JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

تجزئة الكتلة الحيوية الليجنوسيلولوسية باستخدام عملية أورجانوكات

Published: June 05, 2021
doi:
10.3791/61933
, , , ,
1Institut für Bio- und Geowissenschaften,Pflanzenwissenschaften (IBG-2), Forschungszentrum Jülich

Summary

OrganoCat هو وسيلة لpretreatment و تقسيم lignocellulose في ظل ظروف معتدلة في اللجنين والسكريات القابلة للتخمير ، ولب السليلوز. في نظام مذيب حيوي ثنائي الطور من الماء و2-ميثيلتيتراهيدروفوران مع حمض 2,5-furancarboxylic كمحفز ، يتم فصل منتجات OrganoCat في الموقع لاستعادة المنتج مباشرة.

Abstract

ويتطلب التحول من اقتصاد قائم على النفط إلى اقتصاد أكثر استدامة وقائما على أساس بيولوجي تطوير مفاهيم جديدة للمصافي للحفاظ على إمدادات المواد الخام والطاقة. لهذه المفاهيم الجديدة والمستدامة للتحلل البيولوجي، من المهم استخدام المحفزات والمذيبات التي تتماشى مع مبادئ الكيمياء الخضراء. ولذلك، فإن تنفيذ البدائل البيولوجية يمكن أن يكون حلا واعدا. عملية المعالجة المسبقة للليغنوسيلولوس والكسر المعروضة هنا-OrganoCat-هو تقسيم متكامل لليغنوسيلولوس في مكوناته الرئيسية باستخدام الأحماض الحيوية مثل حمض furandicarboxylic 2,5 كمحفز. يتم إزالة الهيميسيلولوز وغيرها من السكريات البولية غير السليلوزية بشكل انتقائي عن طريق الحمض المخفف وتذوب ، في حين يبقى السليلوز البلوري في اللب الصلب. في وجود مرحلة عضوية ثانية تتكون من 2-ميثيلتيتراهيدروفوران الحيوية، يتم استخراج اللجنين المفكك في الموقع. تسمح العملية بالكسر الفعال للمكونات الرئيسية الثلاثة – اللجنين والسليلوز والسكريات غير السليلوزية. وهذا يساعد على التركيز على نوعية اللجنين، وتحسين التحلل المائي الأنزيمي لللب المخصب بالسليلوز، واستخراج السكر غير السليلوزي المعتدل مع انخفاض التدهور.

Introduction

وقد أدى استخدام الموارد الأحفورية إلى تحقيق تقدم تكنولوجي كبير لأنها تشكل الأساس للعديد من المنتجات الضرورية للحياة اليومية. غير أن محدودية الموارد مثل النفط والغاز على الأرض والأضرار البيئية المرتبطة باستغلالها تخلق حاجة ملحة إلى بدائل. الكتلة الحيوية Lignocellulosic هو مصدر واعد للمواد الكيميائية القائمة على الكربون، كما هو متجدد، تنوعا، ومحايدة الكربون1. يتكون ليغنوسيلولوس أساسا من ثلاثة كسور رئيسية للاستفادة من: الهيميسليلوز، السليلوز، واللجنين. تجهيزها الصناعي له تاريخ طويل. ومع ذلك، وضعت وعمليات واسعة الانتشار، مثل عمليات الكبريتيت وكرافت من صناعة الورق، والتركيز أساسا على السليلوز لاستخدامها في صناعة اللب والورق2. وهناك حاجة إلى تقييم كامل لجميع الكسور الليجنوسيلولوسية الثلاثة لجعل معالجة الليغنوسيلولوس نحو المواد الكيميائية أكثر ربحية من وجهات النظر الاقتصادية والبيئية.

في العديد من استراتيجيات تثمين الليغنوسيلولوس، اللجنين هو مجرد منتج ثانوي يتم حرقه في كثير من الأحيان لاستعادة الطاقة. حاليا، يستخدم فقط 1-2٪ من اللجنين المنتجة صناعيا لإنتاج منتجات ذات قيمة مضافة مثل المضافات الخرسانية، والمواد الخافضة للتسرب، والفانيلين3. ومع ذلك، فهو أكبر مصدر متجدد للعطريات، وبالتالي لديه خصائص واعدة للتطبيق كأساس للبوليمرات4، أليافالكربون5،والوقود2. تكمن التحديات في تثمين اللجنين في بنيته المعقدة وتنوعه، اعتمادا على المواد المصدرية وظروف الاستخراج. وعلاوة على ذلك، نظرا لظروف العملية، وعمليات تجزئة الليغنوسيلولوس الأكثر انتشارا تقديم اللجنين السلفونيد مع عدد كبير من الروابط C-C بين وحدات مونومر. لذلك ، فإن اللجنين المتاح تجاريا يمثل تحديا في إزالة الطابع.

وقد تم تطوير مجموعة من النهج المختلفة، التي تركز على الاستخدام الكلي لجميع الكسور الثلاثة، يجزأ الليجنوسيلولوس. تعتمد معظم العمليات على التحلل المائي للهيميسيلولوز ، إما بالأحماض والقواعد المخففة أو باستخدام الانحلال الذاتي للمياه في درجات حرارة مرتفعة. كواحد من الخيارات الأكثر استكشافا، تستخدم عمليات الأورجانوسلف المذيبات العضوية منخفضة الغليان، وعادة ما تكون بالاقتران مع الماء. وتشمل المتغيرات المعروفة لهذه العملية عملية Alcell ، التي تستخدم الإيثانول بنسبة 50 ٪ ، وعملية Organocell ، التي تستخدم الميثانول في الخطوة الأولى وتضيف NaOH في الخطوة الثانية. كما توصف العمليات العضوية الحمضية التي تستخدم حمض الفورميك أو الخليك2. نظرا للتركيز مؤخرا على تثمين اللجنين كمنتج حيوي رئيسي ، تم تطوير نهج جديدة ، تجمع بين استخراج اللجنين وخطوات التحويل اللاحقة أو المتكاملة لتسفر عن مركبات اللجنين الأصغر والمنتجات الأكثر استقرارا وقيمة6و7و8.

وتستند عملية تجزئة الليغنوسيلولوسية OrganoCat (OrganoCat) على نظام من مرحلتين من الماء و2-ميثيلتيتراهيدروفوران (2-MTHF)9. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام حمض عضوي قابل لإعادة التدوير كمحفز ، والذي يقوم بشكل انتقائي بتحلل الهيميسيلولوز في درجات حرارة معتدلة. يمكن إنتاج جميع المواد الكيميائية العملية بطريقة غير مكلفة نسبيا والبيولوجية، مما يقلل من الأثر البيئي للعملية وفقا لمبادئ الكيمياءالخضراء 10. توفر العملية ثلاثة تيارات منتج منفصلة مع اللجنين في المرحلة العضوية ، والسكريات الهيميسيلولوز التي تم إزالة غمرها في المرحلة المائية ، واللب المخصب بالسليلوز كبقايا صلبة. وبما أنه يمكن فصل تيارات المنتجات بسهولة، يمكن تخفيض الخطوات النهائية والطلب على الطاقة وتكاليف المواد بشكل كبير مقارنة، على سبيل المثال، بالنهج أحادية المراحل. اللجنين له وزن جزيئي منخفض نسبيا وعدد كبير من β-O-4 روابط11. يمكن استخدام السكريات الهيميسليلوزية التي تم إزالة غمرها للتخمير أو التحويل إلى مواد كيميائية دقيقة12. اللب السليلوز هو الوصول إلى حد كبير ل depolymerization الأنزيمية9.

تستخدم عملية OrganoCat الأصلية حمض الأوكسيليك كمحفز لتفتيت الليجنوسيلولوسي. ويمكن بعد ذلك حمض أوكساليك يمكن استردادها عن طريقتبلور 9. ومع ذلك ، فإن هذا يزيد من تكاليف العملية لتبريد رد الفعل والتبخر الجزئي للمياه. التحلل الجزئي لحمض الأوكسيليك من شأنه أن يقلل من الإيرادات13أخرى. لهذا السبب، تم تحسين عملية أورجانوكات من خلال إدخال حمض furandicarboxylic 2,5 (FDCA) كمحفز11. FDCA ليس فقط حمضية بما فيه الكفاية لتحفيز رد الفعل، ولكن يمكن أيضا أن تستمد من الجلوكوز عن طريق الجفاف إلى 5-هيدروكسي ميثيلفورفورال والأكسدة اللاحقة مع المحفزات القائمة على المعدن أو المحفزات الحيوية14،15،16،17. على الرغم من أن حموضة FDCA أقل قليلا ، إلا أنها تتمتع بالاستقرار الحراري أعلى من حمض الأوكسيليك. FDCA لديه قابلية منخفضة للذوبان في الماء في درجة حرارة الغرفة، مما يسمح بانتعاشها مباشرة من المرحلة المائية بعد رد الفعل.

تم تطوير توسيع نطاق عملية OrganoCat بنجاح إلى مفاعل 3 لتر18. دراسات إضافية على أورجانوكات اللجنين وجدت أن هطول الأمطار المضادة للمذيبات مع ن-hexane أو ن-pentaneتسمح كفاءة الطاقة اللجنين الانتعاش19. كان من الممكن الحصول على كسور اللجنين مع الأوزان الجزيئية المختلفة20. تقدم هذه الورقة الطريقة التحضيرية الكاملة لعملية تجزئة قابلة للتطوير من خطوة واحدة للكتلة الحيوية الليجنوسيلولوسية باستخدام FDCA كمحفز. هذه العملية تسفر عن استخراج اللجنين، والهيميسليلوز مزيلة للبروم، ولب السليلوز في ثلاثة تيارات المنتجات للانفصال بسهولة.

Protocol

ملاحظة: قد يتم إيقاف العملية مؤقتا عند أي نقطة عن طريق ترك العينات في درجة حرارة الغرفة (لبضعة أيام) أو في الثلاجة (لفترات أطول). راجع جدول المواد للحصول على تفاصيل حول المواد المستخدمة في هذا البروتوكول. 1. جزيئات خشب الزان توليد حجم الجسيمات المطلوب من خشب الزان(Fagus sp.) باستخدام مطحنة القطع مع منخل 10 ملم، وتجفيف الجسيمات في 50 درجة مئوية إلى كتلة ثابتة (~ 24 ساعة)، وترك محتوى الرطوبة المتبقية من الماء ~ 10٪. 2. الكسر الليغنوسيلولوسي ووركوب ليغنوسيلولوس المعالجة المسبقة والكسر تعليق 500 ملغ من خشب الزان(Fagus sp.) الجسيمات و 78.0 ملغ (0.5 مليمول, 0.1 M) من FDCA في 5 مل من المياه فائقة الشراء في درجة حرارة الغرفة في 25 مل الفولاذ المقاوم للصدأ مفاعل الضغط العالي. أضف 5 مل من 2-MTHF وشريط تحريك إلى التعليق، وإغلاق المفاعل. سخني المفاعل إلى 160 درجة مئوية على طبق تدفئة بسرعة تحريك 1500 دورة في الدقيقة لمدة ساعة واحدة. دع رد الفعل يبرد لدرجة حرارة الغرفة في الماء المثلج على مدى ~ 10 دقائق. افتح المفاعل، وأضف 52.5 ميكرولتر من محلول NaOH (50 واط٪ NaOH في الماء المقطر)، وحرك لمدة 15 دقيقة في درجة حرارة الغرفة و500 دورة في الدقيقة على لوحة إثارة. عزل المرحلة العضوية والتحديد الكمي لللجنين الطرد المركزي الخليط (درجة حرارة الغرفة، 5 دقائق، 1880 × غرام). استخدم ماصة لنقل المرحلة العضوية (2-MTHF) إلى قارورة مستديرة القاع سعة 50 مل. تبخر المرحلة العضوية في المبخر الدوار (40 درجة مئوية، 200 دورة في الدقيقة، 180 مبار) حتى يتم الحصول على كسر اللجنين الصلب والجاف. تحديد غلة اللجنين عن طريق وزنها مع التوازن التحليلي. تخزين اللجنين الصلبة في درجة حرارة الغرفة لمزيد من التحليل. فصل اللب الصلب المخصب بالسليلوز والمرحلة المائية تصفية المرحلة المائية باستخدام ورقة تصفية السليلوز (17-30 ميكرومتر حجم المسام) في قمع لعزل اللب المخصب السليلوز، ونقل المرحلة المائية إلى قارورة 5 مل. اغسل اللب حتى درجة الحموضة المحايدة بماء 3 × 25 مل، وخزن محلول الغسيل بشكل منفصل في كوب سعة 100 مل. جفف اللب عند 80 درجة مئوية إلى كتلة ثابتة (~ 24 ساعة). تحديد غلة اللب المجففة عن طريق وزنها مع التوازن التحليلي. FDCA الانتعاش والعزلة من مرحلة مائي ضبط درجة الحموضة للمرحلة المائية وحل الغسيل من الخطوة 2.3 بشكل منفصل تحت التحريك المستمر إلى درجة الحموضة 1 باستخدام HCl المركزة في حين تبريد الحل في حمام الجليد. التحكم في الرقم الحموضة باستخدام ورقة مؤشر عالمي. تصفية الصلبة عجلت (FDCA) من كلا الحلين، والجمع بين المخلفات، وجافة في 80 درجة مئوية إلى كتلة ثابتة (~ 24 ساعة). تجاهل يغسل. تحديد العائد FDCA عن طريق وزنها مع التوازن التحليلي. نقل المرحلة المائية إلى قارورة 25 مل، وتخزينها في 4 درجة مئوية للتحليل. إعداد عينة للقياس الكمي للفورفي إجراء تجربة منفصلة لتحديد كمية furfural. كرر الخطوات 2.1.1-2.2.1. إضافة 40 ملغ من نديكان كمعيار داخلي لكسر المذيبات العضوية التي تم جمعها، وتخزينها للتحليل. 3. تحليل تحليل السكر في المرحلة المائية من خلال الكروماتوغرافيا عالية الأداء لتبادل الأيونات مع الكشف عن القياسات الأمفيتامينية النابضة (HPAEC-PAD) تمييع 10 ميكرولتر من المرحلة المائية التي تم جمعها في الخطوة 2.4.3 مع 190 ميكرولتر من الماء المقطر. أضف 10 ميكرولتر من 2 mM 2-deoxy-D-الجلوكوز إلى العينة المخففة. تنفيذ فصل السكريات الأحادية على عمود فاصل أحادي السكريد بمعدل تدفق 0.5 مل∙دقيقة-1،وحقن العينة بعد التوازن مع 2 M NaOH لمدة 10 دقيقة. فصل السكريات المحايدة مع 2 MM NaOH أكثر من 18 دقيقة. بعد ذلك، استخدم 550 mM NaOH لمدة 10 دقائق لفصل الأحماض الأورونية. شطف العمود مع 800 mM NaOH لمدة 10 دقيقة.ملاحظة: يقوم البرنامج بتطبيع كميات السكريات الأحادية إلى مقدار المعيار الداخلي وتحديدها كميا باستخدام منحنيات المعايرة القياسية للشاريدات الأحادية المختلفة. تحليل اللجنين عبر 1H-13C سداسي الأجسام أحادية الارتباط الكمي الرنين المغناطيسي النووي(1H-13C-HSQC NMR) حل ~ 50 ملغ من اللجنين في 0.5 مل من ثنائي ميثيل سلف أكسيد deuterated ([د6] DMSO)، ونقل الخليط إلى أنبوب NMR. إجراء قياساتNMR1 H-13C HSQC (وقت القياس 220 دقيقة) باستخدام مطياف MHz 400. تحديد أنواع الروابط الموجودة في اللجنين باستخدام الطيف. الإشارة إلى التحول الكيميائي للطيف إلى إشارة DMSO (δ (1H) = 2.500 جزء في المليون ؛ δ (13C) = 39.52 جزء في المليون). قم بإجراء تصحيح يدوي للمرحلة على كلا المحورين حتى تصبح جميع الإشارات موجبة، ثم قم بإجراء تصحيح خط الأساس. دمج إشارات الوحدات العطرية والروابط بين اللجنين؛ انظر الجدول 1 للتحولات الكيميائية. حساب مجموع الوحدات العطرية (أروم.) باستخدام الصيغة التالية:Σ(arom.) = (S2,6 / 2) + ((G2 + G5) / 2) + (H2,6 / 2) (1)مع Si كونها جزءا لا يتجزأ على إشارة المقابلة للبروتونات 2 و 6 syringyl، Gi يجري تكاملات على الإشارات المقابلة للبروتونات غواياسيل 2 و 5، و HI كونها جزءا لا يتجزأ على إشارة المقابلة للبروتونات 2 و 6 فهيدروكسيفينيل. حساب النسبة المئوية لكل وحدة باستخدام الصيغ التالية:S = (S2,6/ 2) / Σ(arom.) × 100٪ (2)G = ((G2 + G5) / 2) / Σ(arom.) × 100٪ (3)H = (H2,6 / 2) / Σ(arom.) × 100٪ (4)مع S، G، و H هي النسب المئوية لكل من مونومرات-syringyl-(S)، guaiacyl-(G)، وp-هيدروكسيفينيل(H)-وحدات مونومر لكل 100 وحدة مونومر. حساب عدد الارتباطات لكل 100 وحدة باستخدام الصيغ التالية:β-O-4 روابط = α β-O-4 / Σ(arom.) × 100٪ (5)الروابط = (α β-β + β β-β + γ β-β) / Σ(arom.) × 100٪ (6)الروابط = (α β-5 + β β-5 + γ β-5) / Σ(arom.) × 100٪ (7)مع α β γ كونها جزءا لا يتجزأ من الإشارة المقابلة للإشارات α β والبروتونات γ من β المقابلة -O- 4 – ، β β β – 5 الروابط.ملاحظة: يتم إعطاء الروابط كرابط لكل 100 وحدة أحادية. بسبب تداخل القمم، يتم حسابβ-O-4باستخدام إشارة البروتون α فقط. وتحسب الروابط β β وروابط β-5 باستخدام جميع إشارات الربط المقابل. تحليل كروماتوغرافيا تتغلغل هلامية (GPC) حل 10 ملغ من اللجنين المجفف و 1 ملغ من الجلوكوز (كمعيار داخلي) في 1 مل من 0.1 M NaOH و 0.01 wt٪ NaN3 محلول مائي في كروماتوغرافيا غاز 1.5 مل (GC) – قارورة. أغلق قارورة GC باستخدام غطاء مع الحاجز. حقن 100 ميكرولتر من العينة في نظام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) مجهزة جهاز الكشف عن الأشعة فوق البنفسجية ورصد الطول الموجي من λ = 280 نانومتر. استخدام نظام يتكون من نظام حقن مقسم/بدون تقسيم درجة حرارة precolumn مع السيليكا القطبية (8 مم × 50 مم) وثلاثة أعمدة هلامية (8 مم × 300 مم، قطر جسيم: 5 ميكرومتر، عرض المسام الاسمي: 1000 Å) بمعدل تدفق 1 مل دقيقة-1. الرجوع إلى البيانات التي تم الحصول عليها إلى إشارة المعيار الداخلي (الجلوكوز). حساب التوزيع الشامل باستخدام البرنامج، المشار إليها إلى معايرة خارجية مع البولي (السلفونات الستيرين) في نطاق من 266 إلى 65000 دا. القياس الكمي للفورفالي عبر GC إضافة 20 ملغ نديكان كمعيار داخلي للمرحلة العضوية من المعالجة المسبقة OrganoCat. نقل 1 مل من المرحلة العضوية إلى 1.5 مل GC-قارورة. حقن 1 ميكرولتر من هذا المحلول في كروماتوجراف الغاز باستخدام عمود 30 م مع مرحلة ثابتة بولي يوريثان غليكول القطبية والهيليوم كغاز الناقل مع معدل تدفق 1.5 مل دقيقة-1 وكاشف تأين اللهب. حدد درجة الحرارة الأولية إلى 50 درجة مئوية، ثم ارفعها بمقدار 8 درجات مئوية-1 إلى 250 درجة مئوية وحافظ على درجة حرارتها عند 250 درجة مئوية لمدة 5 دقائق. قياس الفراء باستخدام التكاملات (Int) التي قدمها البرنامج وعامل تصحيح محسوب خارجيا (cf). إعداد عينة من 1 ملغ من furfural و 5 ملغ من نديكان في 1 مل من 2-MTHF، وحقنه في GC باستخدام الإجراء المذكور أعلاه. حساب عامل التصحيح كما يلي:cf = (Int(n-decane) / m (n-decane)) / (Int(furfural) / Int(furfural)) (8) استخدم عامل التصحيح لحساب مقدار furfural في العينة غير معروف مع الصيغة التالية:م (furfural) = م (ن- decane) / Int (ن-decane) × cf × Int (furfural) (9) التحلل المائي لب الورق المخصب بالسليلوز تنفيذ التحلل المائي اللب من بقايا السليلوز المخصب التي تم الحصول عليها من المعالجة المسبقة OrganoCat في كتلة التدفئة مع خلط (انظر جدول المواد) باستخدام قارورة 1.5 مل. إضافة 20 ملغ من اللب المخصب السليلوز و 10 ميكرولتر من السيلولاز (60 وحدة ورق فلتر (FPU) مل-1 و 82 وحدة cellobiase (CBU) مل-1) إلى 1 مل من المخزن المؤقت سيترات (درجة الحموضة = 4.5) في قارورة 1.5 مل، ويهز عند 50 درجة مئوية لمدة 0 ساعة، 1 ساعة، أو 72 ساعة. بعد ذلك، سخني العينات إلى 99 درجة مئوية لمدة 10 دقائق لتزين الإنزيمات. تحديد تركيز الجلوكوز باستخدام مجموعة اختبار الجلوكوز (hexokinase).

Representative Results

مجموعة نموذجية من الشروط لمعالجة الليجنوسيلولوس المسبق وعملية الكسر OrganoCat (OrganoCat) يستخدم 0.1 M FDCA كمحفز، وتحميل الكتلة الحيوية من 100 غرام L-1 (خشب الزان، مقارنة بالمرحلة المائية)، 1 ساعة من وقت رد الفعل و 160 درجة مئوية كدرجة حرارة رد الفعل. وقد نشرت تكوين خشب الزان في مكان آخر21 (~ 48٪ السليلوز، 27٪ هيميسيلولوس، 26٪ اللجنين). ويبين الشكل 1 التحلل المائي الهيميسيلولوز المستخرج مع هذه المجموعة من الشروط وكذلك وقت رد الفعل الأطول (3 ح) ودرجة الحرارة المنخفضة (140 درجة مئوية). استخدام ظروف أقسى، على سبيل المثال،ارتفاع درجة الحرارة ووقت رد الفعل الأطول، قد يؤدي إلى ارتفاع غلة الاستخراج، ولكن يؤدي أيضا إلى مزيد من تدهور المنتجات-furfural هو منتج تدهور من الزيلوز، في حين أن 5-(هيدروكسي ميثيل) furfural (5-HMF) هو نتيجة تدهور المقابلة من الجلوكوز. ولوحظ وجود كمية أعلى من الفراء في المنتجات (موزعة بين المراحل المائية والعضوية) مع وقت رد فعل قدره 3 ساعة عند 160 درجة مئوية. وبما أن منتجات تدهور السكر هي رد فعل للغاية وتميل إلى تشكيل humins-oligomers من furans والسكريات – وقت رد الفعل أقصر في درجة حرارة أعلى يمكن اعتبار حلا وسطا جيدا بين كفاءة استخراج عالية وانخفاض تدهور السكر. كمية اللجنين المستخرجة ترتبط مباشرة بدرجة حرارة التفاعل والوقت أيضا. يعرض الشكل 2 كمية اللجنين المستخرجة، ومحتوى β-O-4-الربط، والجماهير الأضراس المتوسطة للجنيه المستخرج. في حين أن غلة اللجنين المستخرجة ترتفع مع وقت رد فعل أطول ، فإن عدد β -O- 4 – الروابط يقلل بمقدار النصف تقريبا عند التفاعل لمدة 3 ساعة بدلا من 1 ساعة. خفض درجة حرارة التفاعل من 160 درجة مئوية إلى 140 درجة مئوية له تأثير أقل بكثير على اللجنين ، مما يؤدي إلى انخفاض طفيف في الغلة ، وكتلة ضرس أصغر متوسط الكتلة ، وارتفاع β -O- 4 المحتوى. كما الانزيمية التحلل المائي من (لغة-)السليلوز هو مؤشر مشترك لكفاءة pulping، تم تطبيق كوكتيل السليلوز التجارية لب الورق OrganoCat مختلفة الناتجة عن مجموعات حالة رد فعل OrganoCat المذكورة أعلاه (الشكل 3). كما لم يتم تحسين السيلولاز للركائز، وتحويل السليلوز العام لا يمكن مقارنتها إلى أحدث أداء؛ ومع ذلك، فإنه يسمح مقارنة اللب مختلفة لبعضها البعض. وقت رد الفعل أطول معارض تأثير كبير على وقت رد الفعل الأولي والجلوكوز العائد بعد 72 ساعة, تحسين بعامل ~ 2.5. يبدو أن خفض درجة الحرارة يظهر تأثيرا أصغر بكثير ، مما يعني أن العامل الرئيسي الذي يسبب الاختلافات في قابلية الهضم الأنزيمية داخل هذا العلاج هو درجة ال delignification. الشكل 1: استخراج السكر وإنتاج furfural في عملية OrganoCat مع 0.1 M 2,5-furandicarboxylic حمض كمحفز و 100 غرام L-1 خشب الزان (مقارنة بالمرحلة المائية) في درجات حرارة رد فعل مختلفة وأوقات كما هو مبين على المحور س11. وقد أجريت جميع التجارب في ثلاث نسخ. يظهر المتوسط مع الانحراف المعياري. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 2: كمية وتحليل اللجنين المستخرجة من عملية OrganoCat مع 0.1 M 2,5-furandicarboxylic حمض كمحفز و 100 غرام L-1 خشب الزان (مقارنة بالمرحلة المائية) في درجات حرارة رد فعل مختلفة وأوقات كما هو مبين على المحور س11. وقد تم حساب غلة اللجنين في ثلاثة محاصيل. يظهر المتوسط مع الانحراف المعياري. وقد استمدت الكتلة الجزيئية والروابط من تجارب فردية تمثيلية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 3: الانزيمية التحلل المائي من اللب. غلة الجلوكوز بعد 72 ساعة (القضبان الزرقاء) ومعدلات التفاعل في غضون الساعة الأولى (القضبان الرمادية) من التحلل المائي من خشب الزان غير المعالجة واللب المخصب السليلوز التي تم الحصول عليها من OrganoCat مع 0.1 M 2,5-furandicarboxylic حمض كمحفز و 100 غرام L-1 خشب الزان (مقارنة بالمرحلة المائية) في درجات حرارة رد فعل مختلفة وأوقات كما هو مبين على المحور العاشر. تم تطبيق Cellulase على الركائز المختلفة عند 50 درجة مئوية لمدة تصل إلى 72 ساعة في المخزن المؤقت contrite (درجة الحموضة 4.5)11. وقد أجريت جميع التجارب في ثلاث نسخ. يظهر المتوسط مع الانحراف المعياري. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. وحدة δ الوردية (1H) (13C ) الصله δ الوردية (1H) (13C ) [ppm] [ppm] S2,6 (6.95–6.46) (106.8–101.9) α β-O-4 (5.08–4.69) (75.8–69.9) G2 (7.12–6.72) (113.4–108.7) α β-β (4.72–4.58) (87.46–84.0) G5 (7.04–6.51) (117.8–113.4) β β-β (3.35–3.11) (62.0–57.9) ح2,6 (7.01–6.8) (129.1–123.2) γ β-β 1 (4.26–4.09) (73.0–70.0) γ β-β 2 (3.87–3.71) (73.0–70.0) α β-5 (5.51–5.41) (88.8–86.6) β β-5 (3.52–3.42) (54.0–52.1) γ β-5 (3.80–3.67) (64.1–62.1) الجدول 1: التحولات الكيميائية التي يحددها 1H-13C heteronuclear واحد الكم الارتباط الرنين المغناطيسي النووي(1H-13C-HSQC NMR) لروابط مختلفة في اللجنين. الاختصارات: S = وحدة syringyl، G = وحدة غوايسيل، H = ف-وحدةهيدروكسيفينيل.

Discussion

يظهر الكسر الموصوف للليجنوسيلولوس مقايضة بين كفاءة التحلل المائي للهيدرولوجيا والانتقائية لتجنب تدهور السكر إلى الفوران ، اعتمادا على وقت رد الفعل ودرجة الحرارة(الشكل 1). وتأثر استخراج اللجنين بالمثل بالظروف الأكثر قسوة. خصوصا تخفيض β- O-4-الروابط وتعزيز الوزن الجزيئي المتوسط الشامل بسبب إعادة التكون في درجة حرارة أعلى ووقت رد الفعل يؤكد هذا الحل الوسط الذي يجب القيام به. اختيار وقت رد الفعل ودرجة الحرارة وبالتالي خطوة حاسمة في هذه العملية تجزئة lignocellulose. كما يبدو أن كفاءة التحلل المائي الأنزيمي يتم تحديدها في الغالب من خلال الاضفاء على عملية OrganoCat المحفزة من FDCA ، فإن أقسى ظروف المعالجة توفر اللب الأكثر سهولة. الاختلافات الأخرى للعملية9،11،18،22، على سبيل المثال ، باستخدام محفزات مختلفة ، تظهر أن قوة المحفز وhh النهائي في الحل التفاعلي لها أقوى تأثير على كفاءة العملية. وقد ثبت أن تعديلات الإجراء ، على سبيل المثال، preswelling مع حمض الفوسفوريك ، لها تأثير مفيد كذلك22. نظرا لمجموعة متنوعة في تكوين، ومع ذلك، فإن عملية يحتاج التحسين، اعتمادا على المواد الخام المختلفة21. وبالنظر إلى الأداء العام للعملية، يجب النظر في تنقية الكسور المنفصلة في المصب، ولهذا السبب تلعب الانتقائية دورا رئيسيا. بالمقارنة مع العمليات الأخرى الشبيهة بالأعضاء ، يستخدم OrganoCat نظام المياه ثنائي الطور / 2-MTHF ، والذي يوفر المكونات الرئيسية في ثلاثة تيارات منفصلة ومباشرة نسبيا. وبهذه الطريقة، يمكن تخفيض المزيد من تكاليف الطاقة والمعدات الناتجة عن ذلكبنسبة 13و18.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم تنفيذ هذا العمل كجزء من مجموعة التميز “الوقود المصمم خصيصا من الكتلة الحيوية” و “مركز علوم الوقود”، والتي تمولها مبادرة التميز لمؤسسة الأبحاث الألمانية لتعزيز العلوم والبحوث في الجامعات الألمانية، فضلا عن جزء من مركز علوم الاقتصاد الحيوي (BioSC)، بدعم من مختبر التركيز AP³ المشروع. 11- وقد قدمت وزارة الابتكار والعلوم والبحوث الدعم المالي للأنشطة العلمية لمركز علوم الاقتصاد الحيوي في إطار اللجنة الاستراتيجية للعلوم البيولوجية (رقم 313/323-400-002 13).

Materials

1200 HPLC system Agilent n.a. was used for size exclusion chomatogaphy
2,5-furandicarboxylic acid TCI Deutschland GmbH F0710 Purity: >98.0%(T)(HPLC)
2-methyltetrahydrofuran Carl Roth GmbH 6845.4 SOLVAGREEN ≥99 %, extra pure
Accellerase 1500 Provided by Genencor (60 FPU mL-1 and 82 CBU mL-1; 2300 AE Leiden, Netherlands) n.a. cellulase for pulp hydrolysis
beech wood (Fagus sp.) local supplier n.a.
BioTek Power Wave HT UV-Vis Spectrometer BioTek Germany, 74177 Bad Friedrichshall, Germany BT-RPRWI
Bruker AS400 (400 MHz) Spectrometer Bruker, Billerica, MA 01821, USA n.a. HSQC-NMR analysis
CarboPac PA20 column Dionex 302747 monosaccharide separator column for high-performance anion-exchange chromatography
centrifuge 5430 R Eppendorf 5428000610
Focus GC Thermo Fischer n.a. gas chromatograph
Glucose (hexokinase) assay kit Sigma-Aldrich GAHK20-1KT
GPC- precolumn PSS PolarSil in DMAc PSS Polymer Strandards Service GmbH PSA080505 precolumn with polar silica (8 x 50 mm)
HP-INNOwax column 30 m Agilent J & W 19091N-213IE GC column with a polar polyethylene glycol stationary phase
PSS MCX PSS Polymer Strandards Service GmbH  MCA0830051E3 gel columns (8 x 300 mm, particle diameter: 5 µm, nominal pore width: 1000 Å
ThermoMixer Eppendorf n.a. mixing and heating block
tinyclave steel Typ 3 / 25 mL Büchi 49,33,45,10,000 100 bar, 200 °C
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Isikgor, F. H., Becer, C. R. Lignocellulosic biomass: a sustainable platform for the production of bio-based chemicals and polymers. Polymer Chemistry. 6 (25), 4497-4559 (2015).
  2. Azadi, P., Inderwildi, O. R., Farnood, R., King, D. A. Liquid fuels, hydrogen and chemicals from lignin: A critical review. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 21, 506-523 (2013).
  3. Aro, T., Fatehi, P. Production and application of lignosulfonates and sulfonated lignin. ChemSusChem. 10 (9), 1861-1877 (2017).
  4. Kai, D., et al. Towards lignin-based functional materials in a sustainable world. Green Chemistry. 18 (5), 1175-1200 (2016).
  5. Fang, W., Yang, S., Wang, X. -. L., Yuan, T. -. Q., Sun, R. -. C. Manufacture and application of lignin-based carbon fibers (LCFs) and lignin-based carbon nanofibers (LCNFs). Green Chemistry. 19 (8), 1794-1827 (2017).
  6. Linger, J. G., et al. Lignin valorization through integrated biological funneling and chemical catalysis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (33), 12013-12018 (2014).
  7. Liao, Y., et al. A sustainable wood biorefinery for low-carbon footprint chemicals production. Science. 367 (6484), 1385-1390 (2020).
  8. Galkin, M. V., Samec, J. S. M. Lignin valorization through catalytic lignocellulose fractionation: a fundamental platform for the future biorefinery. ChemSusChem. 9 (13), 1544-1558 (2016).
  9. vom Stein, T., et al. From biomass to feedstock: one-step fractionation of lignocellulose components by the selective organic acid-catalyzed depolymerization of hemicellulose in a biphasic system. Green Chemistry. 13 (7), 1772-1777 (2011).
  10. Anastas, P. T. Meeting the challenges to sustainability through green chemistry. Green Chemistry. 5 (2), 29-34 (2003).
  11. Weidener, D., et al. One-step lignocellulose fractionation by using 2,5-furandicarboxylic acid as a biogenic and recyclable catalyst. ChemSusChem. 11 (13), 2051-2056 (2018).
  12. vom Stein, T., Grande, P. M., Leitner, W., Domínguez de María, P. Iron-catalyzed furfural production in biobased biphasic systems: from pure sugars to direct use of crude xylose effluents as feedstock. ChemSusChem. 4 (11), 1592-1594 (2011).
  13. Viell, J., Harwardt, A., Seiler, J., Marquardt, W. Is biomass fractionation by Organosolv-like processes economically viable? A conceptual design study. Bioresource Technology. 150, 89-97 (2013).
  14. Ait Rass, H., Essayem, N., Besson, M. Selective aerobic oxidation of 5-HMF into 2,5-furandicarboxylic acid with Pt catalysts supported on TiO2 – and ZrO2 -based supports. ChemSusChem. 8 (7), 1206-1217 (2015).
  15. Yi, G., Teong, S. P., Zhang, Y. Base-free conversion of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-furandicarboxylic acid over a Ru/C catalyst. Green Chemistry. 18 (4), 979-983 (2016).
  16. Ardemani, L., et al. Solid base catalysed 5-HMF oxidation to 2,5-FDCA over Au/hydrotalcites: fact or fiction. Chemical Science. 6 (8), 4940-4945 (2015).
  17. Domínguez de María, P., Guajardo, N. Biocatalytic valorization of furans: opportunities for inherently unstable substrates. ChemSusChem. 10 (21), 4123-4134 (2017).
  18. Grande, P. M., et al. Fractionation of lignocellulosic biomass using the OrganoCat process. Green Chemistry. 17 (6), 3533-3539 (2015).
  19. Holtz, A., et al. Process development for separation of lignin from OrganoCat lignocellulose fractionation using antisolvent precipitation. Separation and Purification Technology. 236, 116295 (2020).
  20. Weidener, D., et al. Lignin precipitation and fractionation from OrganoCat pulping to obtain lignin with different sizes and chemical composition. Molecules. 25 (15), 3330 (2020).
  21. Weidener, D., et al. Multiscale analysis of lignocellulose recalcitrance towards OrganoCat pretreatment and fractionation. Biotechnology for Biofuels. 13 (1), 155 (2020).
  22. Weidener, D., et al. Lignocellulose fractionation using recyclable phosphoric acid: lignin, cellulose, and furfural production. ChemSusChem. 14 (3), 909-916 (2020).

Tags

Lignocellulosic BiomassOrganoCat ProcessLignin-cellulose FractionationTwo-phase One-pot ReactionHigh Product QualityStraightforward SeparationCatalyst And Solvent RecyclingBiogenic ChemicalsLignin ValorizationConsistent And Valuable LignansCentrifugationFDCA2-MTHFSodium HydroxideLignin YieldCellulose-enriched Pulp

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Schoofs, L., Weidener, D., Schurr, U., Klose, H., Grande, P. M. Fractionation of Lignocellulosic Biomass using the OrganoCat Process. J. Vis. Exp. (172), e61933, doi:10.3791/61933 (2021).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image