Amonyya Lif Genleşme (AFEX) Lignoselülozik Biyokütle Ön Arıtma
Summary
Amonyak elyaf genişletme (AFEX), lignocellulosic biyokütle (örneğin, mısır stover, pirinç saman ve şeker kamışı bagasse) hem biyoyakıt lar hem de hayvan yemi uygulamaları için son derece sindirilebilir bir hammaddeye dönüştürebilen termokimyasal bir ön işlem teknolojisidir. Burada, lignoselülozik biyokütle üzerinde AFEX ön işlem yapmak için laboratuvar ölçeğinde bir yöntem açıklanmaktadır.
Abstract
Lignocellulosic malzemeler bitki kaynaklı hammaddeler, bitki kaynaklı hammaddeler, örneğin, mısır stover, pirinç saman ve şeker kamışı bagasse) ve amaca yetiştirilen enerji bitkileri (örneğin, miscanthus, ve switchgrass) biyoyakıt, biyokimyasallar ve hayvan yemi üretmek için büyük miktarlarda mevcuttur. Hücre duvarları nın içine gömülü bitki polisakkaritleri (yani selüloz, hemiselüloz ve pektin) yararlı ürünlere dönüştürmeye yönelik son derece inatçıdır. Amonyağ lif genişlemesi (AFEX), polisakkaritlerin hidroliz enzimlerine fermantatabi şekerlere erişilebilirliğini artıran termokimyasal bir ön işlemdir. Bu serbest bırakılan şekerler bir biyorafineri yakıtlar ve kimyasallar dönüştürülebilir. Burada, herhangi bir amonyon geri dönüşüm olmadan gram ölçeğinde önceden işlenmiş biyokütle üretmek için bir laboratuvar ölçekli toplu AFEX süreci açıklar. Laboratuvar ölçeğindeki süreç, optimum ön arıtma koşullarını (örneğin, amonyak yüklemesi, su yüklemesi, biyokütle yüklemesi, sıcaklık, basınç, oturma süresi, vb.) belirlemek için kullanılabilir ve ayrıntılı fizikokimyasal karakterizasyon ve enzimatik/mikrobiyal analiz için yeterli miktarda işlem görmüş numune üretir. Laboratuvar ölçekli AFEX prosesi kullanılarak ön işlem yapılan mısır stover enzimatik hidrolizinden fermente edilebilir şekerlerin verimi, benzer ön işlem koşullarında pilot ölçekli AFEX prosesi ile karşılaştırılabilir. Bu makale, lignoselülozik biyokütlenin AFEX ön işlemini gerçekleştirmek için laboratuvar ölçekli reaktörlerin güvenli ve tutarlı çalışması için ayrıntılı bir standart işletim prosedürü sağlamak için tasarlanmıştır.
Introduction
Amonyağ lif genleşmesi (AFEX), selülozik biyokütle ön arıtmaiçin ana reaktan olarak uçucu amonyağ kullanan termokimyasal bir ön işlemdir. Bu süreç aslında Bruce Dale tarafından uygun maliyetli lignocellulosic biyokütle recalcitrance azaltmak ve fermente şekerler içine biyolojik olarak katalize önceden işlenmiş biyokütle yapısızlaştırma geliştirmek için icat edilmiştir1,2. Diğer birçok sulu bazlı termokimyasal ön işlemlerin aksine3, AFEX biyokütle bileşiminde önemli bir değişikliğe neden olmayan ve ilgili atık üretimi ve gideri ile yıkama adımı gerektirmeyan kuru-kuru bir süreçtir. Aşırı uçucu amonyağın geri kazanımı pilot ölçekte gösterilmiştir ve bu da atık üretimi ve işleme maliyetlerinin azalmasına yol açmıştır. MBI tarafından geliştirilen pilot ölçekli dolu yatak AFEX reaktör sistemi (Şekil 1) buhar sıyırma kullanarak artık amonya kurtarır ve yeni bir paketlenmiş yataksıcak,konsantre amonya aktarıyor 4,5. AFEX ön işlemden sonra, biyokütleye dahil olan küçük miktarda azot, geviş yanıcı hayvanlar ve mikroorganizmalar tarafından protein dışı azot olarak kullanılabilir. Ayrıca, çeşitli fizikokimyasal mekanizmalar aracılığıyla biyokütle ultrayapı değiştirerek6,7,8, AFEX karbonhidrat-aktif enzimler biyokütle erişilebilirliğini artırır (CAZymes) ve birkaç kat polisakkaritler hidroliz oranlarını artırır8,9, ayrıca onların selülolitik mikrobiyom 4 ile ruminant hayvanlar tarafından sindirilebilirliğini artırır4,10,11,12. Çiftçiler uzun düşük susuz amonya yüklemeleri varlığında plastik brandalar altında gün veya hafta için biyokütle kuluçka tarafından ruminant yemlerin sindirilebilirliğini artırmak için bu yöntemin basit bir sürümünü istihdam var (<4% kuru biyokütle w / w temeli) ve ortam basınçları ve sıcaklıklar10,11.
Susuz amonyya ilk 1950’lerde odun delignify potansiyeli için araştırıldı ve 1970’lerin başında bir hamur kimyasal ı olarak13,14,15,16,17,18. 1980’lerin başında, basınçlı, yüksek sıcaklık, konsantre amonyak (>30% NH4OH) alt kritik koşullar altında ilk olarak Dale laboratuvarında lignoselülozik biyokütlenin enzimatik sindirilebilirliğini ve mikrobiyal fermanferitliğini artırmak için kullanılmıştır19. Bu süreç yıllar içinde çeşitli isim değişiklikleri yapıldı, amonya dondurma patlama olarak başlayan, ve sonra amonya fiber patlama, ve son olarak, amonya lif genişleme, ya da sadece AFEX. Bu aynı zamanda (1980’lerin ortalarında), DuPont (şimdi Dow-DuPont) da biyokütle20,,21,,22sindirilebilirliğini artırmak için süperkritik ve yakın kritik susuz amonyak bazlı ön tedavi süreçleri kullanarak araştırdı . Son yıllarda, amonyak geri dönüşüm / percolation23 (ARP), sulu amonyak (SAA) veya amonyak geri dönüşüm olmadan Dow-DuPont süreci sırılsıklam dahil olmak üzere bir ön tedavi reaktif olarak seyreltik sulu amonyak çözümleri kullanarak vurgu artmıştır24. Birkaç ek yöntem susuz amonya kullanımı baktım (düşük nem susuz amoni (LMAA), ve düşük sıvı amonya pretreatment25 (LAA). Son birkaç yıl içinde, sıvı susuz amonyak26,,27 ve amonyak tuzu bazlı solüsyon28 yüksek sıvı katı yüklemeler kullanan iki yeni gelişmiş organosolv tipi ön arıtma teknolojileri son zamanlarda seçici lignin fraksiyonu ve ultra düşük enzim yüklemeleri ön işlemsel selülozik biyokütle yüksek verimlilik enzimhidroliz sağlayan geliştirilmiştir. Yakın tarihli bir inceleme makalesi amonyak tabanlı öntedaviler29çeşitli formları arasındaki benzerlikler ve farklı farklılıklar vurgulamıştır. Ancak, yakınzamanakadar 4 , amonyak tabanlı ön işlem süreçlerinin (AFEX gibi) verimli bir şekilde bu süreçte kullanılan konsantre amonyak kapalı döngü kimyasal geri dönüşüm ile birleştiğinde hiçbir pilot ölçekli gösteriler vardı.
Bu yazıda, laboratuvar ölçeğinde selülozik biyokütlenin ön işlem görmüş biyokütlenin gram pulu (örn. 1 ila 100 g) üretmek için en sık kullanılan AFEX protokolünü ayrıntılı olarak açıklıyoruz. Tipik olarak, biyokütle su ile karıştırılır (0.1-2.0 g H2O/g kuru biyokütle) ve özel olarak inşa paslanmaz çelik boru veya Parr tipi reaktörler içine yüklenir. Daha sonra reaktöre susuz amonya (0.3-2.0 g NH3/g kuru biyokütle) eklenir ve karışım istenilen reaksiyon sıcaklığına (60-180 °C) Kadar ısıtılır. 1980’lerden 1990’lara kadar AFEX süreci yle ilgili daha önceki yayınlar, sıcaklık rampasından hemen sonra tedavi öncesi ikamet süresini (örn. 5-60 dk) başlatmedı. Ancak, amonyak reaktöre eklenir eklenmez reaksiyonlar meydana geldiğinde, mevcut AFEX prosedürü reaktöre amonyak ilavesi sonrasında oturma süresini izlemeye başlamaktır. 90 °C veya daha büyük sıcaklıklarda, ilk sıcaklığıminimum bir süre (yani, <5 dk) düşük bir süre ye kadar yüksek tutmak için amonyağ yüklemeden önce biyokütlenin önceden ısıtılması genellikle gereklidir. İkamet süresinin bitiminde, basıncı hızla serbest bırakmak için bir vana açılır ve gaz fazı içeriği uygun bir kimyasal duman kaputuna dönüşür. Amonkarın sıvıdan gaz fazına hızlı bir şekilde dönüştürülmesi de reaktörün soğumasına neden olur. Küçük reaktörler (100 mL reaktör hacmi) soğuması için ek zamana ihtiyaç duyabilir. Kullanıcı güvenliği için, daha büyük ölçekte (>100 g amonya reaktör çalıştır, azot ile tasfiye gemiden mümkün olduğunca fazla amonyan çıkarmak ve boşaltmadan önce reaktör içeriğini soğutma yardımcı önerilir. Tipik olarak, amonigeri dönüştürmek ve/veya kurtarmak için laboratuvar ölçeğinde hiçbir girişimde bulunulmaz. AFEX ön işlem sürecinin ölçeklendirilmesi için en önemli tasarım zorluklarından biri, en az sermaye ve işletme maliyetleriyle amonyakların geri dönüştürülmesi olmuştur. Ayrıca, biyokütle sıvı amonya ekleyerek genellikle biyokütle soğur sıvı kısmi yanıp söner sürücüler, AFEX tedavi başlamadan önce biyokütle-amonya karışımı ısıtma gerektiren. Sıvı olarak amonyak eklemek yerine, biyokütleye amonyak buharı eklemek iki avantaj sunar: Birincisi, toplu biyokütlenin yüksek gözenekliliği amonyak buharının hızla taşınmasına izin verir ve biyokütle boyunca amonyak dağılımına bile yol açmaktadır. İkinci olarak, amonyağ buharı kolayca ve ekothermically nemli biyokütle entrained suya çözülür, hızlı ve eşit biyokütle ısıtır ısı üretimi ile sonuçlanan. Bu avantajlardan yararlanmak için hem MSU Dale laboratuvarı hem de MBI amonya buharı kullanarak AFEX tedavi yöntemleri geliştirmiştir. Dale laboratuvarı Gazlı Amonya Ön Arıtma (GAP) prosesi30geliştirdi ve MBI, pilot ölçekte gösterildiği paketlenmiş yatak AFEX reaktör prosesi(Şekil 1)4′ü geliştirdi. Paketlenmiş yatak AFEX reaktör sistemi bir buhar sıyırmayöntemi4 kullanarak amonya tam geri dönüşüm ile yarı toplu mod çalışma yeteneğine sahiptir 4,5. Bu yeni MBI pilot ölçekli süreç verimli amonyağ geri dönüşüm sırasında verimli bir şekilde biyokütle pretreat için amonyağ kimyasal ve fiziksel özellikleri yararlanır.
Burada, özel olarak inşa edilmiş 200 mL hacimli borurerererereretleri kullanarak laboratuvar ölçeğinde mısır stover AFEX ön işlem yapmak için ayrıntılı bir anahat salıyoruz(Şekil 2). AFEX önceden işlenmiş numuneler, ön işlem süreçlerinin etkinliğini göstermek için ticari olarak mevcut selülolitik enzim kokteylleri kullanılarak fermente edilebilir şekerlere sindirilmiştir. Laboratuvar ölçekli AFEX reaktörü için enzimatik hidroliz sonuçları daha büyük pilot ölçekli AFEX reaktör üretilen örneklerle karşılaştırıldı. Amacımız mısır stover gibi selülozik biyokütle üzerinde AFEX ön işlem gerçekleştirmek için laboratuvar ölçekli basınçlı reaktörlerin güvenli ve tutarlı çalışması için standart bir işletim prosedürü sağlamaktır. Bu laboratuvar ölçekli AFEX ön işlem sürecine ilişkin varyasyonlarla ilgili ek destekleyici bilgiler (örn. pilot ölçekli paketlenmiş yatak AFEX süreci) ek pdf dosyasında daha fazla vurgulanır. Paketlenmiş yatak AFEX süreci operasyonel adımlar hakkında ayrıntılı bir rapor ayrı bir yayında vurgulanır ve MBI-MSU’nun isteği üzerine kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
AFEX protokolü, selülolitik enzimler ve/veya mikroplar tarafından ön işlem öncesi malzemenin sindirilebilirliğini artırmak için yüksek sıcaklıklarda susuz amonyağ ve su varlığında bitki materyallerinin nasıl işlenirolduğunu açıklar. AFEX graminoid monocot türleri üzerinde son derece etkilidir (örneğin, mısır stover, switchgrass, miscanthus, pirinç saman, buğday saman, ve şeker kamışı bagasse) bu malzemelerin doğal olarak bol ester bağlantıları cleave sürecin verimliliği nedeniyle31. AFEX biyokütle dicots ve gymnosperms türetilen çok daha az etkilidir (sert ağaçlar, softwoods, ve yerli forbs)32,33 lignin-karbonhidrat bazlı ester bağlantılarının küçük oranda nedeniyle. Ancak, bu bağlantılar bitki biyoteknolojisi kullanılarak odunsu hücre duvarlarına getirildiğinde, AFEX ön işlem süreci çok daha etkili olur34.
Ester bağlantılarının bölünmesi bazı biyokütle bileşenlerinin malzemeden çıkarılmasını sağlar, ancak dış hücre duvar yüzeylerinde ekstraktif olarak yeniden depolanır, bu da selülolitikenzimlerinpenetrasyonunu ve eylemini kolaylaştıran nano ölçekli deliklerin oluşmasıyla sonuçlanır. AFEX önceden işlenmiş mısır stover işlenmemiş malzeme ile karşılaştırıldığında yüksek katı koşullar altında enzimatik hidroliz aşağıdaki glikoz ve ksiloz salınım hızında kabaca 3 kat artış gösterdi. Amonyağ ön tedaviler de seyreltik asit ön işleme göre daha az ve çok daha az inhibitör bozulma ürünleri üretmek35. AFEX ve seyreltik asit tedavi mısır stover bir önceki karşılaştırma seyreltik asit ön arıtma üretir gösterdi 316% daha fazla asit, 142% daha fazla aromatikler, ve 3,555% afex daha fazla furan aldehitler36, tüm bunlar mikroorganizmalar için inhibitör olabilir35,37. AFEX kuru-kuru bir süreç olduğundan, enzimatik hidroliz sırasında ekonomik olarak kullanılamayacak seyreltik sıvı akışı olarak şeker kaybı da yoktur. Ancak, bu enzimler hem selüloz-aşağılayıcı ve hemiselüloz-grading yeteneği ile enzimler tamamen glukoz ve ksiloz gibi karışık fermente şekerler içine enzimler enzimler enzimler enzimleri enzimler enzimler enzimleri yol açar enzimler enzimleri enzimler enzimleri tam olarak enzimhidromatik hidroliz sırasında hücre duvarı polisakkaritler yıkmak için gereklidir. Hemisselülozik oligomerler selülaz aktivitesiin inhibe bildirilmiştir38, yüksek bir nihai şeker verimi korumak için daha yüksek bir enzim yükleme gerektirebilir. Ancak, uygun enzim kokteylleroptimizasyonu AFEX ön işlem görmüş biyokütle sakarifikasyon sırasında genel enzim kullanımını azaltabilir39,40,41,42,43,44,45. AFEX ön işlem sürecinde ester bağlantılarının hidrolizi ve ammonolizi, işlem görmüş biyokütlede asit ve amid ürünlerinin oluşumuna yol açar (örn. asetik asit/ asetamid, ferulik asit/ferulamid, koumarik asit/kuumarlamid)36. Amidoluşumu fermantasyon sürecine yardımcı olduğu gösterilmiştir rağmen, önceden işlenmiş hammadde çok yüksek konsantrasyonlarda onların varlığı bir endişe olabilir eğer hayvanların beslenen biyomlar. AfEX ön işlemden önce NaOH veya Ca(OH)2 gibi alkali ile ester bağlantılarının ön hidrolizi sorunu gidermek için kullanılabilir.
AFEX işlemi sırasında susuz amonya ile çalışırken göz önünde bulundurulması gereken bir dizi güvenlik hususları vardır. Susuz amonya bakır, pirinç, alüminyum, karbon çeliği ve contalarda kullanılan yaygın floroelastomer polimerlerle reaksiyona girer (örn. Viton, vb.). Amonya ile temas eden herhangi bir boru veya reaktör bileşeni paslanmaz çelikten, contalar, valf koltukları ve hızlı bağlantı contaları mümkün olduğunda Teflon veya Kalrez’den yapılmalıdır. Amonyağ toksik bir kimyasal olarak kabul edilmez, ancak higroskopik ve kriyojenik özellikleri nedeniyle hala tehlikelidir. Bu kolayca hedefler ve ciddi göz ve solunum sisteminde mukoza zarar verebilir. Amonyoni kriyojenik bir sıvıdır ve amonya sızıntıları gaz akışı veya soğutulmuş ekipman ile doğrudan temas nedeniyle şiddetli donma neden olabilir. Amonyya 300 ppm’nin üzerindeki konsantrasyonlarda yaşam ve sağlık (IDLH) için hemen tehlikelidir. Konsantrasyonun 50 ppm’yi aşması durumunda işçiler derhal tahliye edilmelidir. Operatörlerin çevrelerindeki tehlikeli konsantrasyonları uyarmak için kalibre edilmiş amonyak monitörü takmaları önerilir. Ana çalışma alanına alarmlı sensörler inşamaları da tavsiye edilir. Amonyağ ile çalışan işçiler düzgün bir şekilde eğitilmeli ve metilamin kartuşları ile donatılmış kaçış solunum cihazları, kriyojenik ve ısı koruyucu eldivenler gibi koruyucu giysiler giymeli ve acil durumlarla başa çıkabilmek için hazırlıklı olmalıdır. Susuz amonyamaruz kalma durumunda, operatör güvenli hareket etmeli ve hemen en az 15 dakika su ile etkilenen alanı yıkamak. Amonya ön işlem süreci bir duman kaputu içinde yapılmalıdır, ve amonya silindirya ya bir duman başlık veya havalandırmalı dolap içinde saklanmalıdır. Deneyden sonra, önceden işlenmiş biyokütle bazı artık serbest amonya olacak ve ya kaputta bir gecede kurutulmuş ya da takip deneyleri için oda sıcaklığında plastik torbalarda depolama önce özel bir havalandırmalı kurutma kutusunda olmalıdır. Diğer bazı önemli güvenlik hususları reaktöre amonyanın tam olarak teslim edilmesine yardımcı olacak bir akış ölçerile amonya dağıtım sistemi ve ön işlem sürecinin geçireceği basıncın en az 1,5 katını işlemek üzere tasarlanmış bir reaktör (örneğin, AFEX işleminin 2 x 106 Pa basınçta işlenmesi için, reaktörün minimum basınç derecesi 3 x 106 Pa olmalıdır) kurulmasıdır.
AFEX ön işleme doğrudan hayvan yemi veya yakıt ve kimyasallar üretmek için bir hammadde olarak kullanılabilir son derece sindirilebilir bitki biyokütle üretmek için umut verici bir yöntemdir. Bu iki endüstrinin ötesinde, AFEX biyomalzemeler yapmak için biyo-yenilenebilir hammadde gibi diğer alanlarda veya biyogaz üretimi için bir hammadde olarak kullanmak bulabilirsiniz. Laboratuvar ölçeğindeki süreç uygun havalandırmalı alan ve güvenlik önlemleri ile donatılmış bir laboratuvarda yapılabilir ve mevcut çalışmalarımız bu küçültülmüş AFEX işleminin ölçekli ve/veya pilot AFEX reaktöründe üretilen malzemeye benzer sonuçlar gösterdiğini doğrulamaktadır. Laboratuvar ölçeğindeki AFEX işlemi, hammaddeleri, işleme koşullarını ve uygulamaları daha yüksek bir iş akışı yla test etmek için kullanılabilirken, sürecin pilot veya endüstriyel ölçeklerde nasıl performans göstereceğine dair makul bir beklenti sağlar.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu malzeme kısmen Great Lakes Bioenergy Araştırma Merkezi, ABD Enerji Bakanlığı, Bilim Dairesi, Biyolojik ve Çevresel Araştırmalar Ofisi tarafından Ödül Numaraları DE-SC0018409 ve DE-FC02-07ER64494 tarafından desteklenen çalışmalara dayanmaktadır. Rebecca Ong Michigan Teknoloji Üniversitesi (başlangıç finansman) kısmi destek kabul eder. Shishir Chundawat, ABD Ulusal Bilim Vakfı CBET ödülü (1604421), ORAU Ralph E. Powe Ödülü ve Rutgers Mühendislik Okulu’ndan (Başlangıç Fonu) kısmi destek kabul ediyor. Bruce Dale Michigan State University AgBioResearch ofis ve aynı zamanda USDA Ulusal Gıda ve Tarım Enstitüsü kısmi destek kabul eder. Venkatesh Balan Texas Eyaleti ve Houston Üniversitesi (Başlangıç Finansman) kısmi destek kabul eder. MBI çalışanları, ABD Enerji Bakanlığı ve Michigan State Üniversitesi vakfının kısmi desteğini kabul ediyor. Son olarak, bu makaleyi akıl hocamız ve ortak yazar ımız Prof. Bruce Dale’e, sürdürülebilir selülozik biyoyakıt yapma hayalimizi ortaklaşa sürdürmemiz için bize ilham kaynağı olarak adamak istiyoruz.
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).
