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Pré-tratamento de biomassa lignocelulósica da fibra de amônia (AFEX)

Published: April 18, 2020
doi:
10.3791/57488
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1Department of Chemical and Biochemical Engineering,Rutgers-State University of New Jersey, 2Michigan Biotechnology Institute (MBI), 3Department of Chemical Engineering and Materials Science,Michigan State University, 4Engineering Technology Department, Biotechnology Program, College of Technology,University of Houston, 5Department of Chemical Engineering,Michigan Technological University

Summary

A expansão da fibra de amônia (AFEX) é uma tecnologia termoquímica de pré-tratamento que pode converter biomassa lignocelulósica (por exemplo, estocagem de milho, palha de arroz e bagaço de cana) em uma matéria-prima altamente digestível para biocombustíveis e aplicações de ração animal. Aqui, descrevemos um método em escala laboratorial para a realização do pré-tratamento da AFEX na biomassa lignocelulósica.

Abstract

Os materiais lignocelulósicos são matérias-primas derivadas de plantas, como resíduos de culturas (por exemplo, protetor de milho, palha de arroz e bagaço de cana-de-açúcar) e culturas de energia cultivadas com propósito (por exemplo, miscanthus e switchgrass) que estão disponíveis em grandes quantidades para produzir biocombustíveis, bioquímicos e ração animal. Os polissacarídeos vegetais (ou seja, celulose, hemicelulose e pectina) incorporados dentro das paredes celulares são altamente recalcitrantes para a conversão em produtos úteis. A expansão da fibra de amônia (AFEX) é um pré-tratamento termoquímico que aumenta a acessibilidade de polissacarídeos a enzimas para hidrólise em açúcares fermentáveis. Esses açúcares liberados podem ser convertidos em combustíveis e produtos químicos em uma biorefinaria. Aqui, descrevemos um processo aFEX em escala laboratorial para produzir biomassa pré-tratada na escala gramanada sem qualquer reciclagem de amônia. O processo em escala laboratorial pode ser usado para identificar condições ideais de pré-tratamento (por exemplo, carga de amônia, carregamento de água, carga de biomassa, temperatura, pressão, tempo de residência, etc.) e gera quantidades suficientes de amostras pré-tratadas para caracterização fisicoquímica detalhada e análise enzimática/microbiana. O rendimento de açúcares fermentáveis da hidrólise enzimática do estover de milho pré-tratado supérfluo utilizando o processo AFEX em escala laboratorial é comparável ao processo AFEX em escala piloto em condições semelhantes de pré-tratamento. Este artigo destina-se a fornecer um procedimento operacional padrão detalhado para a operação segura e consistente de reatores em escala laboratorial para a realização de pré-tratamento AFEX de biomassa lignocelulósica.

Introduction

A expansão da fibra de amônia (AFEX) é um pré-tratamento termoquímico que usa amônia volátil como principal reparador para pré-tratamento de biomassa celulósica. Este processo foi originalmente inventado por Bruce Dale para reduzir de forma econômica a recalcitrância da biomassa lignocelulósica e melhorar a desconstrução de biomassa pré-tratada biologicamente catalisada em açúcares fermentáveis1,2. Ao contrário da maioria dos outros pré-tratamentos termoquímicos de base aquosa3, o AFEX é um processo seco a seco que não causa nenhuma mudança significativa na composição da biomassa e não requer nenhuma etapa de lavagem com sua geração e despesa de resíduos associados. A recuperação do excesso de amônia volátil tem sido demonstrada na escala piloto, resultando em redução dos custos de geração e processamento de resíduos. O sistema de reator AFEX empacotado em escala piloto desenvolvido pela MBI (Figura 1) recupera amônia residual utilizando vapor e transfere a amônia quente e concentrada para uma nova cama embalada4,5. Após o pré-tratamento da AFEX, as pequenas quantidades de nitrogênio incorporadas à biomassa são utilizáveis como nitrogênio não-protéico por animais ruminantes e microrganismos. Além disso, alterando a ultraestrutura de biomassa através de vários mecanismos físico-químicos6,7,8, AFEX aumenta a acessibilidade da biomassa a enzimas carboidrato-ativas (CAZymes) e aumenta as taxas de hidrólise polissacarídea em várias vezes8,9, o que também aumenta sua digestibilidade por animais ruminantes através de seu microbioma celulolítico4,10,11,12. Os agricultores há muito utilizam uma versão mais simples deste método para aumentar a digestibilidade das forragens de ruminantes incubando a biomassa por dias ou semanas sob lonas plásticas na presença de cargas de amônia de baixo anidro (<4% c/w base de biomassa seca) e pressões e temperaturas ambientais10,11.

A amônia anidra foi investigada pela primeira vez pelo seu potencial de delignificar madeira na década de 1950 e como um produto químico de polpa no início dos anos 197013,,14,,15,,16,,17,,18. No início da década de 1980, a amônia concentrada pressurizada, de alta temperatura (>30% NH4OH) em condições subcríticas foi usada pela primeira vez no laboratório dale para melhorar a digestibilidade enzimática e a fermentabilidade microbiana da biomassa lignocelulósica19. Este processo sofreu várias mudanças de nome ao longo dos anos, começando como explosão de congelamento de amônia, e, em seguida, explosão de fibra de amônia, e finalmente, expansão de fibra de amônia, ou simplesmente AFEX. Por volta desta mesma época (meados da década de 1980), DuPont (agora Dow-DuPont) também explorou usando processos de pré-tratamento de amônia anidra supercrítica e quase crítico para aumentar a digestibilidade da biomassa20,21,22. Nas últimas décadas, tem havido maior ênfase no uso de soluções diluídas de amônia aquosa como reagente pré-tratamento, incluindo reciclagem/percolação de amônia23 (ARP), imersão em amônia aquosa (SAA), ou o processo Dow-DuPont sem reciclagem de amônia24. Alguns métodos adicionais têm olhado para o uso de amônia anidra (amônia anidra de baixa umidade (LMAA) e pré-tratamento de amônia de baixo líquido25 (LAA). duas novas tecnologias avançadas de pré-tratamento do tipo organosolv utilizando amônia anidra líquida26,,27 e soluções baseadas em sal de amônia28 em cargas de alto líquido para sólidos foram recentemente desenvolvidas que permitem fracionamento seletivo de lignina e hidrólise enzimática de alta eficiência de biomassa celulósica pré-tratada em cargas de enzimas ultra-baixas. Um artigo de revisão recente destacou as semelhanças e diferenças distintas entre várias formas de pré-tratamento à base de amônia29. No entanto, até recentemente4, não houve demonstrações em escala piloto de processos de pré-tratamento à base de amônia (como a AFEX) que foram eficientemente acoplados à reciclagem química de laço fechado de amônia concentrada utilizada no processo.

Neste artigo, descrevemos em detalhes o protocolo AFEX mais comumente utilizado para pré-tratar a biomassa celulósica na escala de laboratório para produzir escalas gramaticais de biomassa pré-tratada (por exemplo, 1 a vários 100 g). Normalmente, a biomassa é misturada com água (0,1-2,0 g H2O/g de biomassa seca) e carregada em reatores tubulares de aço inoxidável personalizados ou do tipo Parr. A amônia anidra é então adicionada (0,3-2,0 g NH3/g de biomassa seca) ao reator e a mistura é aquecida à temperatura de reação desejada (60-180 °C). Publicações anteriores sobre o processo AFEX da década de 1980-1990 iniciaram o tempo de residência pré-tratamento (por exemplo, 5-60 min) imediatamente após a rampa de temperatura. No entanto, como as reações ocorrem assim que a amônia é adicionada ao reator, o procedimento atual da AFEX é começar a monitorar o tempo de residência imediatamente após a adição de amônia ao reator. Para temperaturas de 90 °C ou mais, muitas vezes é necessário pré-aquecer a biomassa antes de carregar a amônia, a fim de manter a temperatura inicial acelerando para um período mínimo de tempo (ou seja, <5 min). Ao completar o tempo de residência, uma válvula é aberta para liberar rapidamente a pressão e o conteúdo da fase de gás em uma capa de fumaça química adequada. A rápida conversão de amônia da fase líquida para gás também faz com que o reator esfrie. Pequenos reatores (100 mL volume do reator) podem precisar de tempo adicional para esfriar. Para a segurança do usuário, em maior escala (>100 g de amônia por execução do reator), recomenda-se a purga com nitrogênio para remover o máximo de amônia residual possível do vaso e auxiliar no resfriamento do conteúdo do reator antes de descarregar. Normalmente, nenhuma tentativa é feita na escala de laboratório para reciclar e/ou recuperar a amônia. Um dos principais desafios de projeto para o escalonamento do processo de pré-tratamento da AFEX tem sido a reciclagem de amônia com capital mínimo e custos operacionais. Além disso, adicionar amônia líquida à biomassa geralmente impulsiona o flash parcial do líquido que esfria a biomassa, exigindo aquecimento da mistura biomassa-amônia antes que o tratamento AFEX possa começar. Em vez de adicionar amônia como líquido, adicionar vapor de amônia à biomassa oferece duas vantagens: Primeiro, a alta porosidade da biomassa a granel permite que o vapor de amônia seja transportado rapidamente, resultando até na distribuição de amônia em toda a biomassa. Em segundo lugar, o vapor de amônia se dissolve prontamente e exotérmicamente na água enredada em biomassa úmida, resultando em geração de calor que aquece rapidamente e uniformemente a biomassa. Para explorar essas vantagens, tanto o laboratório MSU Dale quanto o MBI desenvolveram métodos de tratamento AFEX usando vapor de amônia. O laboratório Dale desenvolveu o processo de Pré-Tratamento gasoso de Amônia (GAP)30, e o MBI desenvolveu o processo de reator AFEX(Figura 1)4, que foi demonstrado na escala piloto. O sistema de reator AFEX empacotado é capaz de operar em modo semi-lote com reciclagem completa de amônia usando um método de descascamento de vapor4,5. Este novo processo em escala piloto de MBI explora as características químicas e físicas da amônia para retirar eficientemente a biomassa enquanto recicla eficientemente a amônia.

Aqui, apresentamos um esboço detalhado para a realização do pré-tratamento afex de estopim de milho na escala de laboratório usando reatores tubulares de volume de 200 mL personalizados(Figura 2). As amostras pré-tratadas da AFEX foram digeridas em açúcares fermentáveis usando coquetéis de enzima celulolítica comercialmente disponíveis para demonstrar a eficácia dos processos de pré-tratamento. Os resultados da hidrólise enzimática para o reator AFEX em escala de laboratório foram comparados com amostras geradas por reator AFEX em escala piloto maior. Nosso objetivo é fornecer um procedimento operacional padrão para a operação segura e consistente de reatores pressurizados em escala de laboratório para a realização de pré-tratamento AFEX em biomassa celulósica como o armazenamento de milho. Informações adicionais de suporte sobre as variações deste processo de pré-tratamento AFEX em escala de laboratório (por exemplo, processo AFEX empacotado em escala piloto) são ainda mais destacadas no arquivo pdf suplementar que acompanha. Um relatório detalhado sobre as etapas operacionais do processo AFEX empacotado será destacado em uma publicação separada e estará disponível mediante solicitação do MBI-MSU.

Protocol

1. Ajuste do teor de umidade da biomassa Consulte a Tabela de Materiais delineando todos os principais equipamentos e materiais necessários para realizar o pré-tratamento AFEX em escala de bancada ou laboratório usando o reator Tubular AFEX(Figura 2). Determine o teor total de umidade da biomassa usando um analisador de umidade ou um forno a 105 °C por 8 h. Para o método do forno, transfira as amostras para um dessecador resistente ao calor para esfriar para evitar a adsorção da água antes de secar. Realize o processo em duplicata ou triplicada e calcule o teor médio de umidade. Para uma determinada carga de biomassa seca no reator (aqui, ele contém 25 g), use o teor de umidade determinado na etapa 1.2, para calcular quanta biomassa molhada precisa ser carregada.[1]Onde mmolhado = massa total de biomassa (base de peso molhado); mseco = massa de biomassa em uma base de peso seco; MCTWB = teor de umidade de biomassa em uma base de peso total Pesar esta quantidade de biomassa (mmolhado)em um recipiente plástico. Calcule quanta água precisa ser misturada com a biomassa úmida para alcançar o teor de umidade desejado. Para o armazenamento de milho, este é tipicamente 0,6 g de H2O por g de biomassa seca.[2]Onde mágua = massa de água adicionada ao reator (além da água na biomassa); xágua = Carregamento de água AFEX (g:g biomassa seca) Usando uma garrafa de spray, adicione lentamente essa quantidade de água (mágua)à biomassa que tinha sido previamente ponderada e misture bem à mão. 2. Carregue e monte o reator Monte o corpo do reator colocando uma tampa e uma junta de Teflon na parte inferior do tubo do reator. Apertem um grampo no lugar, apertando ambas as porcas uniformemente usando um rachet. Transfira a biomassa molhada para a base montada do reator e coloque um plugue de lã de vidro na parte superior da biomassa. Coloque uma junta de Teflon na parte superior do reator. Certifique-se de que a região está livre de biomassa e lã de vidro, o que poderia evitar uma vedação eficaz, e coloque a cabeça do reator em cima, manobrando o termopar através da lã de vidro e da biomassa. Aparafusar o grampo na parte superior do reator usando uma catraca uniformemente em ambos os lados. Pesar o reator(reatorm) e registrar o peso. 3. Configure o sistema do reator e encha o cilindro de transferência de amônia Confirme se todos os equipamentos estão conectados e operáveis (controlador de temperatura, monitor de temperatura, bomba de seringa, temporizadores). Defina os temporizadores para o tempo de residência desejado para cada reator e a amostra a ser executado. Ligue-se e, se utilizar uma bomba de seringa programável, configure o método de entrega de amônia na bomba de seringa.Passo 1: Retirada.Passo 2: Aguarde 15 segundos (para dar tempo de abrir e fechar válvulas).Passo 3: Infundir (transferir a amônia para o reator). Salve como o método AFEX para permitir uma reutilização fácil. Verifique se todas as válvulas que entram e saem do pequeno cilindro de amônia estão fechadas. Se o cilindro tiver sido usado anteriormente e contiver amônia/nitrogênio residual, abra lentamente a válvula A na parte superior do pequeno cilindro de amônia para sangrar qualquer nitrogênio e fechar a válvula assim que a amônia líquida começar a sair. Para encher o pequeno cilindro de amônia, abra o grande cilindro de amônia anidra e todas as válvulas da linha de amônia. Abra lentamente a válvula (B) perto da parte superior do pequeno cilindro de amônia até que a pressão se estabilize. Espere 5 min antes de continuar para o próximo passo. Aproximadamente 120 mL de amônia é carregado do cilindro principal para o cilindro de transferência durante este tempo. Feche todas as válvulas entre o tanque de amônia e o pequeno cilindro de amônia, trabalhando da esquerda para a direita, começando pelo pequeno cilindro (válvula B) e terminando na válvula principal em cima do tanque. Coloque o regulador de nitrogênio em 350 psi. Abra a válvula do cilindro de nitrogênio e a válvula no regulador ligado. Abra a válvula C no pequeno cilindro de amônia para adicionar lentamente nitrogênio, sobrepressurizando o sistema. Ajuste a pressão do pequeno cilindro para 350 psi, conforme necessário, ajustando o ponto de ajuste no regulador. Mantenha as linhas de nitrogênio abertas enquanto distribui amônia. 4. Pré-aqueça o reator (para temperaturas de reação de >100 °C) Conecte o monitor de temperatura ao termopar e a fita de aquecimento ao controlador de temperatura. Ajuste manualmente o controlador de temperatura para levar o reator até 60 °C. 5. Carregue o reator com amônia Ligue a bomba de seringa, se ainda não estiver ligado. Calcule o volume de amônia necessário com base no carregamento de amônia desejado (g:g de biomassa seca) e uma calibração de amônia previamente determinada.[3]NOTA: Como a bomba de amônia carrega em uma base de volume, ao usá-la pela primeira vez, calibra-se para converter da massa necessária para o volume. Siga o mesmo procedimento utilizado para a AFEX, mas termine a corrida (ventile o reator) imediatamente após carregar a amônia e pesar o reator. Siga o mesmo procedimento para descarregar o reator. Configure o método para carregar a quantidade correta de amônia: Selecione o método AFEX na seção 3.3. Definição da etapa de imprensa | Passo: 1 | Definir volume de destino ou tempo. Tecla no volume necessário em mL usando o bloco de números e pressione a marca de verificação verde. Se for necessário mais de 85 mL, digite o volume de destino como metade da quantidade especificada na planilha e preencha o reator duas vezes usando o mesmo volume de seringa. Repita as etapas 5.3.2 a 5.3.4 para “Passo: 3”. Pressione o botão de volta. Abra a válvula (D) na parte inferior do pequeno cilindro de amônia em direção ao escapamento e, em seguida, feche-a assim que qualquer amônia residual sair. Abra a válvula (E) na extremidade da bomba de seringa em direção à frente da coifa e, em seguida, abra a válvula (F) para liberar qualquer amônia residual. Válvulas de fechamento (E) e (F). Desconecte o reator do monitor de temperatura e do controlador de temperatura. Conecte o reator à conexão rápida. Válvula aberta (D) em direção ao pequeno cilindro de amônia e válvula aberta (E) em direção ao pequeno cilindro de amônia. Pressione a seta verde na bomba para iniciar a sequência e desenhe amônia na seringa. Quando a seringa parar automaticamente durante o período de espera, gire a válvula de seringa (E) em direção ao reator e a válvula de saída do reator, de modo que esteja apontando para a haste de conexão rápida.Após o atraso, a seringa começará a infundir, parando automaticamente no set point. Se for necessário mais de 85 mL de amônia, repita as etapas 5.7 a 5.9. Feche a válvula e a válvula do reator (D). Abrir a válvula (F) para liberar amônia residual da seringa e, em seguida, fechar a válvula (F) e fechar a válvula (E). Abra a válvula (D) em direção ao escapamento e feche-a assim que a amônia residual sair. Usando luvas criogênicas, remova o reator da conexão rápida. Tenha cuidado com o potencial spray de amônia. Use a linha de ventilação do tronco elefante para ventilar a amônia liberada, se necessário. Ligue o temporizador para o reator apropriado. Pesar a unidade do reator para verificar se o peso adequado da amônia foi adicionado com base nos cálculos da planilha. 6. Comece a aquecer e monitore a reação Conecte o monitor de temperatura ao termopar e a fita de aquecimento ao controlador de temperatura. Registre a temperatura inicial e a pressão do reator após adição de amônia (início do tempo de residência). Ajuste manualmente o controlador de temperatura para levar o reator até a temperatura definida. O objetivo é alcançar o set point em <5 min. Registre a pressão e a temperatura do reator a cada 3 min até o final do tempo de residência. No final do tempo de residência, desconecte o reator do controlador de temperatura e do termopar, remova o reator do suporte e abra lentamente a válvula de liberação da bola dentro da coifa.NOTA: Use sempre um protetor facial durante esta etapa. 7. Desligue o sistema Depois de deixar o reator esfriar por alguns minutos, use uma chave de catraca para abrir os grampos do reator. Descarregue a biomassa e a lã de vidro do reator dentro de uma capa de fumaça. A fim de evitar a contaminação aérea da biomassa à medida que a amônia residual evapora, é melhor secar dentro de uma caixa de secagem fechada dentro de um espaço ventilado. Limpe o reator com água destilada até que a água escorra e permita que os reatores sequem. Se ainda estiver aberto, feche todas as válvulas e conecte-se ao cilindro de amônia. Feche todas as válvulas na linha de nitrogênio. Desligue o controlador de temperatura, o monitor de temperatura, o equilíbrio, a bomba de seringa e o temporizador.ATENÇÃO: Se o planejamento de executar mais reações, não é necessário ventilar o pequeno cilindro de amônia. No entanto, se não há nenhum plano para executar mais experimentos, por segurança é melhor ventilar o pequeno cilindro no capô no final do experimento. Ao fazer isso, é importante deixar as válvulas abertas, pois a liberação de amônia pode causar formação de gelo que pode bloquear algumas linhas. À medida que as linhas descongelam, podem ser liberadas amônia sinuosas adicionais. Certifique-se sempre de ter a ventilação funcionando enquanto permite que o sistema se ventile. Qualquer biomassa tratada com amônia, mesmo que não se destine a ser usada, deve ser seca na capa de fumaça durante a noite para permitir que a amônia residual evapore. Não pode ser descartado imediatamente no lixo.

Representative Results

Após o pré-tratamento da AFEX, a biomassa é de cor mais escura, mas visualmente inalterada(Figura 3). O processo AFEX gera um material altamente digestível em uma variedade de escalas além do descrito neste protocolo. Aqui, pré-tratamos a mesma amostra de estopim de milho em nosso pequeno sistema de 200 mL, cama embalada, escala de banco; um maior 5 galão, agitado reator Parr; e o reator piloto da MBI. As condições utilizadas para os dois reatores menores (ou seja, 200 mL e escala de 5 galões) foram de 1,0 g NH3:g de biomassa seca, 0,6 g H2O:g de biomassa seca, para 30 min a 100 ± 5 °C. O AFEX4 em escala piloto foi realizado no mesmo material a 0,6 g NH3:g biomassa seca, 0,6 g H2O:g de biomassa seca, por 30 min a 100 ± 5 °C. Detalhes sobre os protocolos utilizados para a realização do pré-tratamento AFEX em escalas maiores são fornecidos nas informações de suporte (ver Arquivo Suplementar 1). Os seguintes “Critérios de Controle de Qualidade” foram estabelecidos com base na temperatura-alvo para o pré-tratamento da AFEX. Se depois de atingir o ponto de fixação, a temperatura do reator for para fora ± 10 °C a partir do ponto de set, o experimento deve ser abortado. Se a temperatura-alvo (dentro de 5 °C) não for atingida dentro de 5 minutos após o bombeamento da amônia, aborte o experimento. Além disso, a eficácia do pré-tratamento para o processo AFEX pode ser testada usando coquetéis de enzima celulolítica para hidrolisar os polissacarídeos acessíveis em açúcares fermentáveis. As amostras foram enzimáticas hidrolisadas por 72 horas a 6% de carga glucana, pH 5.0, 50 °C e 250 rpm em uma incubadora de agitação. Um coquetel comercial de enzimas constituída por 60% de celulose (CTec3):40% hemicellulase (HTec3 ou NS22246) em uma base fixa de carga de proteína total carregada a 15 mg de enzima/g glucano foi empregado para todos os ensaios de sacarificação. Os resultados (Figura 4) demonstram que o pré-tratamento da AFEX aumenta significativamente o rendimento dos açúcares fermentáveis em todos os casos. Além disso, os rendimentos da hidrólise de celulose/xilana para biomassa pré-tratada supérfluo usando o processo AFEX em escala de laboratório são comparáveis ao maior reator Parr de 5 galões e ao processo AFEX emplacado em escala piloto da MBI. Figura 1. Esboço esquemático das etapas envolvidas na operação em escala piloto do reator AFEX da MBI para pré-tratar a biomassa lignocelulósica totalmente integrada com reciclagem eficiente de amônia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2. Esquemas de escala de laboratório de A) sistema de entrega de amônia e B) pequeno reator de pré-tratamento AFEX de 200 mL utilizado para executar o processo AFEX descrito no protocolo de vídeo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3. A biomassa pré-tratada aFEX tem uma morfologia bruta muito semelhante em comparação com a biomassa não tratada, além de ser ligeiramente mais escura de cor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4. Os rendimentos de glicose e xilose obtidos após 72 h de hidrólise enzimática de 6% de carga glucana AFEX é mostrado aqui. Todos os ensaios de sacarificação foram realizados em duplicata com valores médios (m) aqui relatados. Os desvios padrão (1s) são relatados aqui como barras de erro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Arquivo Suplementar 1: Protocolos adicionais Clique aqui para baixar este arquivo. Tabela suplementar 1: Sistema de entrega de amônia e quadro de suporte Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

O protocolo AFEX descreve como processar materiais vegetais na presença de amônia anidra e água a temperaturas elevadas para aumentar a digestibilidade do material pré-tratamento por enzimas celulolíticas e/ou micróbios. A AFEX é altamente eficaz em espécies de monocot gramínóides (por exemplo, estover de milho, capim-switchgrass, miscanthus, palha de arroz, palha de trigo e bagaço de cana- de-açúcar) devido à eficiência do processo de adesão de ligações éster que são naturalmente abundantes nestes materiais31. A AFEX é muito menos eficaz na biomassa derivada de dicots e gymnosperms (madeiras, madeiras macias e forbs nativos)32,33 devido à menor proporção de ligações de éster à base de carboidratos de lignina. No entanto, quando essas ligações são introduzidas em paredes de células lenhosas usando biotecnologia vegetal, o processo de pré-tratamento da AFEX torna-se muito mais eficaz34.

O decote das ligações de éster permite que certos componentes de biomassa sejam removidos do material, mas redepositados como extrativos nas superfícies externas da parede celular, resultando na formação de furos de nanoescala que facilitam a penetração e ação das enzimas celulolíticas6. O estover de milho pré-tratado da AFEX mostrou um aumento de aproximadamente 3 vezes na taxa de liberação de glicose e xilose após hidrólise enzimática sob altas condições de sólidos em comparação com o material não tratado. Os pré-tratamentos de amônia também produzem menos e muito menos produtos de degradação inibidora em comparação com o pré-tratamento de ácido diluído35. Uma comparação prévia da AFEX e do estover de milho tratado com ácido diluído mostrou que o pré-tratamento do ácido diluído produz 316% mais ácidos, 142% mais aromáticos e 3.555% mais aldeídos de furano do que o AFEX36, todos os quais podem ser inibidores para microrganismos35,37. Como a AFEX é um processo seco a seco, também não há perda de açúcares como um fluxo líquido diluído que não pode ser utilizado economicamente durante a hidrólise enzimática. No entanto, isso leva a complicações, pois enzimas com capacidade degradante de celulose e degradação da hemicelulose são necessárias para quebrar totalmente os polissacarídeos da parede celular durante a hidrólise enzimática em açúcares fermentáveis mistos como glicose e xilose. Oligômeros hemicelulóscos têm sido relatados para inibir a atividade da cellulase38, o que poderia exigir um carregamento mais elevado de enzimas para manter um alto rendimento final de açúcar. No entanto, a otimização de coquetéis enzimáticos adequados pode reduzir o uso total de enzimas durante a sacarificação da biomassa pré-tratada AFEX39,,40,,41,,42,,43,,44,,45. Durante o processo de pré-tratamento da AFEX, a hidrólise e a amólise das ligações ésteras levam à formação de produtos ácidos e amidos na biomassa pré-tratada (por exemplo, ácido acético/ acetamisa, ácido ferúlico/ferulamida, ácido coumarico/coumarylamida)36. Embora a formação de amidas tenha sido demonstrada para ajudar no processo de fermentação, sua presença em concentrações muito altas em matéria-prima pré-tratada pode ser uma preocupação se alimentar animais de biomas pré-tratados. A pré-hidrólise de ligações de éster com alcalinos como NaOH ou Ca(OH)2 antes do pré-tratamento da AFEX pode ser usada para resolver o problema.

Há uma série de considerações de segurança a serem consideradas ao trabalhar com amônia anidra durante o processo AFEX. A amônia anidra reage com cobre, latão, alumínio, aço carbono e polímeros de fluoroelastômero comuns usados em vedações (por exemplo, Viton, etc.). Quaisquer componentes de tubulação ou reator que possam entrar em contato com amônia devem ser feitos de aço inoxidável, e juntas, assentos de válvula e vedações de conexão rápida devem ser feitas de Teflon ou Kalrez quando possível. A amônia não é considerada uma substância química tóxica, mas ainda é perigosa devido às suas propriedades higroscópicas e criogênicas. Ele prontamente tem como alvo e pode danificar severamente as membranas mucosas nos olhos e no sistema respiratório. A amônia é um fluido criogênico e vazamentos de amônia podem causar queimaduras severas devido ao contato direto com o fluxo de gás ou equipamentos refrigerados. A amônia é imediatamente perigosa para a vida e a saúde (IDLH) em concentrações acima de 300 ppm. Os trabalhadores devem evacuar imediatamente caso a concentração exceda 50 ppm. Recomenda-se que os operadores usem um monitor de amônia calibrado para alertar sobre concentrações perigosas nas proximidades. A instalação de sensores com alarmes na área de trabalho principal também é aconselhável. Os trabalhadores que lidam com amônia devem ser devidamente treinados e usar equipamentos de proteção, como respiradores de escape equipados com cartuchos de metilamina, e luvas criogênicas e protetoras de calor, e estar preparados para lidar com situações de emergência. Em caso de exposição à amônia anidra, o operador deve mover-se para a segurança e imediatamente lavar a área afetada com água por pelo menos 15 min. O processo de pré-tratamento de amônia deve ser conduzido dentro de uma coifa de fumaça, e o cilindro de amônia deve ser armazenado em uma coifa de fumaça ou gabinete ventilado. Após o experimento, a biomassa pré-tratada terá alguma amônia livre residual e deve ser seca no capô durante a noite ou em uma caixa de secagem ventilada personalizada antes de ser armazenada em sacos plásticos à temperatura ambiente para experimentos de acompanhamento. Algumas outras considerações importantes de segurança incluem a instalação de um sistema de entrega de amônia com um medidor de fluxo que ajudará a entregar precisamente amônia ao reator e um reator projetado para lidar com pelo menos 1,5 vezes a pressão que o processo de pré-tratamento sofrerá (por exemplo, para lidar com o processo AFEX a 2 x 106 Pa pressão, a taxa de pressão mínima do reator deve ser de 3 x 106 Pa).

O pré-tratamento AFEX é um método promissor para produzir biomassa vegetal altamente digestível que pode ser usada diretamente como ração animal ou como matéria-prima para gerar combustíveis e produtos químicos. Além dessas duas indústrias, a AFEX pode encontrar uso em outras áreas, como uma matéria-prima biorenovável para a fabricação de biomateriais, ou como matéria-prima para a produção de biogás. O processo em escala laboratorial pode ser conduzido em laboratório equipado com espaço ventilado adequado e precauções de segurança, e nosso trabalho atual confirma que este processo AFEX em escala dimensionada mostra resultados semelhantes ao material gerado em um reator AFEX em escala e/ou piloto. O processo AFEX em escala de laboratório pode ser usado para testar matérias-primas, condições de processamento e aplicações de forma mais elevada, ao mesmo tempo em que fornece uma expectativa razoável de como o processo se sairia em escalas piloto ou industrial.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este material é baseado no trabalho apoiado em parte pelo Great Lakes Bioenergy Research Center, Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Pesquisa Biológica e Ambiental sob os Números de Prêmios DE-SC0018409 e DE-FC02-07ER64494. Rebecca Ong reconhece o apoio parcial da Michigan Technology University (financiamento de startups). Shishir Chundawat reconhece o apoio parcial do prêmio CBET da Fundação Nacional de Ciência dos EUA (1604421), do Prêmio ORAU Ralph E. Powe e da Rutgers School of Engineering (Startup Funding). Bruce Dale reconhece o apoio parcial do escritório da Universidade Estadual de Michigan AgBioResearch e também do Instituto Nacional de Alimentos e Agricultura do USDA. Venkatesh Balan reconhece o apoio parcial do Estado do Texas e da Universidade de Houston (Startup Funding). Os funcionários do MBI reconhecem o apoio parcial do Departamento de Energia dos EUA e da Fundação Universidade Estadual de Michigan. Por fim, gostaríamos de dedicar este artigo ao nosso mentor e co-autor Prof. Bruce Dale por nos inspirar a perseguir de forma colaborativa nosso sonho de fazer biocombustíveis celulósicos sustentáveis.

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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References

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Chundawat, S. P. S., Pal, R. K., Zhao, C., Campbell, T., Teymouri, F., Videto, J., Nielson, C., Wieferich, B., Sousa, L., Dale, B. E., Balan, V., Chipkar, S., Aguado, J., Burke, E., Ong, R. G. Ammonia Fiber Expansion (AFEX) Pretreatment of Lignocellulosic Biomass. J. Vis. Exp. (158), e57488, doi:10.3791/57488 (2020).
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