The pretreatment of lignocellulosic biomass with protic low-cost ionic liquids is shown, resulting in a delignified cellulose-rich pulp and a purified lignin. The pulp gives rise to high glucose yields after enzymatic saccharification.
A number of ionic liquids (ILs) with economically attractive production costs have recently received growing interest as media for the delignification of a variety of lignocellulosic feedstocks. Here we demonstrate the use of these low-cost protic ILs in the deconstruction of lignocellulosic biomass (Ionosolv pretreatment), yielding cellulose and a purified lignin. In the most generic process, the protic ionic liquid is synthesized by accurate combination of aqueous acid and amine base. The water content is adjusted subsequently. For the delignification, the biomass is placed into a vessel with IL solution at elevated temperatures to dissolve the lignin and hemicellulose, leaving a cellulose-rich pulp ready for saccharification (hydrolysis to fermentable sugars). The lignin is later precipitated from the IL by the addition of water and recovered as a solid. The removal of the added water regenerates the ionic liquid, which can be reused multiple times. This protocol is useful to investigate the significant potential of protic ILs for use in commercial biomass pretreatment/lignin fractionation for producing biofuels or renewable chemicals and materials.
спрос на энергию человечества собрания устойчиво является одной из самых больших проблем, с которыми сталкивается наша цивилизация. Использование энергии, по прогнозам, удвоится в течение следующих 50 лет, положив большую нагрузку на ископаемых топливных ресурсов. 1 Накопление парниковых газов (ПГ) в атмосфере за счет широко распространенного использования ископаемого топлива особенно проблематично, так как CO 2 , полученные от сжигания ископаемого топлива несет ответственность за 50% антропогенного парникового эффекта. 2 Таким образом, масштабное применение возобновляемых и нейтральных углеродных технологий имеет важное значение для удовлетворения повышенных энергетических и материальных потребностей будущих поколений. 1, 3
Растительная биомасса является наиболее универсальным возобновляемым ресурсом, так как он может быть использован для производства тепла, электроэнергии, а также на основе углерода химических веществ, материалов и топлива. Основные преимущества биомассы лигноцеллюлозы по сравнению с другими видами биомассы являются его изобилие, потенциал для высоких урожаев рэг площадь земли и зачастую намного выше экономии выбросов CO 2, который включает в себя высокое удержание углерода в почве. 4, 5 Дополнительные преимущества использования биомассы включают местную доступность, низкие требования к капиталу для преобразования биомассы в энергию, а также предотвращение эрозии почвы. 8
Основные производители лигноцеллюлозного сырья являются лесная промышленность и сельское хозяйство, а также управление бытовыми отходами. 6 Лигноцеллюлоза производство имеет потенциал , чтобы быть расширен, с ума , чтобы ограничение вырубки лесов и избежать замены продовольственных культур и высвобождения потенциальных загрязнителей. 7 для получения возобновляемой биомассы , чтобы стать жизнеспособным распространенным источником жидких транспортных топлив и химических веществ, его переработка должна стать экономически конкурентоспособным по сравнению с технологиями преобразования ископаемого топлива. 9, 10 ключ к достижению этой цели является повышение урожайности и качества промежуточных продуктов из биомассы , полученных при одновременном снижении стоимость. </ Р>
Лигноцеллюлоза содержит большое количество сахаров , которые могут быть превращены в топливо и химикаты через каталитические и микробиологических превращений. 11 Эти сахара присутствуют в лигноцеллюлозы в полимерной форме , как целлюлозы и гемицеллюлозы. Они могут быть гидролизованы в глюкозу и другие сахарные мономеры , а затем используется для производства биоэтанола и других биологических полученных химикатов и растворителей. 12
Для того , чтобы получить доступ к целлюлозных сахаров, предварительная обработка биомассы необходимо с помощью физических, химических или комбинированных процессов. 4 предварительной обработки, возможно, самый дорогостоящий шаг в валоризации биомассы лигноцеллюлозы. Поэтому исследования в области совершенствования процессов предварительной обработки является обязательным условием.
Различные технологии предварительной обработки доступны. Особый интерес представляют те, которые отделяют лигнина из целлюлозы (fractionative предварительной обработки). Лигнин, третий главный компонентлигноцеллюлозу, ограничивает доступ гидролизовать агентов к целлюлозы и гемицеллюлозы и снижает выход сахара на тонну исходного материала. 11 Отделенный лигнина может быть использован в качестве дополнительного Biorefinery промежуточного , если она изолирована в подходящем качестве. 13 Один fractionative процесс является процессом Крафт , который является наиболее распространенной для предварительной обработки для производства бумаги / целлюлозы. В крафт – варки целлюлозы, древесной щепы помещают в смеси гидроксида натрия и сульфида натрия и нагревают при повышенных температурах около 170 ° С под высоким давлением. 14 Щелочные реакции удаления гемицеллюлозы и лигнина путем разрушения полимеров до коротких фрагментов с помощью нуклеофильного и основной катализ, а также путем растворения фрагментов лигнина с помощью де-протонирования фенольной гидроксильной / спиртовых групп. Другой распространенный процесс делигнификации процесс Organosolv который также фрагменты и растворяет лигнин и гемицеллюлозы. Вместо того чтобы использовать щелочной aqueoнам решение, органические растворители, такие как этанол и уксусную кислоту используют при высоких температурах в диапазоне от 160-200 ° С и давлении 5-30 бар. Organosolv предварительная обработка имеет ряд преимуществ по сравнению с сульфатной варки в том , что она производит меньше загрязнения воздуха и воды. 15 Оба процесса обладают некоторыми экономическими проблемами, если они используются для производства химикатов и топлива , а не целлюлоза. 16 Предварительная обработка Ionosolv использует ионные жидкости, которые являются соли, имеют температуру плавления ниже 100 ° с и, в результате их сильных кулоновских взаимодействий, очень низким давлением паров. 17 Это исключает загрязнение воздуха в процессе предварительной обработки, а также позволяет обрабатывать при атмосферном или близком к давлению.
В то время как большинство ILs созданы в трудоемкий, многостадийных синтезах, протонные ILs могут быть синтезированы в одностадийном процессе из товарных химических веществ, что делает их менее дорогими; предполагается, что некоторые ILs может быть получен при объемном масштабе дляцена $ 1.24 за кг, что сравнимо с обычными органическими растворителями , такими как ацетон и толуол. 18 Способность перерабатывать и повторно использовать эти настраиваемые ИЖ в процессе , который работает при сравнительно низких температурах и давлениях , делает это более доброкачественный альтернативный и экономически привлекательным кандидатом для Biorefining.
Этот подробный протокол видео демонстрирует лабораторном версию процесса Ionosolv для делигнификации биомассы лигноцеллюлозы и в конечном итоге ферментативного осахаривания целлюлозы обогащенной целлюлозы, а также восстановление высокой чистоты без запаха лигнина. 19
Методика для фракционирования биомассы лигноцеллюлозы, представленной здесь производит целлюлозный богатой целлюлозы и лигнин. Большая часть гемицеллюлозы растворены в ионной жидкости и гидролизуется, но не выздоровел. Если гемицеллюлозы сахара желательно, гемицеллюлоза стадию пр?…
The authors have nothing to disclose.
Авторы признают Grantham институт по вопросам изменения климата и окружающей среды, климата-KIC и EPSRC (EP / K038648 / 1 и EP / K014676 / 1) для финансирования и Пьер Бувье для обеспечения экспериментальных данных для сосны предварительной обработки.
IL synthesis | ||||
Round bottom flask, with standard ground joint 24/29 NS, 1000 ml | Lenz | 3 0024 70 | VWR product code 271-1309 | |
250mL Addition Funnel, Graduated, 29/26 Joint Size, 0-4mm PTFE Valve | GPE | CG-1714-16 | ||
Dish-shaped dewar flask, SCH 31 CAL | KGW-Isotherm | 1197 | ||
Volumetric flask, 200 ml | VWR | 612-3745 | ||
Cork rings, pasteur pipettes and teet, wash bottle with deionised water, large magentic stir bar | ||||
Biomass size reduction | ||||
Heavy Duty Cutting Mill SM2000 | Retsch | Discontinued | Replaced with Cutting Mill SM 200 (20.728.0001) | |
Bottom sieves (10 mesh square holes, for particle size <2 mm) | Retsch | 03.647.0318 | Part of cutting mill | |
Analytical Sieve Shaker AS 200 | Retsch | 30.018.0001 | Part of sieving machine | |
Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (180 µm) | Retsch | 60.131.000180 | Part of sieving machine | |
Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (850 µm) | Retsch | 60.131.000850 | Part of sieving machine | |
Collecting pan, stainless steel, 200 mm Ø, height 50 mm | Retsch | 69.720.0050 | Part of sieving machine | |
Rotary evaporator: | ||||
Rotary evaporator (Rotavapor R-210) | Buchi | Discontinued | Replaced with Rotavapor R-300 | |
Water bath (Heating bath B-491) | Buchi | 48201 | Part of rotary evaporator | |
Recirculator | Julabo | F25 | Part of rotary evaporator | |
Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of rotary evaporator | |
Vacuum controller (Vacuum Control Box VCB 521) | Ilmvac GmbH | 600053 | Part of rotary evaporator | |
Parallel evaporator: | ||||
StarFish Base Plate 135mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of parallel evaporator | |
Monoblock for 5 x 250ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of parallel evaporator | |
Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of parallel evaporator | |
Gas/Vacuum Manifold with connectors | Radleys | RR95510 | Part of parallel evaporator | |
650mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of parallel evaporator | |
Quick Release Male, R/A Barbed 6.4mm + Shut-off (3.2mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of parallel evaporator | |
Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor | |
Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor | |
Elliptical Stirring Bar 15mm Rare Earth | Radleys | RR98097 | Part of parallel evaporator | |
Vacuum cold trap, plastic coated, PTFE stopcock | Chemglass | CG-4519-01 | Part of parallel evaporator | |
Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of parallel evaporator | |
Tygon tubing E-3603, 6,40 mm (internal) 12,80 mm (external) | Saint-Gobain/VWR | 228-1292 | Part of parallel evaporator | |
Parallel Soxhlet extractor: | ||||
StarFish Base Plate 135mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of soxhlet extractor | |
Monoblock for 5 x 250ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of soxhlet extractor | |
Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of soxhlet extractor | |
Telescopic 5-way Clamp with Silicone Strap and Long Handle | Radleys | RR95410 | Part of soxhlet extractor | |
Water Manifold with connectors | Radleys | RR95500 | Part of soxhlet extractor | |
650mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of soxhlet extractor | |
Quick Release Male, R/A Barbed 6.4mm + Shut-off (3.2mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of soxhlet extractor | |
Coil condensers with standard ground joints 29/32 NS | Lenz | 5.2503.04 | Part of soxhlet extractor | |
Extractor Soxhlet 40mL borosilicate glass 29/32 socket 24/29 cone | Quickfit | EX5/43 | Part of soxhlet extractor | |
Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor | |
Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor | |
Recirculator | Grant | LTC1 | Part of soxhlet extractor | |
Cellulose extraction thimble | Whatman | 2280-228 | ||
Tweezers | Excelta | 20A-S-SE | ||
Vacuum drying oven: | ||||
Vacuum drying oven | Binder | VD 23 | Part of vacuum oven | |
Dewar vessel 2L 100x290mm with handle | KGW-Isotherm | 10613 | Part of vacuum oven | |
Vacuum Trap | GPE | CG-4532-01 | Part of vacuum oven | |
Other equipment: | ||||
Analytical balance | A&D | GH-252 | accuracy to ± 0.1 mg | |
Volumetric Karl Fischer titrator | Mettler Toledo | V20 | ||
10 mL disposable pipette | Corning Inc | Costar 4101 10 mL Stripette | ||
Eppendorf Research plus pipette, variable volume, volume 100-1000 μL | Eppendorf | 3120000062 | ||
Desiccator | Jencons | JENC250-028BOM | ||
Ace pressure tube bushing type, Front seal, volume 15 mL | Ace Glass | 8648-04 | ||
Ace O-rings, silicone, 2.6 mm, I.D. 9.2 mm | Ace Glass | 7855216 | O-ring for pressure tube | |
Vortex shaker | VWR International | 444-1378 (UK) | ||
Fan-assisted convection oven | ThermoScientific | HeraTherm OMH60 | ||
Oven glove (Crusader Flex) | Ansel Edmont | 42-325 | ||
250 mL Round bottom flask single neck ground joint 24/29 (Pyrex) | Quickfit | FR250/3S | ||
Rotaflo stopcock adapter with cone 24/29 | Rotaflo England | MF11/2/SC | ||
50 mL Falcon tube | Heraeus/Kendro | HERA 76002844 | ||
Centrifuge (Mega Star 3.0) | VWR | 521-1751 | ||
Reagents: | ||||
Ethanol absolute | VWR | 20820.464 | ||
Triethylamine | Sigma-Aldrich | T0886 | ||
Sulfuric acid 5 mol/l (10N) AVS TITRINORM volumetric solution Safe-break bottle 2,5L | VWR | 191665V | ||
Purified water (15 MΩ ressitance) | Elga | CENTRA R200 | ||
Lignocellulosic biomass: | ||||
Miscanthus X gigantheus | ||||
Pinus sylvestris |