الأمونيا الألياف التوسع (AFEX) المعالجة المسبقة للالكتلة الحيوية Lignocellulosic
Summary
توسع ألياف الأمونيا (AFEX) هي تقنية المعالجة المسبقة الكيميائية الحرارية التي يمكن أن تحول الكتلة الحيوية الليغنوسيلولوسية (على سبيل المثال، الذرة، قش الأرز، وقصب السكر bagasse) إلى مادة وسيطة قابلة للهضم للغاية لكل من الوقود الحيوي وتطبيقات الأعلاف الحيوانية. هنا، نحن نصف طريقة على نطاق المختبر لإجراء المعالجة المسبقة AFEX على الكتلة الحيوية lignocellulosic.
Abstract
المواد Lignocellulosic هي مواد وسيطة مشتقة من النباتات، مثل مخلفات المحاصيل (مثل الذرة، وقش الأرز، وقصب السكر bagasse) ومحاصيل الطاقة المزروعة لهذا الغرض (على سبيل المثال، miscanthus، وswitchgrass) التي تتوفر بكميات كبيرة لإنتاج الوقود الحيوي والمواد الكيميائية الحيوية والأعلاف الحيوانية. السكريات النباتية (أي السليلوز والهيميسلولوز والبكتين) المضمنة داخل جدران الخلايا هي متمردة للغاية نحو التحويل إلى منتجات مفيدة. توسع ألياف الأمونيا (AFEX) هو المعالجة المسبقة للكيماويات الحرارية التي تزيد من إمكانية الوصول إلى السكريات إلى الإنزيمات للتحلل المائي في السكريات القابلة للتخمير. ويمكن تحويل هذه السكريات المنبعثة إلى أنواع من الوقود والمواد الكيميائية في مصفاة حيوية. هنا، نحن نصف عملية AFEX دفعة على نطاق المختبر لإنتاج الكتلة الحيوية المعالجة مسبقا على نطاق غرام دون أي إعادة تدوير الأمونيا. ويمكن استخدام العملية المختبرية لتحديد الظروف المثلى للمعالجة المسبقة (مثل تحميل الأمونيا، وتحميل المياه، وتحميل الكتلة الحيوية، ودرجة الحرارة، والضغط، ووقت الإقامة، وما إلى ذلك) وتولد كميات كافية من العينات المعالجة مسبقاً للتوصيف الفيزيائي الكيميائي المفصل والتحليل الأنزيمي/الميكروبي. ومقارنة غلة السكريات القابلة للتخمير من التحلل المائي الأنزيمي لدرج الذرة المعالج مسبقاً باستخدام عملية AFEX على نطاق المختبر بعملية AFEX على نطاق تجريبي في ظل ظروف معالجة مسبقة مماثلة. والغرض من هذه الورقة هو توفير إجراء تشغيلي موحد مفصل للتشغيل الآمن والمتسق للمفاعلات المختبرية لإجراء المعالجة المسبقة للكتلة الأحيائية الليغنوسيلولوسية من AFEX.
Introduction
توسع ألياف الأمونيا (AFEX) هو المعالجة المسبقة للكيماويات الحرارية التي تستخدم الأمونيا المتطايرة كتفاعل رئيسي للمعالجة المسبقة للكتلة الحيوية السليلوزية. تم اختراع هذه العملية في الأصل من قبل بروس دايل للحد بشكل فعال من حيث التكلفة recalcitrance من الكتلة الحيوية lignocellulosic وتعزيز بيولوجيا تحفيز الكتلة الحيوية المعالجة مسبقا التفكيك إلى السكريات القابلة للتخمير1,2. على عكس معظمالمعالجاتالمسبقة الحرارية المائية الأخرى 3 ، AFEX هي عملية جافة إلى جافة لا تسبب أي تغيير كبير في تكوين الكتلة الحيوية ولا تتطلب أي خطوة غسيل مع توليد النفايات المرتبطة بها ونفقاتها. وقد ثبت استرداد الأمونيا المتطايرة الزائدة على النطاق التجريبي، مما أدى إلى انخفاض تكاليف توليد النفايات وتجهيزها. يقوم نظام مفاعل AFEX المعبأ على نطاق تجريبي بسرير AFEX الذي طورته MBI(الشكل 1)باستعادة الأمونيا المتبقية باستخدام تجريد البخار ونقل الأمونيا الساخنة المركزة إلى سرير جديد معبأ4،5. بعد المعالجة المسبقة AFEX ، فإن الكميات البسيطة من النيتروجين المدمجة في الكتلة الحيوية قابلة للاستخدام كنيتروجين غير بروتين بواسطة الحيوانات المجترة والكائنات الحية الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك ، عن طريق تغيير التركيبة الفوقية للكتلة الحيوية من خلال مختلف الآليات الفيزيائية الكيميائية6،7،8، AFEX يزيد من إمكانية الوصول إلى الكتلة الحيوية إلى الإنزيمات النشطة للكربوهيدرات (CAZymes) ويزيد من معدلات التحلل المائي السكري من قبل عدة أضعاف8،9، مما يزيد أيضًا من إمكانية هضمه بواسطة الحيوانات المجترة عبر ميكروبيومالليتيك4،10،1111،12. وقد استخدم المزارعون منذ فترة طويلة نسخة أبسط من هذه الطريقة لزيادة هضم الأعلاف المجترة عن طريق احتضان الكتلة الحيوية لأيام أو أسابيع تحت الأقمشة البلاستيكية في وجود تحميلات الأمونيا اللامائية المنخفضة (<4% w/w أساس الكتلة الحيوية الجافة) والضغوط المحيطة ودرجات الحرارة10,11.
تم التحقيق في الأمونيا اللامائية لأول مرة لقدرتها على delignify الخشب في 1950s وكمادة كيميائية اللب في أوائل 1970s13،14،15،16،17،18. في أوائل 1980s، ضغط، وارتفاع درجة الحرارة، الأمونيا المركزة (> 30٪ NH4OH) في ظل ظروف دون الحرجة تم استخدامها لأول مرة في مختبر دايل لتعزيز الهضم الأنزيمي والتخمير الميكروبي للكتلة الحيوية lignocellulosic19. خضعت هذه العملية لعدة تغييرات في الاسم على مر السنين ، بدءًا من انفجار تجميد الأمونيا ، ثم انفجار ألياف الأمونيا ، وأخيراً ، توسع ألياف الأمونيا ، أو ببساطة AFEX. حول هذا الوقت نفسه (منتصف أواخر 1980s), دوبونت (الآن داو دوبونت) كما استكشفت باستخدام فائقة الحرجة وشبه الحرجة الأمونيا اللامائية القائمة على عمليات المعالجة المسبقة لزيادة هضم الكتلة الحيوية20,21,22. في العقود الأخيرة ، كان هناك تركيز متزايد على استخدام حلول الأمونيا المائية المخففة ككاشف ما قبل المعالجة بما في ذلك إعادة تدوير الأمونيا / البيروفية23 (ARP) ، أو نقع الأمونيا المائية (SAA) ، أو عملية Dow-DuPont دون إعادة تدوير الأمونيا24. وقد بحثت بعض الطرق الإضافية في استخدام الأمونيا اللامائية (الأمونيا اللامائية منخفضة الرطوبة (LMAA)، والأمونيا منخفضة السائلة قبل المعالجة25 (LAA). تم مؤخرا تطوير اثنين من التكنولوجيات المتقدمة الجديدة من نوع الجينوسولف المعالجة المسبقة باستخدام الأمونيا اللامائية السائلة26،27 والأمونيا الملح القائم على حلول28 في السائل العالي لتحميل الصلبة التي تمكن من كسر اللجنين الانتقائي والتحلل المائي الأنزيمية عالية الكفاءة من الكتلة الحيوية السليلوزية المعالجة مسبقا في تحميل الإنزيمات منخفضة للغاية. وقد سلط مقال استعراض يُنشر مؤخراً الضوء على أوجه التشابه والاختلافات الواضحة بين مختلف أشكال المعالجة المسبقة القائمة على الأمونيا29. ومع ذلك ، حتى وقت قريب4، لم تكن هناك عروض تجريبية على نطاق تجريبي لعمليات المعالجة المسبقة القائمة على الأمونيا (مثل AFEX) التي كانت مقترنة بكفاءة مع إعادة تدوير المواد الكيميائية ذات الحلقة المغلقة من الأمونيا المركزة المستخدمة في هذه العملية.
في هذه الورقة، نصف بالتفصيل بروتوكول AFEX الأكثر استخداما ً للمعالجة المسبقة للكتلة الحيوية السليلوزية على مقياس المختبر لإنتاج جداول جرام من الكتلة الحيوية المعالجة مسبقًا (على سبيل المثال، 1 إلى عدة 100 غرام). عادة، يتم خلط الكتلة الحيوية مع الماء (0.1-2.0 غرام H2O/g الكتلة الحيوية الجافة) وتحميلها في أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ بنيت خصيصا أو المفاعلات نوع بار. ثم يتم إضافة الأمونيا اللامائية (0.3-2.0 غرام NH3/g الكتلة الحيوية الجافة) إلى المفاعل ويتم تسخين الخليط إلى درجة حرارة التفاعل المطلوبة (60-180 درجة مئوية). بدأت المنشورات السابقة حول عملية AFEX من الثمانينيات إلى التسعينيات وقت الإقامة قبل المعالجة (على سبيل المثال، 5-60 دقيقة) مباشرة بعد منحدر درجة الحرارة. ومع ذلك ، كما تحدث ردود الفعل بمجرد إضافة الأمونيا إلى المفاعل ، فإن الإجراء الحالي AFEX هو البدء في مراقبة وقت الإقامة مباشرة بعد إضافة الأمونيا إلى المفاعل. بالنسبة لدرجات حرارة 90 درجة مئوية أو أكثر ، غالبًا ما يكون من الضروري تسخين الكتلة الحيوية قبل تحميل الأمونيا من أجل الحفاظ على درجة الحرارة الأولية المنحدرة إلى فترة زمنية دنيا (أي 5 دقيقة). عند الانتهاء من وقت الإقامة ، يتم فتح صمام للإفراج عن الضغط بسرعة ، ومحتويات مرحلة الغاز في غطاء محرك السيارة الدخان الكيميائي المناسب. كما يؤدي التحويل السريع للالأمونيا من مرحلة السائل إلى مرحلة الغاز إلى تهدئة المفاعل. ويمكن في كثير من الأحيان تفريغ المفاعلات الصغيرة (حجم المفاعل الذي يبلغ 100 مل) في غطاء الدخان على الفور، في حين أن المفاعلات الأكبر حجماً (أكثر من 100 مل من حجم المفاعل) قد تحتاج إلى وقت إضافي لتبريدها. ولسلامة المستخدم، على نطاق أوسع (أكثر من 100 غرام من الأمونيا لكل مفاعل)، يوصى بالتطهير بالنيتروجين لإزالة أكبر قدر ممكن من الأمونيا المتبقية من السفينة والمساعدة في تبريد محتويات المفاعل قبل التفريغ. عادة، يتم إجراء أي محاولة على نطاق المختبر لإعادة تدوير و / أو استرداد الأمونيا. كان أحد تحديات التصميم الرئيسية لتوسيع نطاق عملية المعالجة المسبقة AFEX هو إعادة تدوير الأمونيا بأقل قدر ممكن من رأس المال وتكاليف التشغيل. أيضا، إضافة الأمونيا السائلة إلى الكتلة الحيوية عموما يدفع الوميض الجزئي للسائل الذي يبرد الكتلة الحيوية، مما يتطلب تسخين خليط الأمونيا الكتلة الحيوية قبل أن يبدأ العلاج AFEX. وبدلاً من إضافة الأمونيا كسائل، فإن إضافة بخار الأمونيا إلى الكتلة الحيوية يوفر ميزتين: أولاً، تسمح المسامية العالية للكتلة الحيوية السائبة بنقل بخار الأمونيا بسرعة، مما يؤدي حتى إلى توزيع الأمونيا في جميع أنحاء الكتلة الحيوية. ثانياً، يذوب بخار الأمونيا بسهولة وبشكل مثير للحرارة في الماء المدربين في الكتلة الحيوية الرطبة، مما يؤدي إلى توليد الحرارة التي تسخن الكتلة الحيوية بسرعة وبالتساوي. لاستغلال هذه المزايا، قام كل من مختبر MSU Dale وMBI بتطوير طرق معالجة AFEX باستخدام بخار الأمونيا. وقد وضعت مختبر ديل المعالجة المسبقة الأمونيا الغازية (GAP) عملية30، وMBI قد وضعت معبأة السرير AFEX عملية المفاعل(الشكل 1)4، والتي تم إثباتها على نطاق تجريبي. السرير معبأة AFEX نظام مفاعل قادر على عملية وضع نصف دفعة مع إعادة تدوير كاملة من الأمونيا باستخدام طريقة تجريد البخار4،5. هذه العملية التجريبية الجديدة MBI تستغل الخصائص الكيميائية والفيزيائية للالأمونيا لتراجع الكتلة الحيوية بكفاءة مع إعادة تدوير الأمونيا بكفاءة.
هنا ، نقدم مخططًا تفصيليًا لإجراء معالجة AFEX مسبقًا لدرج الذرة على نطاق المختبر باستخدام مفاعلات أنبوبية بحجم 200 مل حسب الطلب(الشكل 2). تم هضم عينات AFEX المعالجة مسبقًا إلى السكريات القابلة للتخمير باستخدام كوكتيلات إنزيم الخلايا المتاحة تجاريًا لإثبات فعالية عمليات المعالجة المسبقة. وقورنت نتائج التحلل المائي الأنزيمي لمفاعل AFEX على نطاق المختبر بعينات توليدها من مفاعل AFEX على نطاق تجريبي أكبر. هدفنا هو توفير إجراء تشغيل قياسي للتشغيل الآمن والمتسق للمفاعلات المضغوطة على نطاق المختبر لإجراء المعالجة المسبقة AFEX على الكتلة الحيوية السليلوزية مثل الذرة. يتم تسليط الضوء على مزيد من المعلومات الداعمة الإضافية بشأن الاختلافات في عملية المعالجة المسبقة AFEX على نطاق المختبر (على سبيل المثال ، عملية AFEX السرير المعبأة على نطاق تجريبي) في ملف PDF التكميلي المصاحب. سيتم تسليط الضوء على تقرير مفصل عن الخطوات التشغيلية لعملية AFEX معبأة في منشور منفصل وهو متاح عند الطلب من MBI-MSU.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف بروتوكول AFEX كيفية معالجة المواد النباتية في وجود الأمونيا المائية والماء في درجات حرارة مرتفعة لزيادة هضم مواد المعالجة المسبقة بواسطة الإنزيمات الخلوية و / أو الميكروبات. AFEX فعالة للغاية على أنواع الغرامينويد الأحادية (على سبيل المثال، الذرة stover، switchgrass، miscanthus، قش الأرز، قش القمح، وقصب السكر bagasse) نظرا لكفاءة عملية لشكيس روابط استر التي هي وفيرة بشكل طبيعي في هذه المواد31. AFEX هو أقل فعالية بكثير على الكتلة الحيوية المستمدة من dicots وgymnosperms (الأخشاب الصلبة، softwoods، وforbs الأصلية)32،33 بسبب نسبة أصغر من وصلات استر اللجنين القائم على الكربوهيدرات. ومع ذلك ، عندما يتم إدخال هذه الروابط في جدران الخلايا الخشبية باستخدام التكنولوجيا الحيوية النباتية ، تصبح عملية المعالجة المسبقة AFEX أكثر فعالية34.
الانقسام من الروابط استر يسمح بعض مكونات الكتلة الحيوية لإزالة من المواد، ولكن إعادة إيداعها كالصناعات الاستخراجية على أسطح جدار الخلية الخارجية، مما أدى إلى تشكيل ثقوب النانو التي تسهل اختراق والعمل من الإنزيمات السليلوسية6. AFEX الذرة المعالجة مسبقا stover أظهرت زيادة ما يقرب من 3 أضعاف في معدل الإفراج عن الجلوكوز وxylose بعد التحلل المائي الأنزيمية تحت ظروف المواد الصلبة العالية مقارنة مع المواد غير المعالجة. المعالجات الأولية الأمونيا تنتج أيضا أقل وأقل بكثير من منتجات التحلل المثبطة مقارنة مع تخفيف حمض المعالجة المسبقة35. أظهرت مقارنة سابقة من AFEX وstover الذرة المُعالجة بالحمض المخفف أن المعالجة المسبقة للحمض المخفف تنتج 316٪ أكثر من الأحماض، و 142٪ أكثر من العطريات، و 3555٪ أكثر من ألدهيدات الفوران من AFEX36، وكلها يمكن أن تكون مثبطة للكائنات الحية الدقيقة35،37. وبما أن AFEX هي عملية جافة إلى جافة ، فلا يوجد أيضًا فقدان للسكريات كتيار سائل مخفف لا يمكن استخدامه اقتصاديًا أثناء التحلل المائي الأنزيمي. ومع ذلك، هذا لا يؤدي إلى مضاعفات كما الإنزيمات مع كل من السليلوز المهينة والقدرة على التحلل هيميسيلولوز مطلوب لكسر تماما polysaccharides جدار الخلية خلال التحلل المائي الأنزيمي في السكريات القابلة للتخمير مختلطة مثل الجلوكوز والزيلوز. وقد أفيد أن القلة الهيميسلولوسيك تمنع نشاط الخلايا38، والتي يمكن أن تتطلب تحميل إنزيم أعلى للحفاظ على ارتفاع غلة السكر النهائي. ومع ذلك، يمكن تحسين الكوكتيلات إنزيم مناسبة تقليل الاستخدام الكلي للإنزيم أثناء saccharification من الكتلة الحيوية AFEX المعالجة مسبقا39،,40،,41،,42،,43،,44،,45. خلال عملية المعالجة المسبقة AFEX يؤدي التحلل المائي والتحلل من الروابط استر إلى تشكيل حمض ومنتجات أميدي في الكتلة الحيوية المعالجة مسبقا (على سبيل المثال، حمض الخليك / الأسيتاميد، حمض الفيروليك / فيرولاميد، حمض الكوماريتش / coumarylamide)36. على الرغم من أن تكوين أميد قد ثبت للمساعدة في عملية التخمير، وجودها في تركيزات عالية جدا في المواد الخام المعالجة مسبقا يمكن أن يكون مصدر قلق إذا تغذية الحيوانات الكتلة الحيوية المعالجة مسبقا. يمكن استخدام التحلل قبل التحلل المائي لروابط استر مع القلويات مثل NaOH أو Ca (OH)2 قبل المعالجة المسبقة AFEX لمعالجة هذه المشكلة.
هناك عدد من اعتبارات السلامة يجب وضعها في الاعتبار عند العمل مع الأمونيا اللامائية أثناء عملية AFEX. يتفاعل الأمونيا اللامائية مع النحاس والنحاس والألومنيوم والكربون الصلب والبوليمرات الفلورية الشائعة المستخدمة في الأختام (مثل فيتون ، وما إلى ذلك). يجب أن يتم إجراء أي أنابيب أو مكونات المفاعل التي قد تأتي في اتصال مع الأمونيا من الفولاذ المقاوم للصدأ، والحشايكات، ومقاعد الصمام، وأختام الاتصال السريع من تفلون أو كالريز عندما يكون ذلك ممكنا. لا يعتبر الأمونيا مادة كيميائية سامة ، ولكنه لا يزال خطيرًا بسبب خصائصه التنظيرية والمبردة. فإنه يستهدف بسهولة ويمكن أن تلحق ضررا بالغا الأغشية المخاطية في العينين والجهاز التنفسي. الأمونيا هي سائل مبرد ة وتسرب الأمونيا يمكن أن يسبب قضمة الصقيع الشديدة بسبب الاتصال المباشر مع تيار الغاز أو المعدات المبردة. الأمونيا هي على الفور خطرة على الحياة والصحة (IDLH) بتركيزات فوق 300 جزء في المليون. يجب على العمال الإخلاء على الفور في حالة تجاوز التركيز 50 جزء في المليون. يوصى بأن يرتدي المشغلون جهاز مراقبة الأمونيا المعايرة للتحذير من التركيزات الخطرة في محيطهم. تركيب أجهزة الاستشعار مع أجهزة الإنذار في منطقة العمل الرئيسية هو أيضا من المستحسن. يجب تدريب العمال الذين يتعاملون مع الأمونيا بشكل صحيح وارتداء معدات واقية مثل أجهزة التنفس الواقية المزودة بخراطيش الميثيلامين ، والقفازات الواقية من التبريد والحرارة ، والاستعداد للتعامل مع حالات الطوارئ. في حالة التعرض للالأمونيا اللامائية ، يجب على المشغل الانتقال إلى الأمان ومسح المنطقة المصابة على الفور بالماء لمدة 15 دقيقة على الأقل. وينبغي أن تجرى عملية المعالجة المسبقة للالأمونيا داخل غطاء الدخان، وينبغي تخزين اسطوانة الأمونيا إما في غطاء الدخان أو خزانة التهوية. بعد التجربة ، سيكون لدى الكتلة الحيوية المعالجة مسبقًا بعض الأمونيا المجانية المتبقية ويجب تجفيفها إما في غطاء السيارة بين عشية وضحاها أو في صندوق تجفيف مخصص التهوية قبل التخزين في أكياس بلاستيكية في درجة حرارة الغرفة لإجراء تجارب المتابعة. وتشمل بعض اعتبارات السلامة الرئيسية الأخرى تركيب نظام توصيل الأمونيا مع مقياس تدفق من شأنه أن يساعد على تسليم الأمونيا بدقة إلى المفاعل ومفاعل مصمم للتعامل مع ما لا يقل عن 1.5 مرة الضغط الذي ستخضع له عملية المعالجة المسبقة (على سبيل المثال، للتعامل مع عملية AFEX في 2 × 106 السلطة الفلسطينية الضغط، يجب أن يكون الحد الأدنى لتقييم الضغط من المفاعل 3 × 106 باسكال).
AFEX المعالجة المسبقة هي طريقة واعدة لإنتاج الكتلة الحيوية النباتية القابلة للهضم للغاية التي يمكن استخدامها مباشرة كعلف للحيوانات أو كمادة وسيطة لتوليد الوقود والمواد الكيميائية. وإلى جانب هاتين الصناعتين، قد تجد AFEX الاستخدام في مجالات أخرى مثل المواد الخام المتجددة بيولوجيا لصنع المواد الحيوية، أو كمادة وسيطة لإنتاج الغاز الحيوي. ويمكن إجراء العملية على نطاق المختبر في مختبر مجهز بحيز التهوية المناسب واحتياطات السلامة، ويؤكد عملنا الحالي أن عملية AFEX المكبرة هذه تظهر نتائج مماثلة للمواد المتولدة في مفاعل AFEX موسع و/أو تجريبي. ويمكن استخدام عملية AFEX على نطاق المختبر لاختبار المواد الخام وظروف المعالجة والتطبيقات بطريقة إنتاجية أعلى، مع توفير توقع معقول لكيفية أداء العملية على المستويات التجريبية أو الصناعية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تستند هذه المواد إلى العمل المدعوم جزئيًا من مركز أبحاث الطاقة الحيوية في البحيرات الكبرى، ووزارة الطاقة الأمريكية، ومكتب العلوم، ومكتب البحوث البيولوجية والبيئية تحت أرقام الجوائز DE-SC0018409 وDE-FC02-07ER64494. ريبيكا أونغ تعترف بدعم جزئي من جامعة ميشيغان التكنولوجية (تمويل الشركات الناشئة). يعترف شيشر تشونداوات بالدعم الجزئي من جائزة CBET للمؤسسة الوطنية الأمريكية للعلوم (1604421)، وجائزة ORAU Ralph E. Powe، وكلية روتجرز للهندسة (تمويل الشركات الناشئة). بروس دايل يعترف بدعم جزئي من جامعة ولاية ميشيغان AgBioResearch مكتب وأيضا وزارة الزراعة والمعهد الوطني للأغذية والزراعة. فينكاتيش بالان يعترف بدعم جزئي من ولاية تكساس وجامعة هيوستن (تمويل الشركات الناشئة). يعترف موظفو MBI بالدعم الجزئي من وزارة الطاقة الأمريكية ومؤسسة جامعة ولاية ميشيغان. وأخيرا، نود أن نكرس هذه الورقة لمرشدنا والمؤلف المشارك البروفيسور بروس ديل لإلهامنا لتحقيق حلمنا بشكل تعاوني في صنع الوقود الحيوي السليولوزي المستدام.
Materials
| Safety Equipment/PPE | |||
| Ammonia Monitor | CanarySense | BW GAXT-A-DL | Single gas detector, Ammonia (NH3), 0 to 100 ppm |
| Cryogenic gloves | Amazon | B01L8WA238/B01L8WA1H0/B01L8WA1O8 | Keep hands protected when handling liquid ammonia |
| Ear muffs | 3M | H7A | Ear muffs to protect hearing when releasing ammonia at end of pretreatment |
| Face shield | – | – | Wear while handling ammonia |
| Heat protective gloves | Grainger | 2EWX1/2EWX2/2EWX3 | Showa heat resistant gloves, max temperature 500°F |
| Nitrile gloves | – | – | Wear while mixing biomass to prevent contamination |
| Reagents | |||
| Anhydrous Ammonia Compressed Gas Cylinder | – | – | An anhydrous ammonia compressed gas cylinder with a dip tube is required for this process. The dip tube is essential in order to withdraw liquid ammonia from the cylinder. |
| Distilled water | – | – | Used to add water to the biomass to achieve the desired water loading |
| Milled or Chopped Corn Stover | – | – | Corn stover is not readily commercially available. Contact local farmers or agricultural extension if you wish to locate some. |
| Nitrogen Compressed Gas Cylinder | – | – | |
| Equipment | |||
| Ammonia Cylinder Adapter | – | – | CGA fitting that depends on the gas cylinder. Matheson is a good source. Some require teflon gaskets. This connects the cylinder to the ammonia delivery system. A regulator is not necessary as the system uses liquid ammonia. |
| Ammonia Delivery System (Figure 4) | Swagelok | Misc. | Stainless steel pressure cylinder and components, valves, check valves, and gauges were used for all lines potentially in contact with ammonia. |
| Analytical Balance | Sartorius | CPA4202S | Balance used for preparing biomass and weighing the reactors. Toploading balance, 4200g x 0.01g |
| Chemraz O-rings | Harvard Apparatus | 5013091 | Ammonia-resistant o-rings for the SS syringe |
| Custom Tubular Reactors (Figure 3) | Parts were purchased from McMaster-Carr, Swagelok, Omega, and Motion Industries (Dixon Fittings) | Misc. | To be compatible with ammonia, the custom reactor was constructed from stainless steel components (sanitary tube and fittings, compression fittings, quick connect, pressure gauge, thermocouple), and teflon gaskets. The maximum pressure rating of the vessel is 1500 psig, which is the maximum pressure rating of the bolted sanitary clamps. |
| Drying Box | – | – | Optional: an enclosed system for drying is necessary if planning to do microbial experiments to avoid contamination. Avoid drying at elevated temperatures. |
| High Pressure Syringe Pump | Harvard Apparatus | 70-3311 | Infuse/Withrdraw PHD ULTRA HPSI Programmable Syringe Pump for transferring liquid ammonia |
| Moisture Analyzer | Sartorius | MA35 | Moisture analyzer for determining moisture content of biomass prior to pretreatment. |
| Nitrogen Delivery | Misc. | Misc. | Nitrogen compressed gas cylinder, inert gas regulator (at least 1000 psig max pressure rating), lines, and valves. |
| Ratchet wrench and 7/8" socket | – | – | Ratchet and socket to quickly tighten and open bolts on the sanitary clamp. Can be purchased anywhere. |
| Retractable Thermocouple Cables | Omega | RSC-K-3-4-5 | Retractable thermocouple cable. You need one for each reactor. |
| Stainless Steel Syringe | Harvard Apparatus | 702261 | Stainless steel syringe for tranferring ammonia to the reactors. |
| Temperature Monitor | Omega | HH12B | Dual input temperature monitor. You need one for every two reactors. |
| Voltage Controller | McMaster-Carr | 6994K11 | Variable-Voltage Transformer for controlling heating to the reactors. You need one for each reactor. |
| Supplies | |||
| Metal Scoops, Spoons and/or Spatulas | – | – | For transferring biomass for weighing, mixing, transferring into the reactor and removing from the reactor at the end of the run |
| Plastic Bowls or Tubs | – | – | Used for mixing the biomass with the water. Any bowl or tub could be used. |
| Spray Bottle | – | – | Used to add water to the biomass to achieve the desired water loading |
| Wide-Mouth Funnel | – | – | Any funnel that has a bottom opening 0.5-1.0 inches diameter. |
| Wooden Dowel | – | – | 1-1.5" diameter wooden dowel to assist with loading/unloading the reactor |
| Consumables | |||
| Glass Wool | Sigma-Aldrich | CLS3950-454G | For packing the top of the reactor to prevent biomass escape and clogging the tubing |
| Plastic Press-to-Close Bags | McMaster-Carr | 1959T24 | Bags for storing processed samples and for transferring to drying box |
| Plastic Tote | – | – | Used to transfer pretreated biomass to an alternate location for drying |
| Plastic Weighboats or Metal Trays | – | – | Used to catch the biomass when removing from the reactors, and for storing the samples while drying |
References
- Dale, B. E., Henk, L. L. Response of Lignocellulosic Materials to Ammonia Freeze Explosion. Abstracts of Papers of the American Chemical Society. 190, 78 (1985).
- Dale, B. E., Henk, L. L., Shiang, M. Fermentation of Lignocellulosic Materials Treated by Ammonia Freeze-Explosion. Symposium: Bioconversion of Waste Materials to Useful Industrial Products. , 223-233 (1985).
- Mosier, N. S., et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology. 96 (6), 673-686 (2005).
- Campbell, T. J., et al. A packed bed Ammonia Fiber Expansion reactor system for pretreatment of agricultural residues at regional depots. Biofuels. 4 (1), 23-34 (2013).
- Bals, B., Teymouri, F., Campbell, T., Jin, M., Dale, B. E. Low temperature and long residence time AFEX pretreatment of corn stover. BioEnergy Research. 5 (2), 373-379 (2012).
- Chundawat, S. P. S., et al. Multi-scale visualization and characterization of plant cell wall deconstruction during thermochemical pretreatment. Energy & Environmental Science. 4 (3), 973-984 (2011).
- Chundawat, S. P. S., Beckham, G. T., Himmel, M., Dale, B. E. Deconstruction of Lignocellulosic Biomass to Fuels and Chemicals. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2, 121-145 (2011).
- Chundawat, S. P. S., et al. Primer on Ammonia Fiber Expansion Pretreatment. Aqueous Pretreatment of Plant Biomass for Biological and Chemical Conversion to Fuels and Chemicals. , 169-200 (2013).
- da Costa Sousa, L., Chundawat, S. P. S., Balan, V., Dale, B. E. “Cradle-to-grave” assessment of existing lignocellulose pretreatment technologies. Current Opinion in Biotechnology. 20 (3), 339-347 (2009).
- Solaiman, S. G., Horn, G. W., Owens, F. N. Ammonium Hydroxide Treatment on Wheat Straw. Journal of Animal Science. 49 (3), 802-808 (1979).
- Harbers, L. H., Kreitner, G. L., Davis, G. V., Rasmussen, M. A., Corah, L. R. Ruminal Digestion of Ammonium Hydroxide-Treated Wheat Straw Observed by Scanning Electron Microscopy. Journal of Animal Science. 54 (6), 1309-1319 (1982).
- Dale, B. E., Bals, B. D., Kim, S., Eranki, P. Biofuels Done Right: Land Efficient Animal Feeds Enable Large Environmental and Energy Benefits. Environmental Science & Technology. 44, 8385-8389 (2010).
- Schuerch, C., Burdick, M. P., Mahdalik, M. Liquid Ammonia-Solvent Combinations in Wood Plasticization: Chemical Treatments. Industrial & Engineering Chemistry Product Research and Development. 5 (2), 101-105 (1966).
- O’Connor, J. J. Ammonia explosion pulping: A new fiber separation process. Tappi. 55 (3), 353-358 (1972).
- Yan, M. M., Purves, C. B. Extraction of a Lignin Fraction from Maple Wood by Liquid Ammonia. Canadian Journal of Chemistry-Revue Canadienne De Chimie. 34 (12), 1747-1755 (1956).
- Yan, M. M., Purves, C. B. Attempted Delignifications with Sodium Bicarbonate – Carbon Dioxide, and with Anhydrous Liquid Ammonia, Under Pressure. Canadian Journal of Chemistry. 34 (11), 1582-1590 (1956).
- Tarkow, H., Feist, W. C. A Mechanism for Improving the Digestibility of Lignocellulosic Materials with Dilute Alkali and Liquid Ammonia. Cellulases and Their Applications. (95), 197-217 (1969).
- Peterson, R. C., Strauss, R. W. Chemi-mechanical pulping of hardwoods using ammonia vapor. Journal of Polymer Science Part C: Polymer Symposia. 36 (1), 241-250 (2007).
- Dale, B. E., Moreira, M. J. A Freeze-Explosion Technique for Increasing Cellulose Hydrolysis. Biotechnology and Bioengineering. , 31-43 (1982).
- Weimer, P. J., Chou, Y. -. C. T. Anaerobic Fermentation of Woody Biomass Pretreated with Supercritical Ammonia. Applied and Environmental Microbiology. 52 (4), 733-736 (1986).
- Weimer, P. J., Chou, Y. C. T., Weston, W. M., Chase, D. B. Effect of supercritical ammonia on the physical and chemical structure of ground wood. Biotechnol Bioeng Symp. 17, 5-18 (1986).
- Chou, Y. C. T. Supercritical ammonia pretreatment of lignocellulosic materials. Biotechnol Bioeng Symp. 17, 19-32 (1986).
- Iyer, P. V., Wu, Z. -. W., Kim, S. B., Lee, Y. Y. Ammonia recycled percolation process for pretreatment of herbaceous biomass. Applied Biochemistry and Biotechnology. 57, 121-132 (1996).
- Dunson, J. R., Elander, R. T., Tucker, M., Hennessey, S. M. Treatment of biomass to obtain fermentable sugars. U.S. Patent. , (2007).
- Kim, T. H., Lee, Y. Y., Sunwoo, C., Kim, J. S. Pretreatment of corn stover by low-liquid ammonia recycle percolation process. Applied Biochemistry and Biotechnology. 133 (1), 41-57 (2006).
- da Costa Sousa, L., et al. Next-generation ammonia pretreatment enhances cellulosic biofuel production. Energy & Environmental Science. 9, 1215-1223 (2016).
- da Costa Sousa, L., Foston, M., et al. Isolation and characterization of new lignin streams derived from extractive-ammonia (EA) pretreatment. Green Chemistry. 18 (15), 4205-4215 (2016).
- Chundawat, S. P. S., et al. Ammonia-salt solvent promotes cellulosic biomass deconstruction under ambient pretreatment conditions to enable rapid soluble sugar production at ultra-low enzyme loadings. Green Chemistry. 22, 204-218 (2020).
- Zhao, C., Shao, Q., Chundawat, S. P. S. Recent Advances on Ammonia-based Pretreatments of Lignocellulosic Biomass. Bioresource Technology. , 122446 (2019).
- Balan, V., Dale, B. E., Chundawat, S., Sousa, L. Methods for pretreating biomass. U.S. Patent. , (2011).
- Garlock, R. J., Chundawat, S. P. S., Hodge, D. B., Keskar, S., Dale, B. E. Linking Plant Biology and Pretreatment: Understanding the Structure and Organization of the Plant Cell Wall and Interactions with Cellulosic Biofuel Production. Plants and BioEnergy (Advances in Plant Biology). 4, 231-253 (2014).
- Balan, V., et al. Enzymatic digestibility and pretreatment degradation products of AFEX-treated hardwoods (Populus nigra). Biotechnology Progress. 25 (2), 365-375 (2009).
- Garlock, R. J., Bals, B., Jasrotia, P., Balan, V., Dale, B. E. Influence of variable species composition on the saccharification of AFEX pretreated biomass from unmanaged fields in comparison to corn stover. Biomass and Bioenergy. 37, 49-59 (2012).
- Wilkerson, C. G., et al. Monolignol Ferulate Transferase Introduces Chemically Labile Linkages into the Lignin Backbone. Science. 344 (6179), 90-93 (2014).
- Tang, X., et al. Designer synthetic media for studying microbial-catalyzed biofuel production. Biotechnology for Biofuels. 8 (1), 1 (2015).
- Chundawat, S. P. S., et al. Multifaceted characterization of cell wall decomposition products formed during ammonia fiber expansion (AFEX) and dilute-acid based pretreatments. Bioresource Technology. 101, 8429-8438 (2010).
- Lau, M. W., Dale, B. E. Cellulosic ethanol production from AFEX-treated corn stover using Saccharomyces cerevisiae 424A(LNH-ST). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (5), 1368-1373 (2009).
- Baumann, M., Borch, K., Westh, P. Xylan oligosaccharides and cellobiohydrolase I (TrCel7A) interaction and effect on activity. Biotechnology for Biofuels. 4 (1), 45 (2011).
- Chundawat, S., et al. Shotgun approach to increasing enzymatic saccharification yields of Ammonia Fiber Expansion (AFEX) pretreated cellulosic biomass. Frontiers in Energy Research. 5, 9 (2017).
- Gao, D., Chundawat, S. P. S., Uppugundla, N., Balan, V., Dale, B. E. Binding Characteristics of Trichoderma reesei Cellulases on Untreated, Ammonia Fiber Expansion and Dilute-acid Pretreated Lignocellulosic Biomass. Biotechnology and Bioengineering. 108 (8), 1788-1800 (2011).
- Gao, D., Chundawat, S. P. S., Krishnan, C., Balan, V., Dale, B. E. Mixture optimization of six core glycosyl hydrolases for maximizing saccharification of ammonia fiber expansion (AFEX) pretreated corn stover. Bioresource Technology. 101 (8), 2770-2781 (2010).
- Gao, D., et al. Strategy for identification of novel fungal and bacterial glycosyl hydrolase hybrid mixtures that can efficiently saccharify pretreated lignocellulosic biomass. BioEnergy Research. 3, 67-81 (2010).
- Banerjee, G., et al. Synthetic multi-component enzyme mixtures for deconstruction of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology. 101 (23), 9097-9105 (2010).
- Banerjee, G., Car, S., Scott-Craig, J. S., Borrusch, M. S., Aslam, N., Walton, J. D. Synthetic enzyme mixtures for biomass deconstruction: Production and optimization of a core set. Biotechnology and Bioengineering. 106 (5), 707-720 (2010).
- Banerjee, G., Car, S., Scott-Craig, J., Borrusch, M., Walton, J. Rapid optimization of enzyme mixtures for deconstruction of diverse pretreatment/biomass feedstock combinations. Biotechnology for Biofuels. 3 (1), 22 (2010).
