אמוניה הרחבת סיבים (AFEX) טרום טיפול של ליגנותאית ביומסה
Summary
אמוניה התפשטות סיבים (AFEX) היא טכנולוגיה טרום טיפול כימי שיכול להמיר ליגנותאית ביומסה (למשל, תירס stover, קש אורז, ו קנה סוכר בגאסה) לתוך הזנה לעיכול מאוד עבור שני ביולוגי ובעלי חיים להאכיל יישומים. כאן, אנו מתארים שיטה בקנה מידה מעבדה לניהול טרום הטיפול AFEX על ביומסה lignoתאית.
Abstract
חומרים ליגנותאית הם מוצרי הזנה הנגזרים מצמח, כגון שאריות יבול (למשל, שימוש בתירס, קש אורז ובגאסה סוכר) וגידולי אנרגיה בעלי מטרה (לדוגמה, miscanthus, ודשא מעבר) הזמינים בכמויות גדולות להפקת דלק ביולוגי, ביוכימיקלים והזנה בעלי חיים. צמח פוליסכדים (כלומר, תאית, hemicellulose, ופקטין) המוטבעים בתוך קירות התא הם מאוד עקשניים לקראת ההמרה למוצרים שימושיים. אמוניה התפשטות סיבים (AFEX) הוא טיפול תרמוכימי המגביר את הנגישות של פוליסכרידים לאנזימים להידרוליזה לתוך סוכרים fermentable. אלה סוכרים שוחרר ניתן להמיר דלקים וכימיקלים ב biorefinery. כאן, אנו מתארים מעבדה בקנה מידה אצווה AFEX תהליך לייצר ביומסה מראש בקנה מידה גראם ללא כל מיחזור אמוניה. ניתן להשתמש בתהליך המעבדה כדי לזהות תנאי טיפול אופטימליים (למשל, טעינת אמוניה, טעינת מים, טעינת ביומסה, טמפרטורה, לחץ, זמן מגורים, וכו ‘) ומייצרת כמויות מספיקות של דגימות מקדימות לאפיון פיזיוכימי מפורט וניתוח אנזימטי/מיקרוביאלית. התשואה של סוכרים fermentable מן הידרוליזה אנזימטית של תירס stover התייחס מראש באמצעות תהליך AFEX בקנה מידה מעבדה דומה לתהליך AFEX בקנה מידה הטייס תחת תנאים דומים טרום טיפול. נייר זה נועד לספק נוהל מפורט הפעלה סטנדרטית לפעולה בטוחה ועקבית של כורים בקנה מידה מעבדה לביצוע טרום טיפול AFEX של ליגנותאית ביומסה.
Introduction
אמוניה התפשטות סיבים (AFEX) הוא טיפול תרמוכימי המשתמשת אמוניה נדיף כמו המגיבים העיקריים של תאית ביומסה טיפול מקדים. תהליך זה הומצא במקור על ידי ברוס דייל כדי ביעילות להפחית את הסרבנות הסרבן של ליגנותאית ביומסה ולשפר ביולוגית לזרז וללות ביומסה מטופל לתוך סוכרים fermentable1,2. שלא כמו רוב מימית מבוססי מימיים טרום טיפולים תרמוכימיים3, afex הוא תהליך יבש-להתייבש שגורם לא שינוי משמעותי בקומפוזיציה ביומסה ואינו דורש צעד כביסה עם דור הפסולת המשויכת שלה הוצאה. התאוששות של אמוניה נדיפים עודף הוכח בקנה מידה הטייס, וכתוצאה מכך הדור פסולת מופחתת ועלויות עיבוד. מערכת בקנה מידה מלאה הכור afex שפותחה על ידי במבי (איור 1) משחזרת אמוניה שיורית באמצעות אדים להתפשט ומעבירה את החום, אמוניה מרוכזת למיטה ארוזה חדשה4,5. בעקבות AFEX טרום טיפול, כמויות זעירות של חנקן שולבו ביומסה שמיש כמו חנקן שאינו חלבון על ידי בעלי חיים ומיקרואורגניזמים. בנוסף, על ידי שינוי מבנה האולטרה ביומסה באמצעות מנגנונים שונים פיזיקליים6,7,8, afex מגביר את הנגישות של ביומסה לאנזימים הפעילים פחמימות (cazymes) ומגדיל את שיעורי פוליסכדים הידרוליזה על ידימספר מתקפל 8,9, אשר גם מגביר את העיכול שלה על ידי בעלי חיים באמצעות תאית שלהם מיקרובידום4,10,11,12.8 החקלאים המועסקים זמן רב יותר גרסה פשוטה של שיטה זו כדי להגדיל את העיכול של בעלי הגירה על ידי הדגירה של ביומסה במשך ימים או שבועות תחת יריעות פלסטיק בנוכחות של אמוניה המים הנמוכה הידרוous (< 4% w/w בסיס יבש) ולחצים סביבתי וטמפרטורות10,11.
בשנת שנות ה-70, הייתה האפשרות לחקור לראשונה את הפוטנציאל להדלאיגז בשנות ה-50,וכחומר כימי בתחילת1970,14,15,16,17,18. בתחילת שנות השמונים, הלחץ הגבוה, הטמפרטורה הגבוהה, האמוניה המרוכזים (> 30% NH4או) תחת תנאים בעלי מעמד תת-קריטי השתמשו לראשונה במעבדת הדייל כדי לשפר את העיכול האנזימטי והחיידקים המיקרוביאלית של ליגנותאית ביומסה19. תהליך זה עבר כמה שינויים שמות במהלך השנים, החל כמו אמוניה הקפאת פיצוץ, ולאחר מכן התפוצצות סיבי אמוניה, ולבסוף, אמוניה התרחבות סיבים, או פשוט AFEX. בערך באותו הזמן (באמצע שנות השמונים), דופונט (עכשיו דאו-דופונט) גם בחקר באמצעות מבוסס על בסיס אמוניה anהידרוous המבוססת על הטיפול מראש להגביר את העיכול של ביומסה20,21,22. בעשורים האחרונים, יש כבר דגש מוגבר על שימוש מדלל פתרונות אמוניה מימית כמו מגיב טרום טיפול כולל אמוניה מיחזור/חלחול23 (ARP), לספוג אמוניה מימית (SAA), או את תהליך דאו-דופונט בלי אמוניה מיחזור24. מספר שיטות נוספות הסתכלו על שימוש באמוניה הידרותית (אמוניה בעלת לחות נמוכה (lmaa), ואמוניה חלשה מראש25 (LAA). במהלך השנים האחרונות, שני מתקדמים חדש אורגנוספמוב-סוג טכנולוגיות טרום טיפול באמוניה הידרותית נוזלי26,27 ו-אמוניה מלח פתרונות מבוססי28 בנוזל גבוה כדי עמסות מוצק פותחו לאחרונה המאפשרים ליגנין סלקטיבי שבירה ויעילות גבוהה הידרוליזה אנזימטית של הטיפול ביומסה תאית באולטרה נמוך עמסות. מאמר ביקורת לאחרונה הדגיש את הדמיון ואת ההבדלים ברורים בין צורות שונות של אמוניה מבוססי טרום טיפול29. עם זאת, עד לאחרונה4, לא היו הפגנות בקנה מידה פיילוט של תהליכים טרום טיפול מבוסס אמוניה (כמו afex) שהיו באופן יעיל בשילוב עם לולאה סגורה מיחזור כימי של אמוניה מרוכזת בשימוש בתהליך.
במאמר זה, אנו מתארים בפירוט את פרוטוקול AFEX הנפוץ ביותר לטיפול מקדים תאית ביומסה בקנה מידה המעבדה כדי לייצר סולמות גראם של ביומסה טרום טיפול (למשל, 1 עד כמה 100 g). בדרך כלל, ביומסה מעורבב עם מים (0.1 – 2.0 g H2O/g ביומסה יבש) ו טעון לתוך מותאם אישית מובנה פלדת אל-חלד צינורי או פאר סוג הכורים. אמוניה הידרותית מתווספת לאחר מכן (0.3 – 2.0 g NH3/g ביומסה יבש) לכור והתערובת מחוממת לטמפרטורת התגובה הרצויה (60 – 180 ° c). הפרסומים המוקדמים ביותר בתהליך AFEX משנות ה-80-1990 התחילו את זמן המגורים לפני הטיפול (למשל, 5-60 דקות) מיד לאחר שיפוע הטמפרטורה. עם זאת, כמו התגובות מתרחשות ברגע האמוניה מתווסף הכור, ההליך AFEX הנוכחי הוא להתחיל ניטור זמן המגורים מיד לאחר התוספת אמוניה לכור. עבור טמפרטורות של 90 ° c או יותר, לעתים קרובות יש צורך לחזק את ביומסה לפני טעינת האמוניה כדי לשמור על הטמפרטורה הראשונית להגיע לתקופת זמן מינימלית (כלומר, < 5 דקות). בסיום זמן המגורים, נפתח שסתום כדי לשחרר במהירות את הלחץ, ותוכן בשלב הגז לתוך מכסה כימי מתאים. ההמרה המהירה של אמוניה משלב נוזלי לגז גם גורם הכור להתקרר. כורים קטנים ( 100 mL נפח הכור) עשוי להזדקק זמן נוסף כדי קריר. עבור בטיחות המשתמש, בקנה מידה גדול יותר (> 100 גרם אמוניה לכל הכור), הטיהור עם חנקן מומלץ להסיר כמו אמוניה שיורית הרבה ככל האפשר מן הכלי ולסייע בקירור תוכן הכור לפני הפריקה. בדרך כלל, לא נעשה ניסיון בקנה מידה של מעבדה כדי למחזר ו/או לשחזר את האמוניה. אחד האתגרים עיצוב מפתח לדרוג למעלה תהליך טרום הטיפול AFEX כבר מיחזור של אמוניה עם הון מינימלי ועלויות התפעול. כמו כן, הוספת אמוניה נוזלית ביומסה בדרך כלל כוננים מהבהב חלקית של הנוזל כי מתקרר את ביומסה, המחייב חימום של התערובת ביומסה-אמוניה לפני הטיפול AFEX יכול להתחיל. במקום להוסיף אמוניה כמו נוזל, הוספת אדי אמוניה כדי ביומסה מציעה שני יתרונות: ראשית, את הגדול ביותר של ביומסה בצובר מאפשר אדי אמוניה להיות מועברים במהירות, וכתוצאה מכך התפלגות אמוניה אפילו ברחבי ביומסה. שנית, אדי אמוניה בקלות ו exothermically מתמוסס לתוך המים הגשם ביומסה לח, וכתוצאה מכך הדור חום במהירות ובאופן שווה מחמם את ביומסה. כדי לנצל את היתרונות הללו, הן המעבדה של MSU Dale ו-במבי פיתחו שיטות טיפול AFEX באמצעות אדי אמוניה. מעבדת דייל פיתחה את הטיפול באמוניה מלאה גזי (גאפ),ובמבי פיתחה את תהליך המגיב הארוז Afex (איור 1)4, אשר הפגינו בסולם הפיילוט. המיטה ארוז afex הכור מערכת מסוגל לבצע חצי אצווה פעולה עם מיחזור מלא של אמוניה באמצעות שיטה להתפשט קיטור4,5. תהליך זה של במבי באופן נסיוני בקנה מידה מנצל את המאפיינים הכימיים והפיזיים של אמוניה כדי לטפל בצורה יעילה ביומסה תוך מיחזור יעיל של האמוניה.
כאן, אנו מציגים מיתאר מפורט לניהול טרום טיפול AFEX של תירס stover בקנה מידה במעבדה באמצעות מותאם אישית בנוי 200 mL כורים הכרישים (איור 2). הדגימות AFEX שטופלו התעכל התעכלו סוכרים fermentable באמצעות מסחרית הזמינים תאית להראות האנזים להדגים את היעילות של תהליכי טרום טיפול. תוצאות ההידרוליזה האנזימטיות עבור הכור הרפואי בקנה מידה בהיקף המעבדה הושוו לדגימות גדולות יותר של הכור AFEX שנוצר בקנה מידה. המטרה שלנו היא לספק הליך הפעלה רגיל לפעולה בטוחה ועקבית של כורים מעבדה בקנה מידה לביצוע טרום הטיפול AFEX על תאית ביומסה כמו תירס stover. מידע נוסף לגבי וריאציות לתהליך טרום הטיפול AFEX בקנה מידה (g., המיטה ארוז בקנה מידה של AFEX) מודגשים עוד יותר בקובץ pdf המשלים הנלווה. דו ח מפורט על מיטה ארוזה שלבים מבצעית תהליך יהיה מודגש בפרסום נפרד זמין על פי בקשה מבי-MSU.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול AFEX מתאר כיצד לעבד חומרים צמחיים בנוכחות אמוניה ומים בטמפרטורות גבוהות כדי להגביר את העיכול של חומר טרום הטיפול על ידי האנזימים ו/או חיידקים. AFEX הוא יעיל מאוד על מינים graminoid המינים (g., תירס stover, הדשא מעבר, miscanthus, קש אורז, קש חיטה, ואת קנה הסוכר באגאסה) בשל היעילות של התהליך לקליב הקשרים אסתר בגילאים שנמצאים באופן טבעי בחומרים אלה31. Afex הוא הרבה פחות יעיל על ביומסה נגזר dicots ו ג’ימנותאי (hardwoods, softwoods, ו מקורי forbs)32,33 בשל החלק הקטן יותר של lignin-פחמימות מבוססות אסתר הגילאים. עם זאת, כאשר קישורים אלה הוכנסו קירות תא וודי באמצעות ביוטכנולוגיה הצמח, תהליך טרום הטיפול AFEX הופך הרבה יותר יעיל34.
המחשוף של הביניים הקשרים אסתר מאפשר לרכיבי ביומסה מסוימים להיות מוסרים מן החומר, אבל בכיוון החיצוני כפעילים חיצוניים על משטחי הקיר התא החיצון, וכתוצאה מכך היווצרות של חורים ננו בקנה מידה המאפשרים חדירה ופעולה של האנזימים צלוליטיס6. AFEX מטופל תירס stover הראו גידול בערך 3-קיפול גלוקוז ו xylose אבד את קצב השחרור בעקבות הידרוליזה אנזימטיות תחת תנאים מוצקים גבוהים לעומת החומר מטופל. הטיפול באמוניה גם מייצר פחות ופחות השפלה מוצרים מעכבות לעומת לדלל חומצה מראש35. השוואה קודמת של afex ו לדלל חומצה מטופלים תירס stover הראה כי מדלל חומצה מהול מייצרת 316% חומצות יותר, 142% יותר ארומטיקה, ו 3,555% יותר furan אלדזה מאשר afex36, כולם יכולים להיות מעכבות עבור מיקרואורגניזמים35,37. כמו AFEX הוא תהליך יבש לייבוש, יש גם לא הפסד של סוכרים כמו זרם נוזלי מדלל, כי לא ניתן לשימוש כלכלית במהלך הידרוליזה אנזימטית. עם זאת, זה מוביל לסיבוכים כמו אנזימים עם יכולת משפילה ומשפיל מhemicellulose, נדרשים לשבור באופן מלא למטה את הקיר התא פוליסכרידים במהלך הידרוליזה אנזימטית לתוך סוכרים fermentable מעורבים כמו גלוקוז ו-xylose. Hemicellulosic oligomers דווחו לעכב את הפעילות צלוליטיס38, אשר יכול לחייב את הטעינה האנזים גבוה יותר כדי לשמור על תשואה גבוהה הסוכר הסופי. עם זאת, אופטימיזציה של קוקטיילים אנזימים מתאימים יכול להפחית את השימוש באנזים הכולל במהלך סכייפיקציה של ביומסה טרום מטופל של afex39,40,41,42,43,44,45. במהלך תהליך טרום הטיפול AFEX את ההידרוליזה ואת אמוליסיס של הימים הקשרים אסתר מוביל היווצרות של חומצה מוצרים אמיד ביומסה טרום טיפול (למשל, חומצה אצטית/מרחמיד, חומצה ferulic/ferulic, חומצה coumaric/coumaric)36. למרות היווצרות של amides הוכח לעזור תהליך התסיסה, נוכחותם בריכוזים גבוהים מאוד במלאי האכלה מראש יכול להיות חשש אם האכלת חיות מראש biomas. טרום הידרוליזה של הקשרים אסתר עם אלקלי כגון NaOH או Ca (הו)2 לפני הטיפול הקדם afex ניתן להשתמש כדי לטפל בנושא.
יש מספר שיקולים בטיחותיים לזכור כאשר עובדים עם אמוניה הידרותית במהלך תהליך AFEX. אמוניה אנמים מגיבה עם נחושת, פליז, אלומיניום, פלדה פחמן, פולימרים משותפים fluoroelastomer המשמשים חותמות (g. Viton, וכו ‘). כל צינור או רכיבי הכור שעשויים לבוא במגע עם אמוניה צריך להיות עשוי פלדת אל-חלד, ואטמים, מושבים שסתום, וחותמות חיבור מהיר צריך להיות עשוי טפלון או Kalrez כאשר הדבר אפשרי. אמוניה אינה נחשבת כחומר כימי רעיל, אבל זה עדיין מסוכן עקב תכונות ההיגרוסקופיות והקריוגניים שלה. זה מטרות בקלות והוא יכול לפגוע באופן חמור בקרומים הריריות בעיניים ובמערכת הנשימה. אמוניה היא נוזל קריוגני ודליפות אמוניה עלולה לגרום לכוויות קור חמורות עקב מגע ישיר עם זרם הגז או ציוד מקורר. אמוניה היא מסוכנת מיידית לחיים ולבריאות (IDLH) בריכוזים מעל 300 ppm. העובדים צריכים להתפנות מיד במקרה שהריכוז עולה על 50 דפים לדקה. מומלץ כי המפעילים לענוד צג אמוניה מכויל כדי להזהיר את ריכוזי מסוכנים בסביבתם. התקנת חיישנים עם אזעקות באזור העבודה הראשי הוא גם מומלץ. עובדים המטפלים אמוניה צריך להיות מאומנים כראוי ללבוש ציוד הגנה כגון לברוח מכשירי גז מצויד מחסניות תילאמין, ו קריוגני חום כפפות הגנה, ולהיות מוכנים להתמודד עם מצבי חירום. במקרה של חשיפה לאמוניה הידרותית, המפעיל צריך לעבור למקום בטוח ולרוקן מיד את האזור המושפע עם מים לפחות 15 דקות. התהליך של האמוניה מראש יש להתנהל בתוך מכסה המנוע, ואת צילינדר אמוניה צריך להיות מאוחסן מכסה המנוע או ארון מאוורר. בעקבות הניסוי, ביומסה שטופלו יהיה כמה שרידי אמוניה חינם וצריך להיות מיובש במכסה המנוע לילה או בתיבת ייבוש מאוורר מותאם אישית לפני אחסון בשקיות פלסטיק בטמפרטורת החדר לטיפול ניסויים. כמה שיקולים בטיחות מרכזיים אחרים כוללים התקנת מערכת שילוח אמוניה עם מד זרימה שיסייעו להאמוניה משלוח בדיוק לכור ואת הכור נועד לטפל לפחות 1.5 פעמים את הלחץ כי תהליך טרום הטיפול יעברו (למשל, לטיפול בתהליך AFEX ב 2x 10 6 לחץ על הרשות, הלחץ המינימלי הדירוג של הכור צריך
טרום הטיפול AFEX היא שיטה מבטיחה לייצר ביומסה צמח מאוד לעיכול, כי ניתן להשתמש ישירות כמו להאכיל בעלי חיים או כמזון אכיל כדי לייצר דלקים וכימיקלים. מעבר לשתי התעשיות הללו, AFEX עשוי למצוא שימוש בתחומים אחרים כגון ההאכלה ביו-מתחדשת לייצור ביואטילים, או כמו מלאי ההאכלה להפקת ביוגז. התהליך בקנה מידה מעבדה יכול להתבצע במעבדה מצויד במרחב מאוורר מתאים ואמצעי זהירות בטיחות, והעבודה הנוכחית שלנו מאשרת כי זה תהליך AFEX מוקטן מראה תוצאות דומות חומר שנוצר בקנה מידה ו/או הטייס AFEX הכור. תהליך AFEX בקנה מידה ניתן להשתמש כדי לבדוק ההאכלה, הטיפול בתנאי, ויישומים באופן תפוקה גבוהה יותר, תוך מתן ציפייה סבירה של איך התהליך יהיה לבצע על הטייס או סולמות תעשייתיים.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
חומר זה מבוסס על העבודה הנתמכת בחלק על ידי מרכז לחקר האגמים הגדולים Bioenergy, ארה ב. משרד האנרגיה, משרד המדע, משרד המחקר הביולוגי והסביבתי תחת מספרי הפרס DE-SC0018409 ו-DE-FC02-07ER64494. רבקה אונג מכירה בתמיכה חלקית מאוניברסיטת מישיגן באוניברסיטה הטכנולוגית (מימון הפעלה). שישיר Chun, מכיר בתמיכה חלקית של קרן המדע הלאומית של ארה ב CBET (1604421), הפרס על שם ORAU ראלף E. Powe, ו רטגרס בית הספר להנדסה (מימון הפעלה). ברוס דייל מכיר בתמיכה חלקית של אוניברסיטת מישיגן משרד החוץ AgBioResearch וגם את המכון הלאומי של המשרד למזון ולחקלאות. ונקאטש באלין מכירה בתמיכה חלקית ממדינת טקסס ומאוניברסיטת יוסטון (מימון הפעלה). עובדי במבי מכירים בתמיכה חלקית בקרן הלאומית לאנרגיה ולאוניברסיטת מישיגן. לבסוף, היינו רוצים להקדיש את המאמר הזה למורה שלנו מחבר משותף פרופ ‘ ברוס דייל על השראה לנו לעסוק בשיתוף פעולה החלום שלנו להפוך תאית קיימא ביולוגי.
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).
