Un nuovo metodo per l'analisi di pentosano presente nella biomassa di iuta e la relativa conversione in monomeri di zucchero utilizzando acido liquido ionico
Summary
Vi presentiamo un protocollo per la sintesi degli zuccheri C5 (xilosio e arabinosio) da un rinnovabile biomassa lignocellulosica non commestibili (cioè, iuta) con la presenza di Brønsted Acidi liquidi ionici (balle) come il catalizzatore in acqua. Il catalizzatore BAILs ha esibito prestazioni migliori catalitica di catalizzatori acidi minerali convenzionali (H2SO4 e HCl).
Abstract
Recentemente, liquidi ionici (ILs) sono usati per la valorizzazione di biomasse in preziose sostanze chimiche a causa della loro notevole proprietà quali la stabilità termica, bassa pressione di vapore, non infiammabilità, maggiore capacità di calore e solubilità sintonizzabile e acidità. Qui, dimostriamo un metodo per la sintesi degli zuccheri C5 (xilosio e arabinosio) dal pentosano presente nella biomassa di iuta in un processo di uno-pentola utilizzando una quantità catalitica di Brønsted Acidi 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium idrogeno solforato IL. L’acido IL è sintetizzato in laboratorio e caratterizzati utilizzando tecniche di spettroscopia NMR per comprendere la sua purezza. Le varie proprietà della cauzione sono misurate come acido resistenza, stabilità termica e idrotermale, che ha mostrato che il catalizzatore è stabile ad una temperatura superiore (250 ° C) e possiede altissima resistenza acida (Ho 1,57). L’acido IL converte oltre il 90% del pentosano in zuccheri e furfurolo. Quindi, il metodo di presentazione in questo studio può essere impiegato anche per la valutazione della concentrazione di pentosano in altri tipi di biomassa lignocellulosica.
Introduction
Biomassa ha un grande potenziale come energia rinnovabile e chimica fonte perché è sostenibile, economico e ugualmente distribuita a differenza di risorse fossili, che lo rende uno dei promettenti candidati per sostituire le materie prime fossili. La produzione stimata di biomassa lignocellulosica è 146 miliardi tonnellate metriche all’anno1. La biomassa lignocellulosica è costituita principalmente da lignina, cellulosa ed emicellulosa come suoi tre costituenti principali. La lignina è un polimero aromatico costituito da unità fenilpropanoidi; d’altra parte, cellulosa ed emicellulosa sono le parti di polisaccaride della biomassa lignocellulosica. Cellulosa è composto da unità di glucosio collegati da legame glicosidico β(1→4), considerando che emicellulosa è composta da zuccheri di C5, C6 zuccheri e acidi zucchero collegati tra loro da legami glicosidici β (1→6)2,3, β (1 → 4) e β (1→3). Insieme alla biomassa lignocellulosica vari (bagassa, buccia del riso, paglia di grano, ecc.), la biomassa ligno-cellulosica iuta è anche prodotto in quantità molto grande (ca. 98% nel 2014) in Asia rispetto alla produzione totale di iuta nel mondo. India produce 1.96 x 106 tonnellate di biomassa di iuta mentre Bangladesh produce 1,34 x 106 tonnellate di biomassa di iuta rispetto alla produzione totale di biomassa di iuta al mondo (3,39 x 106 tonnellate) nel 20144. L’utilizzo di questa biomassa non commestibili non sarà in conflitto con la domanda di cibo. Quindi, è vantaggioso utilizzare come un magazzino per la sintesi di una varietà di valore aggiunto prodotti chimici (xilosio, arabinosio, furfurolo, 5-idrossimetilfurfurale (HMF), ecc.). Secondo l’US Department of Energy, furfurolo e HMF sono considerati come alcuni dei top 30 building block prodotti chimici derivati da biomassa5. Il furfurale è ottenuto da xilosio o direttamente da emicellulosa e può essere convertito a molti prodotti chimici importanti. L’alcool furfurilico, Furano di metile e tetraidrofurano sono importanti sostanze chimiche ottenute da furfurolo6. Quindi, la conversione di biomassa ligno-cellulosica come la biomassa di iuta in zuccheri C5 e altre importanti sostanze chimiche è un argomento importante.
Extensive report sono disponibili sui vari metodi catalitici per la conversione della biomassa lignocellulosica in valore aggiunto di prodotti chimici. Gli acidi minerali (HCl e H2SO4) e catalizzatori eterogenei (renderebbe, HMOR, Trente, SAPO-44, ecc.) sono stati utilizzati in modo significativo per la conversione di emicellulosa e biomassa lignocellulosica in zuccheri (zuccheri pentosi ed esoso) e furani (furfurolo e HMF)7,8. La riusabilità e la corrosività del acido minerale è un grosso problema. Tuttavia, con il catalizzatore acido solido, temperatura e pressioni più elevate sono necessarie perché la reazione si verifica sulla superficie del catalizzatore. Per superare questi problemi, recentemente ILs sono segnalati per la valorizzazione della biomassa come un catalizzatore o solvente9,10,11,12,13,14. L’uso di IL come solvente non è un metodo migliore a causa del suo costo più elevato e la pressione di vapore inferiore di ILs che crea difficoltà nella separazione del prodotto. Di conseguenza, è indispensabile utilizzare IL riciclabile come catalizzatore (in piccole quantità) in un sistema solvente dell’acqua per la conversione della biomassa in valore aggiunto prodotti chimici.
Qui, presentiamo un metodo per utilizzare 1-methyl-3-(3-sulfopropyl) imidazolio idrogeno solfato acido IL come il catalizzatore per la conversione diretta di pentosano presente nella biomassa di iuta in monomeri di zucchero senza alcun pretrattamento. Comunemente, ILs sono segnalati per il pretrattamento di biomassa lignocellulosica10,15,16,17 , considerando che la quantità molto grande di ILs è utilizzata per il pretrattamento di biomassa. Quindi, è sempre vantaggioso utilizzare IL come il catalizzatore e per convertire da biomassa lignocellulosica in prodotti chimici senza alcun ulteriore trattamento. Inoltre, nel presente lavoro, la concentrazione di lignina presentata nella biomassa di iuta è calcolata utilizzando il metodo Klason che poteva essere convertito in vari monomeri aromatici18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il pentosano presenti nella conversione di biomassa di iuta in C5 monomeri di zucchero è dimostrata usando vari catalizzatori acidi di Brønsted omogenee ad esempio H2SO4, HCl e acido IL. Inoltre, il risultato catalitico di il IL siliceo è stato confrontato con il IL senza acidità (cloruro di 1-butil-3-methylimidazolium). Tutte le reazioni sono state eseguite in un autoclave Parr a 160 ° C in acqua. L’utilizzo di acidi IL ha mostrato la conversione di pentosano più alta rispetto agli acidi omog…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vorremmo ringraziare il Ministero della scienza e della tecnologia (MOST) di Taiwan (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) e l’obiettivo per il progetto di Università Top al National Taiwan Università (105R7706) per il sostegno finanziario. Siamo grati alla Banca mondiale per il parziale finanziamento di questo lavoro attraverso un sottoprogetto di istruzione superiore qualità Enhancement Project (HEQEP), completa proposta n. 2071. Questo lavoro è stato anche parzialmente supportato da AIIM di Università di Wollongong (finanziamento di oro).
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 |
Referências
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