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

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

שבר ביומסה ליגנוקולוסית באמצעות תהליך OrganoCat

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

Summary

OrganoCat היא שיטה לטיפול מראש ופירוק של ליגנוקולוז בתנאים קלים לתוך ליגנין, סוכרים מותססים, עיסת תאית. במערכת ממס ביוגנית, דו-פאזית של מים ו-2-מתיל-טרהידרופורן עם 2,5-furancarboxylic חומצה כזרז, מוצרי OrganoCat מופרדים במקום להתאוששות מוצר פשוטה.

Abstract

המעבר ממשק מבוסס נפט לכלכלה בת קיימא וביו יותר מחייב פיתוח של מושגי זיקוק חדשים כדי לשמור על אספקת חומרי גלם ואנרגיה. עבור מושגים חדשניים ובר קיימא אלה biorefinery, חשוב להשתמש זרזים וממסים התואמים את העקרונות של כימיה ירוקה. לכן, יישום של חלופות ביוגניות יכול להיות פתרון מבטיח. תהליך הטיפול והשבר של ליגנוקולוז המוצג כאן-OrganoCat הוא שבר משולב של ליגנוקלוז למרכיביו העיקריים באמצעות חומצות ביוגניות כגון 2,5-furandicarboxylic חומצה כזרז. Hemicelluloses ופוליסכרידים שאינם תאית אחרים הם depolymerized באופן סלקטיבי על ידי חומצה מדוללת מומס, בעוד תאית גבישית נשאר בעיסת מוצק. בנוכחות שלב אורגני שני המורכב מ- 2-מתיל-טרהידרופורן ביוגני, ליגנין מנותק מופק במקום. התהליך מאפשר פירוק יעיל של שלושת הרכיבים העיקריים-ליגנין, תאית וסוכרים שאינם צלולוזיים. זה עוזר להתמקד באיכות של ליגנין, שיפור הידרוליזה אנזימטית של עיסת מועשר תאית, ואת מיצוי סוכר לא צלולוזי מתון עם השפלה נמוכה.

Introduction

השימוש במשאבי מאובנים הביא להתקדמות טכנולוגית רבה כאשר הם מהווים את הבסיס למוצרים רבים החיוניים לחיי היומיום. עם זאת, הגבלת משאבים כגון נפט וגז על פני כדור הארץ והנזקים הסביבתיים הקשורים לניצולם יוצרים צורך דחוף בחלופות. ביומסה ליגנוקולוסית היא מקור מבטיח לכימיקלים מבוססי פחמן, שכן היא מתחדשת, רב-תכליתית וניטרליתלפחמן 1. ליגנוקולוז מורכב בעצם משלושה שברים עיקריים לשימוש: המיקולוז, תאית וליגנין. לעיבוד התעשייתי שלה יש היסטוריה ארוכה. עם זאת, תהליכים מבוססים ונרחבים, כגון תהליכי סולפיט וקראפט מתעשיית הנייר, מתמקדים בעיקר בתאית לניצול בתעשיית העיסה והנייר2. יש צורך בגבורה מלאה של כל שלושת השברים ליגנוקולוסיים כדי להפוך את עיבוד ליגנוקולוז לכימיקלים לרווחי יותר מהיבטים כלכליים וסביבתיים.

באסטרטגיות גבורת ליגנוקולוז רבות, ליגנין הוא תוצר לוואי בלבד שנשרף לעתים קרובות להתאוששות אנרגיה. נכון לעכשיו, רק 1-2% של ליגנין המיוצר בתעשייה משמש לייצור מוצרים ערך מוסף כגון תוספים בטון, פעילי שטח, ונילין3. עם זאת, זהו המקור המתחדש הגדול ביותר של ארומטיקה ולכן יש תכונות מבטיחות ליישום כבסיס לפולימרים4, סיביפחמן 5,ודלק2. האתגרים בגבורה של ליגנין טמונים במבנה ובמגוון המורכבים שלו, בהתאם לחומר המקור ולתנאי החילוץ. יתר על כן, בשל תנאי התהליך שלהם, תהליכי הפירוק ליגנוקולוז הנפוצים ביותר לספק ליגנין גופרתי עם מספר גבוה של חיבורי C-C בין יחידות מונומר. לכן, ליגנין זמין מסחרית מאתגר depolymerize.

מגוון גישות שונות, המתמקדות בניצול הוליסטי של כל שלושת השברים, פותחו לפירוק ליגנוקולוז. רוב התהליכים מסתמכים על הידרוליזה של המיצלולוז, או עם חומצות ובסיסים מדוללים או על ידי ניצול של פרוטוליזה אוטומטית של מים בטמפרטורות גבוהות. כאחת האפשרויות הנחקרות ביותר, תהליכי organosolv להשתמש ממסים אורגניים רותחים נמוכה, בדרך כלל בשילוב עם מים. גרסאות ידועות של תהליך זה כוללות את תהליך Alcell, אשר משתמש 50% אתנול, ואת תהליך Organocell, המשתמש מתנול בשלב הראשון ומוסיף NaOH בשלב השני. תהליכים אורגנוזולב חומצה המשתמשים חומצה פורמית או אצטית מתוארים גם2. בשל ההתמקדות האחרונה בגבורה של ליגנין כמוצר ביו-רפינרי גדול, פותחו גישות חדשות, המשלבות מיצוי ליגנין עם שלבי המרה הבאים או המשולבים כדי להניבתרכובותליגנין קטנות יותר ומוצרים יציבים ויקרים יותר 6,7,8.

תהליך הפירוק של OrganoCat ליגנוקולוז (OrganoCat) מבוסס על מערכת מים דו-פאזית ו-2-מתיל-טרהידרופורן (2-MTHF)9. בנוסף, חומצה אורגנית הניתנת למיחזור משמשת כזרז, אשר הידרוליזות סלקטיביות hemicelluloses בטמפרטורות מתונות. כל כימיקלים תהליך יכול להיות מיוצר באופן זול יחסית biogenic, אשר מוריד את ההשפעה הסביבתית של התהליך בהתאם לעקרונות של כימיה ירוקה10. התהליך מספק שלושה זרמי מוצר נפרדים עם ליגנין בשלב האורגני, סוכרי המיצלולוז דה-פילמורוס בשלב מימי, ועיסה מועשרת תאית כשאריות מוצקות. כמו זרמי המוצר ניתן להפריד בקלות, צעדים במורד הזרם, ביקוש לאנרגיה, ועלויות חומר ניתן להפחית באופן משמעותי לעומת, למשל, גישות מונופאזיות. לליגנין משקל מולקולרי נמוך יחסית ומספר גבוה שלβ- O-4 מקשרים11. סוכרי המיצלולוז המפולימריים יכולים לשמש לתסיסה או המרה לכימיקלים עדינים12. עיסת התאית נגישה מאוד לדפיורליזציה אנזימטית9.

תהליך OrganoCat המקורי משתמש בחומצה אוקסלית כזרז לפירוק ליגנוקלוז. חומצה אוקסלית אז ניתן לשחזר על ידי התגבשות9. עם זאת, זה מגדיל את עלויות התהליך לקירור התגובה ואידוי חלקי של מים. פירוק חלקי של חומצה אוקסלית יפחית את ההכנסות עוד13. מסיבה זו, תהליך OrganoCat שופר על ידי החדרת 2,5-furandicarboxylic חומצה (FDCA) כזרז11. FDCA הוא לא רק חומצי מספיק כדי לזרז את התגובה, אבל יכול גם להיות נגזר גלוקוז באמצעות התייבשות 5-הידרוקסימתילפורפורל ו חמצון לאחר מכן עם זרזים מבוססי מתכת או biocatalysts14,15,16,17. למרות החומציות של FDCA הוא מעט נמוך יותר, יש לו יציבות תרמית גבוהה יותר מאשר חומצה אוקסלית. FDCA יש מסיסות נמוכה במים בטמפרטורת החדר, המאפשרת את ההתאוששות הישירה שלה מן השלב מימי לאחר התגובה.

הרחבה של תהליך OrganoCat פותחה בהצלחה לכור 3 L18. מחקרים נוספים על OrganoCat ליגנין מצאו כי משקעים נגד חדלות פירעון עם n-hexane או n-pentane לאפשר התאוששות ליגנין חסכוני באנרגיה19. זה היה אפשרי לקבל שברי ליגנין עם משקולות מולקולריות שונות20. מאמר זה מציג את שיטת ההכנה המלאה לתהליך הפרדה מדרגי של ביומסה ליגנוקולוסית באמצעות FDCA כזרז. תהליך זה מניב ליגנין שחולצו, המיצלולוז דהפולימרי, ועיסת תאית בשלושה זרמי מוצר הניתנים להפרדה בקלות.

Protocol

הערה: ניתן להשהות את התהליך בכל שלב על ידי השארת הדגימות בטמפרטורת החדר (לכמה ימים) או במקרר (לתקופות ארוכות יותר). עיין בטבלת החומרים לקבלת פרטים אודות החומרים המשמשים בפרוטוקול זה. 1. חלקיקי עץ אשור ליצור את גודל החלקיקים הרצוי של עץ אשור(Fagus sp.) באמצעות טחנת חיתוך עם מסננת 10 מ”מ, ולייבש את החלקיקים ב 50 °C (50 °F) למסה קבועה (~ 24 שעות), משאיר תוכן לחות שיורית של ~ 10% מים. 2. שבר ליגנוקולוסי ובביקור טיפול מקדים ופירוק ליגנוקולוז להשעות 500 מ”ג של עץ אשור(Fagus sp.) חלקיקים ו 78.0 מ”ג (0.5 mmol, 0.1 M) של FDCA ב 5 מ”ל של מים אולטרה-אדמה בטמפרטורת החדר בכור נירוסטה 25 מ”ל בלחץ גבוה. הוסף 5 מ”ל של 2-MTHF וחסם ערבוב להשעיה, ולסגור את הכור. מחממים את הכור ל 160 °C (70 °F) על צלחת חימום במהירות ערבוב של 1500 סל”ד עבור 1 שעה. תן לתגובה להתקרר לטמפרטורת החדר במי קרח על פני תקופה של ~ 10 דקות. פתחו את הכור, הוסיפו 52.5 מיקרו-אל של תמיסה NaOH (50 wt% NaOH במים מזוקקים), וערבבו במשך 15 דקות בטמפרטורת החדר ו-500 סל”ד על צלחת ערבוב. בידוד של פאזה אורגנית וכימות ליגנין צנטריפוגות התערובת (טמפרטורת החדר, 5 דקות, 1880 × גרם). השתמש פיפטה כדי להעביר את השלב האורגני (2-MTHF) לבקבוקון עגול 50 מ”ל. לאדות את השלב האורגני מאייד סיבובי (40 °C (40 °C ,200 סל”ד, 180 mbar) עד שבר ליגנין מוצק ויבש מתקבל. קבע את תשואת ליגנין על ידי שקילה עם יתרה אנליטית. יש לאחסן את הליגנין המוצק בטמפרטורת החדר לניתוח נוסף. הפרדה של עיסת תאית מוצקה ושלב מימי סנן את השלב המ מימי באמצעות נייר מסנן תאית (גודל נקבובית 17-30 מיקרומטר) במשפך כדי לבודד את עיסת המועשרת בתאית, ולהעביר את השלב המ מימי ללוויאל 5 מ”ל. לשטוף את עיסת עד pH נייטרלי עם 3 x 25 מ”ל מים, ולאחסן את פתרון הכביסה בנפרד בכף 100 מ”ל. יבש את עיסת ב 80 °C (למסה קבועה ( ~ 24 שעות). לקבוע את תפוקת עיסת מיובש על ידי שקילה עם איזון אנליטי. התאוששות FDCA ובידוד של שלב מימי התאימו את רמת ה-pH של השלב המ מימי ואת תמיסת הכביסה משלב 2.3 בנפרד תחת ערבוב מתמיד ל-pH 1 באמצעות HCl מרוכז תוך קירור התמיסה באמבט קרח. שלוט ב- pH באמצעות נייר מחוונים אוניברסלי. סנן את המוצק המוצק (FDCA) משני הפתרונות, שלב את השאריות ויבש במהירות של 80 °C למסה קבועה (~24 שעות). להשליך את הכביסות. קבע את תשואת ה- FDCA על-ידי שקילה עם יתרה אנליטית. העבר את השלב מימי בקבוקון 25 מ”ל, ולאחסן אותו ב 4 °C (70 °F) לניתוח. הכנה לדוגמה לכימות פורפורלי בצע ניסוי נפרד כדי לקבוע את כמות furfural. חזור על שלבים 2.1.1-2.2.1. הוסף 40 מ”ג n-decane כסטנדרט פנימי לשבר הממס האורגני שנאסף, ולאחסן לניתוח. 3. ניתוח ניתוח סוכר בשלב מימי על ידי כרומטוגרפיה של החלפת אניון בעלת ביצועים גבוהים עם זיהוי אמפרוסטרי פעמו (HPAEC-PAD) לדלל 10 μL של השלב מימי שנאסף בשלב 2.4.3 עם 190 μL של מים מזוקקים. הוסף 10 μL של 2 מ”מ 2-deoxy-D-גלוקוז לדגימה מדוללת. בצע את ההפרדה של monosaccharides על עמוד מפריד monosaccharide עם קצב זרימה של 0.5 מ”ל∙min-1, ולהזריק את המדגם לאחר שוויון עם 2 mM NaOH במשך 10 דקות. הפרד את הסוכרים הניטרליים עם 2 מ”מ NaOH מעל 18 דקות. לאחר מכן, להשתמש 550 mM NaOH במשך 10 דקות כדי להפריד את חומצות uronic. לשטוף את העמודה עם 800 mM NaOH במשך 10 דקות.הערה: התוכנה מנרמלת את כמויות המונו-סכרידים לכמות התקן הפנימי וכימתה אותם באמצעות עקומות כיול סטנדרטיות של המונו-סכרידים השונים. ניתוח ליגנין באמצעות 1H-13C הטרונוקליר יחיד מתאם קוונטי תהודה מגנטית גרעינית (1H-13C-HSQC NMR) ממיסים ~50 מ”ג ליגנין ב-0.5 מ”ל של דימתילסולפוקסיד מפורק ([d6]DMSO), ומעבירים את התערובת לצינור NMR. נהל מדידות NMR שלH-13C (זמן מדידה 220 דקות) באמצעות ספקטרומטר של 400 מגה-הרץ. קבע את סוגי ההצמדות הקיימות בליגנין באמצעות הספקטרום. התייחס להסטה הכימית של הספקטרום לאות DMSO (δ(1H) = 2.500 ppm; δ(13C) = 39.52 ppm). בצע תיקון שלב ידני בשני הצירים עד שכל האותות חיוביים ולאחר מכן בצע תיקון בסיסי. לשלב את האותות של היחידות הארומטיות ואת ההצמדות של ליגנין; ראה טבלה 1 עבור המשמרות הכימיות. חשב את סכום היחידות הארומטיות (arom.) באמצעות הנוסחה הבאה:Σ(arom.) = (S2,6 / 2) + ((G2 + G5) / 2) + (H2,6 / 2) (1)עם Si להיות אינטגרל על האות המתאים פרוטונים 2 ו 6 סירינגיל, Gi להיות אינטגרל על האותות המתאימים 2 ו 5 פרוטונים guaiacyl, ו Hאני להיות האינטגרל על האות המתאים 2 ו 6 p-hydroxyphenyl פרוטונים. חשב את האחוז של כל יחידה באמצעות הנוסחאות הבאות:S = (S2,6/ 2) / Σ(arom.) × 100% (2)G = ((G2 + G5) / 2) / Σ(arom.) × 100% (3)H = (H2,6 / 2) / Σ(arom.) × 100% (4)עם S, G, ו- H להיות האחוזים של מונומרס-סירינגיל בהתאמה- (S), guaiacyl- (G), ו p-הידרוקסיפניל (H)-מונומר יחידות לכל 100 יחידות מונומר. חשב את מספר ההצמדות לכל 100 יחידות באמצעות הנוסחאות הבאות:β-O-4 הצמדות = α β -O-4 / Σ(arom.) × 100% (5)הצמדות = (α β-β + β β-β + γ β-β) / Σ(arom.) × 100% (6)הצמדות = (α β-5 + β β-5 + γ β-5) / Σ(arom.) × 100% (7)עם α, β, γ להיות האינטגרל על האות המתאים α, β ו γ פרוטון האותות של β המקביל -O-4, β-β- ו- β-5.הערה: הצמדות ניתנות כהצמדה לכל 100 יחידות מונומר. בשל חפיפה של פסגות, β-O-4 מחושב באמצעות אות הפרוטון α בלבד. β-β והצמדות β-5 מחושבות באמצעות כל האותות של ההצמדה המתאימה. ניתוח כרומטוגרפיה של חלחלת ג’ל (GPC) יש להמיס 10 מ”ג ליגנין מיובש ו-1 מ”ג גלוקוז (כסטנדרט פנימי) ב-1 מ”ל של 0.1 M NaOH ו-0.01 wt% NaN3 תמיסה מימית בכרומטוגרפיה של גז 1.5 מ”ל (GC)-vial. סגור את ג’י-סי-ביון באמצעות מכסה עם מחיצה. הזרק 100 μL של המדגם לתוך מערכת כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים (HPLC) המצוידת בגלאי אולטרה סגול וניטור אורך גל של λ = 280 ננומטר. השתמש במערכת המורכבת ממערכת מזרק מתוכנתת מראש/ללא מפצל עם סיליקה קוטבית (8 מ”מ x 50 מ”מ) ושלוש עמודות ג’ל (8 מ”מ x 300 מ”מ, קוטר חלקיקים: 5 מיקרומטר, רוחב נקבובית נומינלית: 1000 Å) בקצב זרימה של 1 מ”ל דקות-1. הפניה לנתונים המתקבלים לאות של התקן הפנימי (גלוקוז). חשב את התפלגות המסה באמצעות התוכנה, המוזכרת לכיול חיצוני עם פולי (styrene sulfonate) בטווח שבין 266 ל- 65000 Da. כימות פורפורלי באמצעות GC יש להוסיף 20 מ”ג n-דקאן כסטנדרט פנימי לשלב האורגני של טיפול מקדים של OrganoCat. מעבירים מ”ל אחד של השלב האורגני ל-GC-vial בגודל 1.5 מ”ל. הזריקו 1 μL של פתרון זה לכרומטוגרפיה גז באמצעות עמוד 30 מ ‘עם שלב נייח פוליאוריטן גליקול קוטבי והליום כגז המוביל עם קצב זרימה של 1.5 מ”ל min-1 וגלאי יינון להבה. הגדר את הטמפרטורה הראשונית ל 50 °C (50 °F), ולאחר מכן להעלות על ידי 8 °C דקה-1 עד 250 °C (5 °F) ולשמור על 250 °C (5 °F) במשך 5 דקות. לכמת furfural באמצעות אינטגרל (Int) שניתן על ידי התוכנה גורם תיקון מחושב חיצונית (cf). הכן מדגם של 1 מ”ג של furfural ו 5 מ”ג של n-decane ב 1 מ”ל של 2-MTHF, ולהזריק אותו לתוך GC באמצעות ההליך הנ”ל. חשב את גורם התיקון באופן הבא:cf = (Int(n-דקאן) / m (n-decane)) / (Int(furfural) / Int(furfural)) (8) השתמש בגורם התיקון כדי לחשב את כמות furfural במדגם הלא ידוע עם הנוסחה הבאה:m(furfural) = m(n-decane) / Int(n-דקאן) × cf × Int(furfural) (9) הידרוליזה עיסת מועשר תאית בצע הידרוליזה עיסת של שאריות מועשר תאית המתקבלת טיפול מ- OrganoCat בבלוק חימום עם ערבוב (ראה שולחן החומרים) באמצעות בקבוקונים 1.5 מ”ל. הוסף 20 מ”ג של עיסת תאית מועשרת ו 10 μL של צלולאז (60 יחידות נייר מסנן (FPU) mL-1 ו 82 יחידות צ’לוביז (CBU) mL-1) ל 1 מ”ל של חוצץ סיטראט (pH = 4.5) ב80 מ”ל, ולנער ב 50 °C עבור 0 שעות, 1 שעות, או 72 שעות. לאחר מכן, לחמם את הדגימות ל 99 °C (50 °F) במשך 10 דקות כדי denature האנזימים. קבעו את ריכוז הגלוקוז באמצעות ערכת בדיקת גלוקוז (הקסוקינאז).

Representative Results

קבוצה טיפוסית של תנאים עבור טיפול מקדים לינוקולוז ותהליך הפירוק OrganoCat (OrganoCat) משתמש 0.1 M FDCA כזרז, טעינת ביומסה של 100 גרם L-1 (עץ אשור, לעומת השלב מימי), 1 שעה של זמן תגובה ו 160 °C (160 °F) כמו טמפרטורת התגובה. הרכב עץ אשור פורסם במקום אחר21 (~ 48% תאית, 27% hemicellulose, 26% ליגנין). איור 1 מראה את ההמיקולוז המופק באמצעות מערכת תנאים זו, כמו גם זמן תגובה ארוך יותר (3 שעות) וטמפרטורה נמוכה יותר (140 °C (50 °F). באמצעות תנאים קשים יותר, למשל., טמפרטורה גבוהה יותר וזמן תגובה ארוך יותר, עלול להוביל תשואות מיצוי גבוהות יותר, אבל גם מוביל השפלה רבה יותר של המוצרים-furfural הוא תוצר השפלה של קסילוז, בעוד 5-(hydroxymethyl)furfural (5-HMF) הוא תוצר השפלה המקביל של גלוקוז. כמות גבוהה יותר של furfural צוין במוצרים (מופץ בין השלבים מימיים ואורגניים) עם זמן תגובה של 3 שעות ב 160 °C (50 °F). כמו מוצרי השפלת הסוכר הם תגובתי מאוד נוטים ליצור humins-אוליגומרים של furans וסוכרים – זמן התגובה הקצר בטמפרטורה גבוהה יותר עשוי להיחשב פשרה טובה בין יעילות מיצוי גבוהה השפלת סוכר נמוכה. כמות ליגנין שחולץ קשורה ישירות לטמפרטורת התגובה וזמן גם כן. איור 2 מציג את כמות הליגנין שחולצה, את תכולת ההצמדהβ-O-4ואת המסות הטוחנות הממוצעות של הליגנינים שחולצו. בעוד תשואת ליגנין שחולצה עולה עם זמן תגובה ארוך יותר, מספר β שלמים-O-4-הצמדות פוחת בכמחצית בעת תגובה במשך 3 שעות במקום 1 שעה. הורדת טמפרטורת התגובה מ 160 °C (50 °F) ל 140 °C (50 °F) יש השפעה נמוכה בהרבה על ליגנין, וכתוצאה מכך תשואה מעט פחותה, מסה הטוחנת הממוצעת מסה קטנה יותר, β גבוה יותר -O-4-תוכן. מאחר שהידרוליזה אנזימטית של תאית (lingo-)היא אינדיקטור נפוץ ליעילות הבעה, קוקטייל תאית מסחרי הוחל על פעימות האורגנוקט השונות הנובעות מקבוצות מצב התגובה של OrganoCat שהוזכרו לעיל(איור 3). מכיוון שהצלולאז אינו ממוטב למצעים, ההמרה הכוללת של תאית אינה דומה לביצועים החדישים ביותר; עם זאת, זה מאפשר את ההשוואה של pulps שונים זה לזה. זמן התגובה הארוך יותר מציג השפעה משמעותית על זמן התגובה הראשוני ועל תפוקת הגלוקוז לאחר 72 שעות, שיפור של גורם של ~ 2.5. הורדת הטמפרטורה מראה השפעה קטנה בהרבה, מה שמרמז על כך שהגורם העיקרי הגורם להבדלים בעיכול אנזימטי בתוך טיפול זה הוא מידת ההעמקה. איור 1: מיצוי סוכר וייצור פורפורלי בתהליך OrganoCat עם 0.1 M 2,5-furandicarboxylic חומצה כזרז ו 100 גרם L-1 עץ אשור (בהשוואה לשלב מימי) בטמפרטורות תגובה שונות וזמנים כפי שצוין על ציר x11. כל הניסויים בוצעו במשולש. הממוצע מוצג עם סטיית התקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 2: כמות וניתוח של ליגנין שחולצו על ידי תהליך OrganoCat עם 0.1 M 2,5-furandicarboxylic חומצה כזרז ו 100 גרם L-1 עץ אשור (בהשוואה לשלב מימי) בטמפרטורות תגובה שונות וזמנים כפי שצוין על ציר x11. תשואות ליגנין חושבו במשולש. הממוצע מוצג עם סטיית התקן. המסה המולקולרית וההצמדות נגזרו מניסויים יחידים מייצגים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 3: הידרוליזה אנזימטית של פעימות. גלוקוז מניב לאחר 72 שעות (ברים כחולים) ושיעורי תגובה בתוך השעה הראשונה (סורגים אפורים) מההידרוליזה של עץ אשור לא מטופל וחבטות מועשרות תאית המתקבלים מ- OrganoCat עם 0.1 M 2,5-furandicarboxylic חומצה כזרז ועץ אשור 1 L-1 (בהשוואה לשלב מימי) בטמפרטורות תגובה שונות ובזמנים כפי שצוין על ציר ה- x. צלולאז הוחל על המצעים השונים ב 50 °C (50 °F) עד 72 שעות במאגר חרטה (pH 4.5)11. כל הניסויים בוצעו במשולש. הממוצע מוצג עם סטיית התקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. יחידה δ משמרת(1שעות)(13C) הצמדה δ משמרת(1שעות)(13C) [ppm] [ppm] S2,6 (6.95–6.46) (106.8–101.9) α β-או-4 (5.08–4.69) (75.8–69.9) ז’2 (7.12–6.72) (113.4–108.7) α β-β (4.72–4.58) (87.46–84.0) ז’5 (7.04–6.51) (117.8–113.4) β β-β (3.35–3.11) (62.0–57.9) ח2,6 (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) טבלה 1: שינויים כימיים שנקבעו על ידי 1H-13C הטרונוקליר יחיד מתאם תהודה מגנטית גרעינית (1H-13C-HSQC NMR) עבור חיבורים שונים בליגנין. קיצורים: S = יחידת סירינגיל, G = יחידת גואיאציל, H = p-הידרוקסיפניל.

Discussion

השבר המתואר של ליגנוקולוז מראה החלפה בין יעילות הידרוליזה המיקולוז לבין סלקטיביות כדי למנוע השפלת סוכר לפיורנס, בהתאם לזמן התגובה והטמפרטורה(איור 1). החילוץ ליגנין הושפע באופן דומה מהתנאים הקשים יותר. במיוחד הפחתת β-O-4-הצמדות ושיפור המשקל המולקולרי הממוצע של המסה עקב עיבוי מחדש בטמפרטורה גבוהה יותר וזמן התגובה מדגיש פשרה זו שיש לעשות. הבחירה של זמן התגובה והטמפרטורה הוא אפוא צעד קריטי בתהליך זה של שבר ליגנוקולוז. כמו היעילות של הידרוליזה אנזימטית נראה נקבע בעיקר על ידי delignification בתהליך OrganoCat מזורז FDCA, תנאי העיבוד הקשים ביותר להרשות לעצמם עיסת נגישה ביותר. וריאציות אחרות של התהליך 9,11,18,22, למשל, באמצעותזרזיםשונים, מראות כי כוחו של הזרז ואת ה- pH הסופי בפתרון תגובתי יש את ההשפעה החזקה ביותר על יעילות התהליך. שינויים של ההליך, למשל., preswelling עם חומצה זרחתית, הוכחו יש השפעה מועילה, כמו גם22. בשל מגוון בהרכב, עם זאת, התהליך צריך אופטימיזציה, בהתאם להאכיל שונים21. בהתחשב בביצועי התהליך הכוללים, יש לשקול טיהור במורד השברים המופרדים, ולכן הסלקטיביות ממלאת תפקיד מרכזי. בהשוואה לתהליכים אחרים דמויי organosolv, OrganoCat משתמש במערכת מים biphasic / 2-MTHF, אשר מאפשר את הרכיבים העיקריים בשלושה נחלים פשוטים יחסית, נפרדים. בדרך זו, בהמשך הזרם וכתוצאה מכך עלויות אנרגיה וציוד ניתן להפחית13,18.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו בוצעה כחלק מאשכול המצוינות “דלקים מותאמים לביומסה” ו”מרכז מדעי הדלק”, הממומנים על ידי יוזמת המצוינות של קרן המחקר הגרמנית לקידום המדע והמחקר באוניברסיטאות הגרמניות, וכן חלק מהמרכז למדע ביו-כלכלה (BioSC), הנתמך בפרויקט AP³ Focus Lab. הפעילות המדעית של המרכז למדעי הביו-כלכלה נתמכה כלכלית על ידי משרד החדשנות, המדע והמחקר במסגרת ה-NRW Strategieprojekt BioSC (מס’ 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