Ammoniakfaserausdehnung (AFEX) Vorbehandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse
Summary
Die Ammoniakfaserexpansion (AFEX) ist eine thermochemische Vorbehandlungstechnologie, die lignozellulosehaltige Biomasse (z. B. Maisstover, Reisstroh und Zuckerrohrbagasse) in einen hochverdaulichen Rohstoff für Biokraftstoffe und Futtermittelumwandeln umwandeln kann. Hier beschreiben wir ein Laborverfahren zur Durchführung der AFEX-Vorbehandlung auf lignozellulosehaltiger Biomasse.
Abstract
Lignozellulose-Materialien sind pflanzliche Ausgangsstoffe, wie z. B. Ernterückstände (z. B. Maisstover, Reisstroh und Zuckerrohrbagasse) und zweckgebundene Energiepflanzen (z. B. Miscanthus und Switchgrass), die in großen Mengen zur Herstellung von Biokraftstoffen, Biochemikalien und Futtermitteln zur Verfügung stehen. In Zellwänden eingebettete pflanzliche Polysaccharide (d.h. Cellulose, Hemicellulose und Pektin) sind sehr widerspenstig gegenüber der Umwandlung in nützliche Produkte. Ammoniakfaserausdehnung (AFEX) ist eine thermochemische Vorbehandlung, die die Zugänglichkeit von Polysacchariden zu Enzymen zur Hydrolyse in fermentierbare Zucker erhöht. Diese freigesetzten Zucker können in einer Bioraffinerie in Brennstoffe und Chemikalien umgewandelt werden. Hier beschreiben wir ein LABOR-Batch-AFEX-Verfahren zur Herstellung vorbehandelter Biomasse im Grammmaßstab ohne Ammoniakrecycling. Der Laborprozess kann zur Identifizierung optimaler Vorbehandlungsbedingungen (z. B. Ammoniakbelastung, Wasserbelastung, Biomassebelastung, Temperatur, Druck, Verweilzeit usw.) verwendet werden und erzeugt ausreichende Mengen vorbehandelter Proben für eine detaillierte physikalisch-chemische Charakterisierung und enzymatische/mikrobielle Analyse. Der Ertrag von fermentierbaren Zuckern aus enzymatischer Hydrolyse von Maisstover, die im Labormaßstab AFEX-Verfahren vorbehandelt werden, ist vergleichbar mit dem aparaten AFEX-Verfahren unter ähnlichen Vorbehandlungsbedingungen. Dieses Papier soll ein detailliertes Standardverfahren für den sicheren und konsistenten Betrieb von Laborreaktoren zur Durchführung der AFEX-Vorbehandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse bereitstellen.
Introduction
Ammoniakfaserexpansion (AFEX) ist eine thermochemische Vorbehandlung, die flüchtiges Ammoniak als Hauptreaktorat für die Zellulose-Biomasse-Vorbehandlung verwendet. Dieses Verfahren wurde ursprünglich von Bruce Dale erfunden, um die Widerspenstigkeit der lignozellulosehaltigen Biomasse kostengünstig zu reduzieren und die biologisch katalysierte vorbehandelte Biomassedekonstruktion in fermentierbare Zucker1,2zu verbessern. Im Gegensatz zu den meisten anderen wässrigen thermochemischen Vorbehandlungen3ist AFEX ein Trocken-zu-Trocken-Prozess, der keine signifikante Veränderung der Biomassezusammensetzung verursacht und keinen Waschschritt mit der damit verbundenen Abfallerzeugung und -kosten erfordert. Die Rückgewinnung von überschüssigem flüchtigem Ammoniak wurde im Pilotmaßstab nachgewiesen, was zu geringeren Abfallerzeugungs- und -verarbeitungskosten führte. Das von MBI entwickelte AFEX-Reaktorsystem mit Pilotbetten (Abbildung 1) gewinnt Restammoniak mittels Dampfabisolen zurück und überträgt das heiße, konzentrierte Ammoniak in ein neues verpacktes Bett4,5. Nach der AFEX-Vorbehandlung werden die geringen Stickstoffmengen, die in die Biomasse eingearbeitet werden, von Wiederkäuern und Mikroorganismen als Nichtproteinstickstoff verwendet. Darüber hinaus erhöht AFEX durch Die Veränderung der Biomasse-Ultrastruktur durch verschiedene physikalisch-chemische Mechanismen6,7,8die Zugänglichkeit der Biomasse zu kohlenhydrataktiven Enzymen (CAZymes) und erhöht die Rate der Polysacchariden-Hydrolyse um mehrere,8,9, was auch seine Verdaulichkeit durch Wiederkäuer über ihr zelluluslytisches Mikrobiom4,10,11,12erhöht.12 Die Landwirte haben lange Zeit eine einfachere Version dieser Methode eingesetzt, um die Verdaulichkeit von Wiederkäuerfutterfutter zu erhöhen, indem sie die Biomasse tage- oder wochenlang unter Plastikplanen in Gegenwart von niedrigen wasserfreien Ammoniakbelastungen (<4% w/w Basis trockener Biomasse) und Umgebungsdrücken und Temperaturen10,11brüten.
Wasserfreies Ammoniak wurde erstmals in den 1950er Jahren auf sein Potenzial untersucht, Holz zu entzünden, und als Zellstoffchemikalie in den frühen 1970er Jahren13,14,15,16,17,18. In den frühen 1980er Jahren wurde unter Druck, Hochtemperatur, konzentriertes Ammoniak (>30% NH4OH) unter subkritischen Bedingungen erstmals im Dale-Labor verwendet, um die enzymatische Verdaulichkeit und mikrobielle Fermentationsfähigkeit von lignozellulosehaltiger Biomasse zu verbessern19. Dieser Prozess erfuhr im Laufe der Jahre mehrere Namensänderungen, beginnend als Ammoniak-Gefrierexplosion und dann Ammoniakfaserexplosion und schließlich Ammoniakfaserexpansion oder einfach AFEX. Etwa zur gleichen Zeit (Mitte der 1980er Jahre) untersuchte DuPont (heute Dow-DuPont) auch mit überkritischen und nahezu kritischen vorläubischen Vorbehandlungsverfahren, um die Verdaulichkeit von Biomasse zu erhöhen20,21,22. In den letzten Jahrzehnten wurde verstärkt wert auf die Verwendung von verdünnten wässrigen Ammoniaklösungen als Vorbehandlungsreagenz einschließlich Ammoniak-Recycling/Perkolation23 (ARP), Einweichen in wässriges Ammoniak (SAA) oder das Dow-DuPont-Verfahren ohne Ammoniakrecycling24betont. Einige zusätzliche Methoden haben die Verwendung von wasserfreiem Ammoniak (niedrigfeuchte wasserfreies Ammoniak (LMAA) und flüssigkeitsarme Minal-Ammoniak-Vorbehandlung25 (LAA) untersucht. Vor kurzem wurden zwei neue fortschrittliche Vorbehandlungstechnologien vom Typ Organosolv unter Verwendung von flüssigem wasserfreiem Ammoniak26,27 und Ammoniak-Salz-basierten Lösungen28 bei hoher Flüssigkeits- bis Festkörperbelastung entwickelt, die eine selektive Ligninfraktionierung und eine hocheffiziente enzymatische Hydrolyse von vorbehandelter zellulosehaltiger Biomasse bei ultraniedrigen Enzymbelastungen ermöglichen. Ein kürzlich erschienener Review-Artikel hat die Ähnlichkeiten und unterschiede zwischen verschiedenen Formen von Ammoniak-basierten Vorbehandlungen aufgezeigt29. Bisvorkurzem gab es jedoch keine Pilotdemonstrationen von Ammoniak-basierten Vorbehandlungsprozessen (wie AFEX), die effizient mit dem geschlossenen chemischen Recycling von konzentriertem Ammoniak gekoppelt waren, das in diesem Prozess verwendet wurde.
In diesem Beitrag beschreiben wir ausführlich das am häufigsten verwendete AFEX-Protokoll zur Vorbehandlung von zellulosehaltiger Biomasse im Labormaßstab zur Herstellung von Gram-Skalen vorbehandelter Biomasse (z. B. 1 bis mehrere 100 g). In der Regel wird Biomasse mit Wasser (0,1–2,0 g H2O/g trockener Biomasse) gemischt und in einen kundenspezifischen Edelstahlreaktor oder Parr-Reaktor geladen. Wasserfreies Ammoniak wird dann (0,3–2,0 g NH3/g trockene Biomasse) in den Reaktor zugegeben und das Gemisch auf die gewünschte Reaktionstemperatur (60–180 °C) erhitzt. Frühere Veröffentlichungen zum AFEX-Verfahren aus den 1980er-1990er Jahren begannen unmittelbar nach der Temperaturrampe mit der Vorbehandlungszeit (z.B. 5-60 min). Da die Reaktionen jedoch auftreten, sobald das Ammoniak dem Reaktor zugesetzt wird, besteht das aktuelle AFEX-Verfahren darin, die Verweilzeit unmittelbar nach der Ammoniakzugabe des Reaktors zu überwachen. Bei Temperaturen von 90 °C oder mehr ist es oft notwendig, die Biomasse vor dem Beladen des Ammoniaks vorzuheizen, um die Anfängliche Temperatur auf einen Mindestzeitraum (d. h. <5 min) zu halten. Nach Ablauf der Verweilzeit wird ein Ventil geöffnet, um den Druck schnell freizusetzen, und der Gasphaseninhalt in eine geeignete chemische Rauchhaube. Die schnelle Umwandlung von Ammoniak von der Flüssig- in die Gasphase bewirkt auch, dass der Reaktor abkühlt. Kleine Reaktoren (100 ml Reaktorvolumen) zusätzliche Zeit zum Abkühlen benötigen. Zur Sicherheit der Anwender wird im größeren Maßstab (>100 g Ammoniak pro Reaktorlauf) empfohlen, das Spülen mit Stickstoff so viel Restammoniak wie möglich aus dem Behälter zu entfernen und bei der Kühlung des Reaktorinhalts vor dem Entladen zu helfen. In der Regel wird im Labormaßstab kein Versuch unternommen, das Ammoniak zu recyceln und/oder zurückzugewinnen. Eine der wichtigsten Designherausforderungen für die Skalierung des AFEX-Vorbehandlungsprozesses war das Recycling von Ammoniak mit minimalen Kapital- und Betriebskosten. Auch die Zugabe von flüssigem Ammoniak zu Biomasse treibt in der Regel das teilweise Blinken der Flüssigkeit an, die die Biomasse kühlt, was eine Erwärmung des Biomasse-Ammoniak-Gemischs erfordert, bevor die AFEX-Behandlung beginnen kann. Anstatt Ammoniak als Flüssigkeit hinzuzufügen, bietet die Zugabe von Ammoniakdampf zu Biomasse zwei Vorteile: Erstens ermöglicht die hohe Porosität von Biomasse, Ammoniakdampf schnell zu transportieren, was zu einer gleichmäßigen Ammoniakverteilung in der gesamten Biomasse führt. Zweitens löst sich Ammoniakdampf leicht und exothermisch in das in feuchte Biomasse eingelassene Wasser auf, was zu einer Wärmeerzeugung führt, die die Biomasse schnell und gleichmäßig erwärmt. Um diese Vorteile zu nutzen, haben sowohl das MSU Dale Lab als auch MBI AFEX-Behandlungsmethoden mit Ammoniakdampf entwickelt. Das Dale-Labor hat das Gaseous AmmoniaK Pretreatment (GAP) Verfahren30entwickelt, und MBI hat das VERPACKTe Bett AFEX-Reaktorverfahren entwickelt (Abbildung 1)4, das im Pilotmaßstab demonstriert wurde. Das verpackte Bett-AFEX-Reaktorsystem ist in der Lage, den Halbbatch-Betrieb mit vollständigem Recycling von Ammoniak mit einem Dampfabisolierverfahren4,5. Dieser neuartige MBI-Pilotprozess nutzt die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Ammoniak, um Biomasse effizient abzubauen und gleichzeitig das Ammoniak effizient zu recyceln.
Hier stellen wir einen detaillierten Überblick zur Durchführung der AFEX-Vorbehandlung von Maisstover im Labormaßstab mit kundenspezifischen 200 ml Rohrreaktoren vor (Abbildung 2). Die von AFEX vorbehandelten Proben wurden mit handelsüblichen zelluluslytischen Enzymcocktails zu fermentierbaren Zuckern verdaut, um die Wirksamkeit der Vorbehandlungsprozesse zu demonstrieren. Die enzymatischen Hydrolyseergebnisse für den AFEX-Reaktor im Labormaßstab wurden mit größeren AF-Reaktorproben im Pilotmaßstab verglichen. Unser Ziel ist es, ein Standard-Betriebsverfahren für den sicheren und konsistenten Betrieb von Druckreaktoren im Labormaßstab für die Durchführung von AFEX-Vorbehandlungen auf zellulosehaltiger Biomasse wie Maisstover bereitzustellen. Weitere unterstützende Informationen zu Abweichungen zu diesem laboralen AFEX-Vorbehandlungsprozess (z.B. pilotgesteuertes verpacktes Bett-AFEX-Verfahren) werden in der begleitenden ergänzenden pdf-Datei weiter hervorgehoben. Ein ausführlicher Bericht über die operativen Schritte des AFEX-Prozesses im verpackten Bett wird in einer gesonderten Publikation hervorgehoben und ist auf Anfrage bei MBI-MSU erhältlich.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das AFEX-Protokoll beschreibt, wie Pflanzenmaterialien in Gegenwart von wasserfreiem Ammoniak und Wasser bei erhöhten Temperaturen verarbeitet werden, um die Verdaulichkeit des Vorbehandlungsmaterials durch zellulolytische Enzyme und/oder Mikroben zu erhöhen. AFEX ist sehr effektiv auf graminoidmonocot Arten (z.B. Maisstover, Switchgrass, Miscanthus, Reisstroh, Weizenstroh und Zuckerrohr bagasse) aufgrund der Effizienz des Prozesses, um Ester-Verbindungen zu spalten, die natürlich reichlich in diesen Materialien31sind. AFEX ist viel weniger wirksam auf Biomasse aus Dicots und Gymnospermen (Hartholz, Nadelhölzer, und native forbs)32,33 aufgrund des geringeren Anteils von Lignin-Kohlenhydrat-basierte Ester-Verbindungen. Wenn diese Verbindungen jedoch mit Hilfe der Pflanzenbiotechnologie in holzige Zellwände eingebracht werden, wird das AFEX-Vorbehandlungsverfahren viel effektiver34.
Durch die Spaltung von Esterverbindungen können bestimmte Biomassekomponenten aus dem Material entfernt, aber als Extraktive auf den äußeren Zellwandoberflächen wieder aufgelegt werden, was zur Bildung von nanoskaligen Löchern führt, die das Eindringen und Wirken der zelluluslytischen Enzyme erleichtern6. DIE von AFEX vorbehandelte Maisstover zeigte eine etwa 3-fache Erhöhung der Glukose- und Xylosefreisetzungsrate nach enzymatischer Hydrolyse unter hohen Feststoffbedingungen im Vergleich zum unbehandelten Material. Ammoniak-Vorbehandlungen produzieren auch weniger und weit weniger hemmende Abbauprodukte im Vergleich zu verdünnten Säurevorbehandlung35. Ein früherer Vergleich von AFEX und verdünntem säurebehandeltem Maisstover zeigte, dass eine verdünnte Säurevorbehandlung 316% mehr Säuren, 142% mehr Aromaten und 3.555% mehr Furanaldehyde als AFEX36produziert, die alle für Mikroorganismen hemmend sein können35,37. Da ES sich bei AFEX um einen Trocken-zu-Trocken-Prozess handelt, gibt es auch keinen Zuckerverlust als verdünnter Flüssigkeitsstrom, der bei der enzymatischen Hydrolyse wirtschaftlich nicht genutzt werden kann. Dies führt jedoch zu Komplikationen, da Enzyme mit Celluloseabbau und Hemicelluloseabbau erforderlich sind, um die Zellwandpolysaccharide während der enzymatischen Hydrolyse vollständig in gemischte fermentierbare Zucker wie Glukose und Xylose zu zerlegen. Hemicelluloseische Oligomere hemmen den Zellulase-Aktivität38, die eine höhere Enzymbelastung erforderlich machen könnte, um eine hohe Endzuckerausbeute zu halten. Die Optimierung geeigneter Enzymcocktails kann jedoch den Gesamtenzymverbrauch während der Saccharifizierung von AFEX vorbehandelter Biomasse39,40,41,42,43,44,45reduzieren. Während der AFEX-Vorbehandlung führt die Hydrolyse und Ammonolyse von Esterverbindungen zur Bildung von Säure- und Amidprodukten in der vorbehandelten Biomasse (z.B. Essigsäure/Acetamid, Ferulsäure/Ferulamid, Koumersäure/Coumarylamid)36. Obwohl die Bildung von Amiden nachweislich den Fermentationsprozess unterstützte, könnte ihre Anwesenheit in sehr hohen Konzentrationen in vorbehandelten Rohstoffen ein Problem darstellen, wenn die Fütterung von Tieren vorbehandelte Biomas. Die Vorhydrolyse von Esterverbindungen mit Alkalien wie NaOH oder Ca(OH)2 vor der AFEX-Vorbehandlung kann verwendet werden, um das Problem anzugehen.
Bei der Arbeit mit wasserfreiem Ammoniak während des AFEX-Prozesses gibt es eine Reihe von Sicherheitsüberlegungen zu beachten. Wasserfreies Ammoniak reagiert mit Kupfer, Messing, Aluminium, Kohlenstoffstahl und gängigen Fluorelastomerpolymeren, die in Dichtungen verwendet werden (z. B. Viton usw.). Alle Schläuche oder Reaktorkomponenten, die mit Ammoniak in Berührung kommen können, sollten aus rostfreiem Stahl hergestellt werden, und Dichtungen, Ventilsitze und Schnellverbinderdichtungen sollten nach Möglichkeit aus Teflon oder Kalrez hergestellt werden. Ammoniak gilt nicht als giftige Chemikalie, aber es ist immer noch gefährlich wegen seiner hygroskopischen und kryogenen Eigenschaften. Es zielt leicht und kann Schleimhäute in den Augen und Atemwege stark schädigen. Ammoniak ist eine kryogene Flüssigkeit und Ammoniaklecks können durch direkten Kontakt mit dem Gasstrom oder gekühlten Geräten zu schweren Erfrierungen führen. Ammoniak ist bei Konzentrationen über 300 ppm sofort lebens- und gesundheitsgefährdend (IDLH). Die Arbeitnehmer sollten sofort evakuieren, wenn die Konzentration 50 ppm überschreitet. Es wird empfohlen, dass Bediener einen kalibrierten Ammoniakmonitor tragen, um vor gefährlichen Konzentrationen in ihrer Nähe zu warnen. Die Installation von Sensoren mit Alarmen im Hauptarbeitsbereich ist ebenfalls ratsam. Arbeitnehmer, die mit Ammoniak umgehen, sollten gut ausgebildet sein und Schutzausrüstung tragen, wie z. B. Atemschutzgeräte, die mit Methylaminkartuschen sowie kryogenen und hitzebeschützenden Handschuhen ausgestattet sind, und bereit sein, Mit notsituationen umzugehen. Im Falle einer Exposition gegenüber wasserfreiem Ammoniak sollte sich der Bediener in Sicherheit bringen und den betroffenen Bereich mindestens 15 min mit Wasser spülen. Der Ammoniak-Vorbehandlungsprozess sollte in einer Dunstabzugshaube durchgeführt werden, und der Ammoniakzylinder sollte entweder in einer Dunstabzugshaube oder einem belüfteten Schrank gelagert werden. Nach dem Experiment wird vorbehandelte Biomasse etwas restfreies Ammoniak haben und sollte entweder über Nacht in der Haube oder in einer benutzerdefinierten belüfteten Trocknungsbox getrocknet werden, bevor sie in Plastiktüten bei Raumtemperatur für Folgeexperimente gelagert wird. Einige weitere wichtige Sicherheitsaspekte sind die Installation eines Ammoniak-Liefersystems mit einem Durchflussmesser, das dazu beiträgt, Ammoniak präzise in den Reaktor zu liefern, und einen Reaktor, der mindestens das 1,5-fache des Drucks bewältigen soll, dem der Vorbehandlungsprozess unterzogen wird (z. B. für die Handhabung des AFEX-Prozesses bei 2 x 106 Pa Druck sollte der Mindestdruck des Reaktors 3 x 106 Pa betragen).
Die AFEX-Vorbehandlung ist eine vielversprechende Methode zur Herstellung hochverdaulicher pflanzlicher Biomasse, die direkt als Tierfutter oder als Ausgangsstoff zur Erzeugung von Brennstoffen und Chemikalien verwendet werden kann. Über diese beiden Branchen hinaus könnte AFEX in anderen Bereichen wie einem bioerneuerbaren Rohstoff für die Herstellung von Biomaterialien oder als Ausgangsstoff für die Erzeugung von Biogas Verwendung finden. Der Laborprozess kann in einem Labor durchgeführt werden, das mit angemessenem belüfteten Raum und Sicherheitsvorkehrungen ausgestattet ist, und unsere aktuelle Arbeit bestätigt, dass dieser verkleinerte AFEX-Prozess ähnliche Ergebnisse wie Material zeigt, das in einem skalierten und/oder pilotierten AFEX-Reaktor erzeugt wird. Das AFEX-Verfahren im Labormaßstab kann verwendet werden, um Rohstoffe, Verarbeitungsbedingungen und Anwendungen in einer höheren Durchsatzweise zu testen, während gleichzeitig eine vernünftige Erwartung an die Leistung des Prozesses auf Pilot- oder Industriemaßstäben gegeben ist.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dieses Material basiert auf Arbeiten, die teilweise vom Great Lakes Bioenergy Research Center, dem U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Biological and Environmental Research unter den Award-Nummern DE-SC0018409 und DE-FC02-07ER64494 unterstützt werden. Rebecca Ong bestätigt die teilweise Unterstützung durch die Michigan Technological University (Startup-Finanzierung). Shishir Chundawat würdigt die teilweise Unterstützung durch den CBET Award der US National Science Foundation (1604421), den ORAU Ralph E. Powe Award und die Rutgers School of Engineering (Startup Funding). Bruce Dale bestätigt die teilweise Unterstützung durch das AgBioResearch-Büro der Michigan State University und auch das USDA National Institute of Food and Agriculture. Venkatesh Balan bestätigt die teilweise Unterstützung durch State of Texas und Die University of Houston (Startup Funding). MBI-Mitarbeiter erkennen teilweise Unterstützung durch das US Department of Energy und die Stiftung der Michigan State University an. Schließlich möchten wir dieses Papier unserem Mentor und Co-Autor Prof. Bruce Dale widmen, um uns zu inspirieren, unseren Traum von der Herstellung nachhaltiger zellulosehaltiger Biokraftstoffe gemeinsam zu verfolgen.
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 |
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