Новый метод для анализа Пентозанполисульфат в джута биомассы и превращения его в сахар мономеров, с использованием кислой ионные жидкости
Summary
Мы представляем протокол для синтеза сахаров C5 (Ксилоза и арабинозы) из возобновляемых лигноцеллюлозных биомассы non съедобный (например, джут) в присутствии кислых ионных жидкостей Brønsted (поручительств) как катализатора в воде. Катализатор поручительств выставлены более каталитической производительность, чем обычные минеральные кислоты катализаторов (H2т4 и HCl).
Abstract
Недавно ионных жидкостей (ILs) используются для индексации биомассы в ценных химических веществ из-за их замечательные свойства, такие как термической стабильностью, меньшее давление пара, неогнеопасны, более высокой теплоемкостью и перестраиваемые растворимость и кислотности. Здесь мы демонстрируем метод синтеза сахаров C5 (Ксилоза и арабинозы) от Пентозанполисульфат в джута биомассы в один горшок процесса путем использования каталитического количества сульфат кислых 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium водорода Brønsted IL. Кислотные IL синтезируется в лаборатории и характеризуется с помощью ЯМР спектроскопических методов для понимания ее чистоты. Различные свойства залог измеряются такие кислотостойкость, тепловой и гидротермальных стабильности, которая показала, что катализатором стабилен при более высокой температуре (250 ° C) и обладает очень высокой Кислотостойкость (Ho 1,57). Кислотные IL преобразует свыше 90% Пентозанполисульфат сахара и Фурфурол. Следовательно метод представления в этом исследовании также могут использоваться для оценки концентрации Пентозанполисульфат в других видах лигноцеллюлозных биомассы.
Introduction
Биомасса имеет большой потенциал как возобновляемых источников энергии и химический источник, потому что это устойчивое, недорогой и одинаково распределенными в отличие от ископаемых ресурсов, что делает его одним из перспективных кандидатов для замены ископаемых видов сырья. По оценкам, производство лигноцеллюлозных биомассы — 146 млрд метрических тонн в год1. Лигноцеллюлозных биомассы в основном состоит из лигнина, целлюлозы и hemicellulose как его три основные составляющие. Лигнин является ароматический полимер, из Фенилпропаноиды единиц; с другой стороны целлюлозы и hemicellulose являются полисахариды части лигноцеллюлозных биомассы. Целлюлозы состоит из единиц глюкозы, соединены β(1→4) гликозидных связей, тогда как гемицеллюлозы состоит сахаров C5, C6 сахаров и кислот сахара, соединены β (1→4), β (1→3) и β (1→6) гликозидных связей2,3. Наряду с различными лигноцеллюлозных биомассы (жома, рисовая шелуха, солома, и т.д.) джутовая лигноцеллюлозе биомассы также производится в очень больших количествах (около 98% в 2014 году) в Азии, по сравнению с всего джута производства в мире. Индия производит 1.96 x 106 метрических тонн биомассы джута, хотя Бангладеш производит 1,34 x 106 метрических тонн биомассы джута, по сравнению с всего производства джута биомассы в мире (3.39 x 106 метрических тонн) в 20144. Использование этой биомассы non съедобный не будет конфликтовать с спроса на продовольствие. Следовательно, это выгодно использовать его как запас для синтеза различных добавленной стоимости химических веществ (ксилозы, арабиноза, фурфурол, 5-Оксиметилфурфурол (HMF) и т.д.). По данным министерства энергетики США, фурфурол и HMF считаются некоторых из топ 30 строительный блок химических веществ, полученных из биомассы5. Фурфурол получается из Ксилоза или непосредственно из гемицеллюлозы и может быть преобразован в многих важных химических веществ. Спирт фурфуриловый, метил фуранов и тетрагидрофуран являются важных химических веществ, полученных из Фурфурол6. Следовательно преобразование лигноцеллюлозных биомассы например джута биомассы в C5 сахара и других важных химических веществ является важной темой.
Обширные доклады, добавляются на различные методы каталитического преобразования лигноцеллюлозных биомассы в значение химических веществ. Кислоты неорганические (HCl и H2т-4) и гетерогенных катализаторов (Amberlyst, HMOR, HUSY, Сапо-44, и т.д.) значительно использовались для преобразования гемицеллюлозы и лигноцеллюлозных биомассы в сахаров (сахара пентозы и гексозы) и фуранов (Фурфурол и HMF)7,8. Повторное использование и коррозионного воздействия минеральные кислоты является серьезной проблемой. Однако с твердой кислотным катализатором, более высокие температуры и давления необходимы потому, что реакция происходит на поверхности катализатора. Чтобы преодолеть эти проблемы, недавно ILs сообщается для индексации биомассы в качестве катализатора или растворителя9,10,11,12,,1314. IL как растворитель используется не лучший метод из-за ее высокой стоимости и меньшее давление пара ILs, что создает трудности в разделения продуктов. Таким образом, крайне важно использовать переработке IL как катализатора (в небольших количествах) в системе жидкостной воды для преобразования биомассы в добавленной стоимости химических веществ.
Здесь мы представляем метод для использования 1-methyl-3-(3-sulfopropyl) имидазолия водорода сульфат кислых IL в качестве катализатора для прямого преобразования Пентозанполисульфат в джута биомассы в сахар мономеров без каких-либо предварительной обработки. Обычно ILs сообщается для предварительной обработки лигноцеллюлозных биомассы10,,1516,17 , тогда как очень большое количество ILs используется для предварительной обработки биомассы. Следовательно это всегда выгодно использовать IL как катализатора и преобразовать лигноцеллюлозных биомассы в химических веществ без какого-либо дополнительного лечения. Кроме того в настоящей работе, концентрация лигнина, представленные в джута биомассы рассчитывается с помощью метода Klason, который может быть преобразован в различные ароматические мономеров18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Пентозанполисульфат присутствует в джута преобразования биомассы в C5, сахар мономеров подтверждается с помощью различных однородных Brønsted кислых катализаторов такие H2т4, HCl и кислой IL. Кроме того каталитические результат кислой IL был по сравнению с ил без кислотности (1-бути…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы поблагодарить министерство науки и технологии (большинство) из Тайваня (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) и цель проекта университета Топ на национальном Тайвань Университет (105R7706) для финансовой поддержки. Мы благодарны Всемирному банку для частичного финансирования этой деятельности через подпроект из высшего образования качество улучшение проекта (HEQEP), полное предложение #2071. Эта работа была также частично поддерживается Университет Вуллонгонга AIIM (золото финансирование).
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).
