실험실 규모의 버전을 나타낸다. 19
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 제시된 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스의 분류에 대한 기술은 셀룰로오스가 풍부한 펄프 및 리그닌을 생산하고 있습니다. 헤미셀룰로오스 대부분의 이온 성 액체에 용해시키고 가수 분해하지만 회복되지 않는다. 헤미셀룰로오스 당이 요구되는 경우, Ionosolv 탈 리그닌 화에 앞서 헤미셀룰로오스 예비 추출 단계가 필요할 수있다. 지금까지 이온 성 액체 액에서 발견 분해 생성물, 리그닌 ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 소나무 전처리에 대한 실험 데이터를 제공하기위한 기후 변화와 환경, 기후 KIC와 EPSRC (EP / K038648 / 1 EP / K014676 / 1) 자금 조달 및 피에르 부비에 대한 랜덤 연구소 인정합니다.
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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