שיטה לניתוח Pentosan נוכח יוטה ביומסה והמרה שלה לתוך מונומרים סוכר באמצעות נוזל חומצי יוניים
Summary
אנו מציגים פרוטוקול לסינתזה של C5 סוכרים (xylose, אראבינוז) מ מתחדשת שאינם מיועדים לאכילה lignocellulosic ביומסה (קרי, יוטה) עם הנוכחות של Brønsted נוזלים יוניים חומצי (ביצים) כזרז במים. הזרז ביילס הציג כדאי קטליטי ביצועים יותר קונבנציונליים המינרל זרזים חומצה (H2אז4 ו- HCl).
Abstract
לאחרונה, יוניים נוזלים (ILs) משמשים עבור ביומסה valorization בקטע של כימיקלים יקר בגלל תכונותיהם מדהים כמו יציבות תרמית, לחץ אדים נמוכה יותר, שאינם-דליקות, קיבול חום גבוה יותר, ו מסיסות tunable חומציות. כאן, נדגים שיטה לסינתזה של C5 סוכרים (xylose, אראבינוז) מ- pentosan נוכח יוטה ביומסה בתהליך סיר אחד על-ידי ניצול כמות קטליטי של Brønsted חומצי 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium מימן גופרתי איל. איל חומצי הוא מסונתז במעבדה, מאופיין באמצעות שיטות ספקטרוסקופיות NMR להבנת הטוהר שלו. המאפיינים השונים של הערבות נמדדים כגון חומצה חזקה, יציבות הידרותרמי ותרמי, אשר הראו כי הזרז הינה יציב בטמפרטורה גבוהה (250 מעלות צלזיוס), בעל חוזק גבוה מאוד חומצה (Ho 1.57). איל חומצי ממיר מעל 90% של pentosan לתוך סוכרים, furfural. לפיכך, שיטת המציג במחקר זה יכול גם להיות מועסק על ההערכה של ריכוז pentosan סוגים אחרים של ביומסה lignocellulosic.
Introduction
ביומסה יש פוטנציאל גדול כמו אנרגיה מתחדשת מקור כימיים כי הוא בר קיימא, זול, ולא באותה מידה מבוזרת בניגוד משאבים מאובנים, מה שהופך אותו לאחד המועמדים מבטיחה להחליף ביניים לדלק מאובנים. לייצור ביומסה lignocellulosic המשוער הוא 146 מיליארד טון לכל שנה1. ביומסה lignocellulosic מורכבת בעיקר של ליגנין, תאית hemicellulose כמו שלושת המרכיבים העיקריים שלה. ליגנין הוא פולימר ארומטי זני phenylpropanoid יחידות; מצד שני, תאית hemicellulose הם החלקים רב-סוכר של ביומסה lignocellulosic. תאית מורכב מיחידות גלוקוז המחוברות באמצעות הצמדה glycosidic β(1→4), ואילו hemicellulose מורכב של סוכרים C5, C6 סוכרים וחומצות סוכר מקושרים יחד על ידי β (1→4), β (1→3) וβ (1→6) אג ח glycosidic2,3. יחד עם שונים ביומסה lignocellulosic (פסולת, קליפה אורז, קש חיטה, וכו ‘.), יוטה lignocellulose ביומסה הוא מיוצר גם כמויות גדולות מאוד (ca. 98% בשנת 2014) בדרום אסיה בהשוואה הייצור הכולל יוטה בעולם. הודו מייצרת 1.96 x 106 טון מטרי של יוטה ביומסה בעוד בנגלדש מייצרת 1.34 x 106 טון מטרי של ביומסה יוטה בהשוואה הייצור הכולל של יוטה ביומסה בעולם (3.39 x 10 טון מטרי של6 ) ב 20144. הניצול של ביומסה שאינם מיועדים לאכילה זו לא יתנגשו עם ביקוש המזון. לפיכך, מומלץ להשתמש בו בתור מלאי עבור סינתזה מגוון של ערך מוסף כימיקלים (xylose, אראבינוז, furfural, 5-hydroxymethylfurfural (HMF), וכו ‘). על-פי מחלקת האנרגיה של ארצות הברית, furfural ו- HMF נחשבים כמה הכימיקלים המובילים בניין 30 נגזר ביומסה5. Furfural מ- xylose או ישירות מ- hemicellulose, ניתן להמיר את כימיקלים חשובים רבים. Furfuryl אלכוהול, מתיל furan ו- tetrahydrofuran הם כימיקלים חשובים המתקבל furfural6. ומכאן, המרה של ביומסה lignocellulosic כגון יוטה ביומסה לתוך C5 סוכרים וכימיקלים אחרים חשוב הוא נושא חשוב.
רחבה דוחות זמינים על שיטות קטליטי שונים עבור ההמרה של ביומסה lignocellulosic לתוך הערך מתווספים כימיקלים. חומצות (HCl ו- H2אז4) זרזים הטרוגנית (Amberlyst, HMOR, HUSY, סאפו-44, וכו ‘) שימשו באופן משמעותי עבור ההמרה של hemicellulose ו- lignocellulosic ביומסה לסוכרים (סוכרים פנטוז ו- hexose) ו-7,furans (furfural ו HMF)8. שימושית של corrosiveness של חומצה מינרלית הינו נושא מרכזי. עם זאת, עם חומצה זרז מוצק, טמפרטורה גבוהה יותר, לחצים נדרשים כי התגובה מתרחשת על פני השטח של הזרז. כדי להתגבר על בעיות אלה, לאחרונה מדווחים ש ח עבור valorization של ביומסה זרז או ממס9,10,11,12,13,14. השימוש של איל הממס אינו שיטה טובה יותר בשל עלותו גבוהה יותר והלחץ אדי התחתון של ILs שיוצר קושי בהפרדה המוצר. לכן, זה הכרחי לשימוש איל למחזור זרז (בכמויות קטנות) במערכת מים ממס עבור ביומסה ההמרה לערך מוסף כימיקלים.
כאן, אנו מציגים שיטה שתשמש הזרז 1-methyl-3-(3-sulfopropyl) imidazolium מימן גופרתי איל חומצי עבור המרה ישירה של pentosan נוכח יוטה ביומסה לתוך הסוכר מונומרים ללא כל רעלני. בדרך כלל, ILs מדווחים על רעלני של ביומסה lignocellulosic10,15,16,17 ואילו כמות גדולה מאוד של ILs משמש את רעלני ביומסה. לכן, זה תמיד יתרון לשימוש איל הזרז וכדי להמיר ביומסה lignocellulosic כימיקלים ללא כל טיפול נוסף. יתר על כן, בשנת העבודה הנוכחית, ריכוז ליגנין הציג יוטה ביומסה מחושבת באמצעות שיטת Klason, אשר יכול להיות מומר מונומרים ארומטיים שונים18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pentosan מציגים יוטה המרה ביומסה לתוך C5 סוכר מונומרים הוכח שימוש שונים הומוגנית Brønsted חומצי זרזים כגון H2אז4, HCl, איל חומצי. יתר על כן, כתוצאה קטליטי איל חומצי היה להשוות את איל ללא חומציות (1-בוטיל-3-methylimidazolium כלוריד). כל התגובות בוצעו ב החיטוי פאר ב 160 ° C במים. השימוש של איל חומצי הראה את …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות משרד המדע, הטכנולוגיה (ביותר) של טייוואן (104-2628-E-002-008-MY3; 105-2218-E-155-007; 105-2221-E-002-003-MY3; 105-2221-E-002-227-MY3; 105-2622-E-155-003-CC2), המטרה של העליון אוניברסיטת פרויקט לאומי טייוואן האוניברסיטה (105R7706) על התמיכה מימון. . אנחנו מודים לך על הבנק העולמי למימון חלקי של עבודה זו באמצעות תת פרוייקט של השכלה גבוהה איכות שיפור הפרויקט (HEQEP), 2071 # הצעה מלאה עבודה זו נתמכה גם חלקית על ידי AIIM של באוניברסיטת וולונגונג (זהב מימון).
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).
