低コストのイオン液体でリグノセルロース系バイオマスの前処理
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
持続可能な人類のエネルギー需要を満たすことが我々の文明が直面する最大の課題の一つです。エネルギー使用量は、化石燃料資源に大きな負担をかけ、今後50年間で倍増すると予測される。1 CO 2は、燃焼から発生するとして広く普及し、化石燃料の使用による大気中の温室効果ガス（GHG）の蓄積は、特に問題となります化石燃料は、人為的温室効果の50％を担当しています。2したがって、再生可能でカーボンニュートラル技術の大規模なアプリケーションは、将来の世代の増加、エネルギーや材料のニーズを満たすために不可欠である。1、3
熱、電気、ならびに炭素系化学物質、物質および燃料を産生するために使用することができる植物バイオマスは、最も汎用性の高い再生可能な資源です。他のバイオマスの種類を超えるリグノセルロース系バイオマスの主な利点は、その豊富な、高収率のPEのための潜在的ですr個の土地の面積と、多くの場合、土壌中の炭素の高い保持を含み、はるかに高いCO 2排出量の削減、。4、バイオマスを使用しての5その他の利点は、ローカルの可用性、低資本要件エネルギーにバイオマスを変換するため、および土壌浸食防止を含む。8
リグノセルロース原料の主要な生産は、林業や農業分野だけでなく、都市廃棄物管理である。6リグノセルロース生産が森林伐採を制限し、食用作物や潜在的な汚染物質の放出交換を回避する心で、展開する可能性を秘めている。7再生可能なバイオマスが液体輸送燃料や化学物質の実行可能な広範囲の源になるためには、その処理は、化石燃料の変換技術と経済的に競争力になる必 要があります。9、10、これを達成するための鍵を削減しながら、バイオマス由来の中間体の収量と品質を高めることですコスト。</ P>
リグノセルロースは、触媒および微生物変換を経由して燃料や化学物質に変換することができ、糖の割合が高いが含まれています。11これらの糖は、セルロースやヘミセルロースなどのポリマー形態でリグノセルロース中に存在しています。これらは、グルコースおよび他の糖モノマーに加水分解した後、バイオエタノールおよび他の生物由来の化学物質および溶媒を製造するために使用することができる。12
セルロース系糖をアクセスするためには、バイオマスの前処理は、物理的、化学的、または複合プロセスを通じて必要がある。4前処理は間違いなくリグノセルロース系バイオマスの物価安定政策の中で最も高価なステップです。したがって、改善された前処理プロセスの研究が不可欠です。
様々な前処理技術が利用可能です。特に興味深いのは、セルロース（fractionative前処理）からリグニンを分離するものです。リグニン、第3の主要コンポーネントでリグノセルロース、セルロースやヘミセルロースにエージェントを加水分解の限界へのアクセスとは、原料のトン当たり糖収量が減少します。11それは、適切な品質で単離される場合に分離リグニンは、中間の追加のバイオリファイナリーとして利用することができる。13 One fractionativeプロセスは、クラフト法であります紙/セルロースの製造のための最も一般的な前処理です。クラフトパルプ化では、木材チップを水酸化ナトリウムと硫化ナトリウムと高圧下の周りに170°Cの高温で加熱された混合物中に配置されている。14、アルカリ性反応は、求核介し短い断片にポリマーを分解し、ヘミセルロース及びリグニンを除去し塩基触媒、及びフェノール性水酸基/アルコール基の脱プロトン化を介して、リグニン断片を溶解することによって。別の一般的な脱リグニンプロセスはまた、フラグメント化リグニンやヘミセルロースを溶解オルガノプロセスです。むしろアルカリaqueoを使用するよりも米国溶液は、例えばエタノール、酢酸等の有機溶剤が160〜200℃で5〜30バールの圧力の範囲の高温で使用されます。オルガノ前処理は、それがより少ない空気や水の汚染を生成することでパルプ化クラフトを超えるいくつかの利点があります。15むしろセルロースよりも、化学物質や燃料の生産のために使用した場合の両方のプロセスは、いくつかの経済的課題を有している。16 Ionosolvの前処理はその塩であるイオン性液体を、使用していますそれらの強力なクーロン相互作用は、非常に低い蒸気圧の結果、100℃以下の融点を有し、17これは、前処理工程において大気汚染を排除し、そして大気圧または大気圧近傍の処理を可能にします。
ほとんどのILが面倒、多段階合成で作成されているが、プロトン性イオン液体は、それらはより高価になる汎用化学品から一段階プロセスで合成することができます。のためにいくつかのイオン液体は、バルクスケールで製造することができたと推定されていますアセトン、トルエン18比較的低い温度および圧力で動作するプロセスでこれらのカスタマイズ可能なイオン液体をリサイクルして再利用する機能など、一般的な有機溶媒に匹敵するキログラム当たり$ 1.24価格はより良性の代替と経済的に魅力的な候補にこれを作りますバイオリファイニングのために。
この詳細ビデオプロトコルは、リグノセルロース系バイオマスの脱リグニンとセルロースが豊富なパルプだけでなく、高純度無臭リグニンの回復の最終的な酵素糖化のためのIonosolvプロセスの実験室規模のバージョンを示しています。19
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで紹介するリグノセルロース系バイオマスの分別のための技術は、セルロースが豊富なパルプとリグニンを生成します。ヘミセルロースの大部分は、イオン液体に溶解し、加水分解が、リカバリされません。ヘミセルロース糖が所望される場合、Ionosolv脱リグニンの前にヘミセルロース予備抽出工程が必要であってもよいです。イオン性液体の液中に検出されたすべての分解生成物、リ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、松の前処理のための実験データを提供するための資金とピエール・ブーヴィエのための気候変動と環境のためのグランサム研究所、気候-KICとEPSRC（EP / K038648 / 1およびEP / K014676 / 1）を認めます。
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 |
Referências
- Lewis, N. S., Nocera, D. G. Powering the planet: chemical challenges in solar energy utilization. Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 103 (43), 15729-15735 (2006).
- Dincer, I. Renewable energy and sustainable development: a crucial review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 4 (2), 157-175 (2000).
- Zweibel, K., Mason, J., Fthenakis, V. A solar grand plan. Sci. Am. 298 (1), 64-73 (2008).
- Lee, J. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. J. Biotechnol. 56 (1), 1-24 (1997).
- Carrott, P., Ribeiro Carrott, M. Lignin-from natural adsorbent to activated carbon: A review. Bioresour.Technol. 98 (12), 2301-2312 (2007).
- Cardona Alzate, C., Sánchez Toro, O. Energy consumption analysis of integrated flowsheets for production of fuel ethanol from lignocellulosic biomass. Energy. 31 (13), 2447-2459 (2006).
- Field, C. B., Campbell, J. E., Lobell, D. B. Biomass energy: the scale of the potential resource. Trends Biochem Sci. 23 (2), 65-72 (2008).
- Hoogwijk, M., et al. Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy. Biomass Bioenergy. 25 (2), 119-133 (2003).
- Goldemberg, J. Ethanol for a sustainable energy future. Science. 315 (5813), 808-810 (2007).
- Himmel, M. E., et al. Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production. Science. 315 (5813), 804-807 (2007).
- Mosier, N., et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresour.Technol. 96 (6), 673-686 (2005).
- 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).
- Hu, F., Ragauskas, A. Suppression of pseudo-lignin formation under dilute acid pretreatment conditions. RSC Advances. 4 (9), 4317-4323 (2014).
- Chakar, F. S., Ragauskas, A. J. Review of current and future softwood kraft lignin process chemistry. Ind Crop Prod. 20 (2), 131-141 (2004).
- Mutjé, P., Pelach, M., Vilaseca, F., García, J., Jiménez, L. A comparative study of the effect of refining on organosolv pulp from olive trimmings and kraft pulp from eucalyptus wood. Bioresour.Technol. 96 (10), 1125-1129 (2005).
- Zhao, X., Cheng, K., Liu, D. Organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic hydrolysis. Appl. Microbiol. Biotechnol. 82 (5), 815-827 (2009).
- Brandt, A., Gräsvik, J., Hallett, J. P., Welton, T. Deconstruction of lignocellulosic biomass with ionic liquids. Green Chem. 15, 550 (2012).
- Chen, L., et al. Inexpensive ionic liquids:[HSO 4]−-based solvent production at bulk scale). Green Chem. 16 (6), 3098-3106 (2014).
- Brandt, A., Chen, L., van Dongen, B. E., Welton, T., Hallett, J. P. Structural changes in lignins isolated using an acidic ionic liquid water mixture. Green Chem. 17, 5019-5034 (2015).
- Sluiter, A., et al. NREL/TP-510-42621. Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples. , (2008).
- Sluiter, A., et al. NREL/ TP – 510 – 42618Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. , (2011).
- Resch, M. G., Baker, S. R., Decker, NREL/TP-5100-63351. Low Solids Enzymatic Saccharificatin of Lignocellulosic Biomass. , (2015).
- Brandt, A., Ray, M. J., To, T. Q., Leak, D. J., Murphy, R. J., Welton, T. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
- Aver, K., Scortegagna, A., Fontana, R., Camassola, M. Saccharification of ionic-liquid-pretreated sugar cane bagasse using Penicillium echinulatum enzymes. J Taiwan Inst Chem Eng. 45 (5), 2060-2067 (2014).
- George, A., et al. Design of low-cost ionic liquids for lignocellulosic biomass pretreatment. Green Chem. 17 (3), 1728 (2015).
- Verdía, P., Brandt, A., Hallett, J. P., Ray, M. J., Welton, T. Fractionation of lignocellulosic biomass with the ionic liquid 1-butylimidazolium hydrogen sulfate. Green Chem. 16 (3), 1617-1627 (2014).
- Brandt, A., et al. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
