アンモニア繊維膨張(AFEX)リグノセルロース系バイオマスの前処理

Summary

アンモニア繊維膨張(AFEX)は、リグノセルロース系バイオマス(トウモロコシストーバー、稲わら、サトウキビバガスなど)を、バイオ燃料および動物飼料用途の消化性の高い原料に変換できる熱化学前処理技術です。ここではリグノセルロース系バイオマスに対するAFEX前処理を行うための実験室規模の方法について述べている。

Abstract

リグノセルロース材料は、植物由来の原料であり、作物残渣(例えば、トウモロコシのストーバー、稲わら、サトウキビバガ)や、バイオ燃料、生化学、動物飼料を大量に生産するために入手可能な目的で栽培されたエネルギー作物(例えば、ミスカンサス、スイッチグラス)です。植物多糖類(すなわち、セルロース、ヘミセルロース、ペクチン)を細胞壁に埋め込み、有用な製品への変換に向けて非常に再計算します。アンモニア繊維膨張(AFEX)は、多糖類を発酵糖に加水分解するための酵素へのアクセス性を高める熱化学的前処理です。これらの放出された糖は、バイオリファイナリーの燃料および化学物質に変換することができる。ここでは、アンモニアリサイクルを行わずにグラムスケールで前処理されたバイオマスを製造するための実験室規模のバッチAFEXプロセスについて述べています。実験室規模のプロセスは、最適な前処理条件(例えば、アンモニアローディング、水負荷、バイオマスローディング、温度、圧力、滞留時間など)を特定するために使用することができ、詳細な物理化学的特性評価および酵素/微生物分析のための十分な量の前処理サンプルを生成します。実験室規模のAFEXプロセスを用いて前処理されたコーンストバーの酵素加水分解による発酵性糖の収率は、同様の前処理条件下でのパイロットスケールAFEXプロセスに匹敵する。本論文はリグノセルロース系バイオマスのAFEX前処理を行うための実験室規模の原子炉の安全で一貫した運転のための詳細な標準的な操作手順を提供することを目的としている。

Introduction

アンモニア繊維膨張(AFEX)は、揮発性アンモニアをセルロース系バイオマス前処理の主な反応物として使用する熱化学的前処理です。このプロセスは、もともと、糖質セルロース系バイオマスの再計算をコスト効率よく低減し、生物学的に触媒された前処理されたバイオマス分解を発酵糖^11,22に増強するためにブルース・デールによって発明された。他のほとんどの水性熱化学前処理³とは異なり、AFEXは、バイオマス組成に大きな変化を引き起こさないドライからドライのプロセスであり、それに関連する廃棄物の生成と費用に伴う洗浄ステップを必要としません。パイロットスケールで過剰な揮発性アンモニアの回収が実証され、廃棄物発生や処理コストの削減が可能です。MBI(図1)が開発したパイロットスケールパックベッドAFEX原子炉システムは、蒸気ストリッピングを用いて残留アンモニアを回収し、高温の濃縮アンモニアを新しいパックベッド^44,55に移す。AFEX前処理後、バイオマスに組み込まれた少量の窒素は、反芻動物および微生物によって非タンパク質窒素として使用できる。^,10,11,さらに、様々な物理化学的メカニズム^{66、7、87,8}を通してバイオマスの超構造を変えることで、AFEXはバイオマスの炭水化物活性酵素(CAZymes)へのアクセス性を高め、多糖加水分解率を数倍^8,99に増加させ、また、それらの細胞分解性⁸微生物叢4011によって、その消化率を増加^{させる。4}農家は長い間、低無水アンモニアローディング(<4%w/wベーシスの乾燥バイオマス)と周囲の圧力と温度^10、11の存在下でプラスチックタープの下で数日または数週間バイオマスをインキュベートすることによって、反する人の消化率を高めるために、この方法のより簡単なバージョン^を11採用してきました。

無水アンモニアは、1950年代に木材を解毒する可能性があり、1970年代初頭にパルプ薬として1970年代^{13、14、15、16、17、1814,15,16,17,で}初めて調査されました。¹³1980年代初頭、サブクリティカル条件下で加圧、高温、濃縮アンモニア(>30%NH4 OH)が、リグノセルロース系バイオマス¹⁹の酵素消化性および微生物発酵性を高めるためにデール研究所で最初に使用された。₄このプロセスは、アンモニア凍結爆発、そしてアンモニア繊維爆発、そして最後にアンモニア繊維の膨張、または単にAFEXとして始まり、長年にわたっていくつかの名前の変更を受けました。同時期(1980年代半ば)頃、デュポン(現ダウデュポン)は、バイオマス^{,20、21、22,21}の消化性を高めるために、超臨界およびほぼ臨界の無水アンモニアベースの前処理プロセスを使用して探求しました。²²ここ数十年で、アンモニアリサイクル/パーコレーション23(ARP)、水性アンモニア(SAA)、またはアンモ^{ニアリサイクルなし}のダウデュポンプロセスを含む前処理試薬として希釈水性アンモニア溶液を使用することに重点が置かれています。²³いくつかの追加の方法は、無水アンモニア(低水分無水アンモニア(LMAA)、低液体アンモニア前処理25(LAA)の使用を見てきました²⁵。 液体無水アンモニア^26、27、27高液体から固体負荷へのアンモニア塩ベースの溶液²⁸を利用した2つの²⁶新しい高度な有機体ソルブ型前処理技術が、超低酵素負荷での前処理済みセルロース系の選択的リグニン分画と高効率酵素加水分解を可能にする開発が最近開発されました。最近のレビュー記事では、アンモニアベースの前処理の様々な形態の類似点と明確な違いを強調しています²⁹.しかし、最近⁴年までは、アンモニアベースの前処理プロセス(AFEXなど)のパイロットスケールのデモンストレーションは、その過程で使用される濃縮アンモニアのクローズドループ化学リサイクルと効率的に結合されていませんでした。

本論文では、前処理されたバイオマスのグラムスケール(例えば、1〜数100g)を製造するために、実験室規模でセルロース系バイオマスを前処理するための最も一般的に使用されるAFEXプロトコルについて詳細に述べる。一般的に、バイオマスは水(0.1~2.0 g_H2O/gの乾燥バイオマス)と混合され、カスタムメイドのステンレス製の管状またはパー型の原子炉に積み込まれます。次いで無水アンモニア(0.3~2.0 g_NH3/g乾燥バイオマス)を反応器に加え、混合液を所望の反応温度(60~180°C)まで加熱します。1980年代から1990年代のAFEXプロセスに関する以前の出版物は、温度ランプの直後に前処理住居時間(例えば、5〜60分)を開始しました。しかし、アンモニアが反応器に添加されるとすぐに反応が起こるように、現在のAFEX手順は、アンモニア添加直後の滞留時間の監視を開始する。90°C以上の温度の場合、初期温度の上昇を最小期間(すなわち、<5分)に保つために、アンモニアをロードする前にバイオマスを予熱する必要がしばしばあります。滞留時間の完了時に、バルブを開いて圧力を迅速に放出し、ガス相内容物を適切な化学フュームフードにします。液体から気相へのアンモニアの急速な転換はまた、冷却する反応器を引き起こす。小さな原子炉(100 mL原子炉量)は冷却するために追加の時間が必要な場合があります。ユーザーの安全のために、より大きなスケール(原子炉実行当たり100gアンモニア)で、窒素でパージすることは、容器からできるだけ多くの残留アンモニアを除去し、荷降ろし前に原子炉の内容物を冷却するのを助けることをお勧めします。通常、アンモニアのリサイクルおよび/または回復をラボスケールで試みることはしません。AFEX前処理プロセスのスケールアップに関する設計上の重要な課題の1つは、最小限の資本コストと運用コストでアンモニアをリサイクルすることです。また、バイオマスに液体アンモニアを添加すると、一般にバイオマスを冷却する液体の部分的な点滅が促進され、AFEX処理を開始する前にバイオマス・アンモニア混合物の加熱が必要となります。アンモニアを液体として添加するのではなく、バイオマスにアンモニア蒸気を加えることは2つの利点を提供する:まず、バルクバイオマスの高い空隙率はアンモニア蒸気を急速に輸送することができ、バイオマス全体にアンモニア分布さえも生じる。第2に、アンモニア蒸気は、湿ったバイオマスに浸潤した水に容易に、そして発熱して、バイオマスを急速かつ均一に加熱する発熱を生じさせる。これらの利点を活用するために、MSU DaleラボとMBIの両方がアンモニア蒸気を用いたAFEX処理方法を開発しました。デール研究室では、ガス状アンモニア前処理(GAP)プロセス³⁰を開発し、MBIはパイロットスケールで実証されたパックベッドAFEX原子炉プロセス(図1)4を開発しました。⁴パックベッドAFEXの原子炉システムは蒸気のストリッピング方法^44、55を使用してアンモニアの完全なリサイクルと半バッチモード動作が可能である。この新しいMBIパイロットスケールプロセスは、アンモニアの化学的および物理的特性を利用して、アンモニアを効率的にリサイクルしながらバイオマスを効率的に退避させます。

ここでは、カスタム構築された200 mL体積管状原子炉を使用して、ラボスケールでコーンストーバーのAFEX前処理を行うための詳細な概要を提示します(図2)。AFEX前処理サンプルを、市販のセルロ分解酵素カクテルを使用して発酵糖に消化し、前処理プロセスの有効性を実証した。実験室規模のAFEX反応器の酵素加水分解結果を、より大きなパイロットスケールのAFEX反応器生成サンプルと比較した。私たちの目標は、トウモロコシストーバーのようなセルロース系バイオマスに対してAFEX前処理を行うためのラボスケール加圧反応器の安全で一貫した動作のための標準的な操作手順を提供することです。このラボスケールのAFEX前処理プロセス(例えば、パイロットスケールパックベッドAFEXプロセス)のバリエーションに関する追加のサポート情報は、付属の補足pdfファイルでさらに強調されています。パックベッドAFEXプロセスの運用手順に関する詳細なレポートは、別の出版物で強調表示され、MBI-MSUからの要求に応じて利用可能です。

Protocol

1. バイオマス水分量の調整 カスタム構築された管状AFEX反応器を使用して、ベンチまたはラボスケールAFEX前処理を行うために必要なすべての主要な機器と材料の概要を説明する材料表を参照してください(図2)。 水分分析装置、または105°Cに設定したオーブンを8時間使用して、バイオマスの総水分含有量を決定します。オーブン法の場合、乾燥前に水吸着を防ぐために冷却するために耐熱デシケータにサンプルを移します。重複または三重でプロセスを実行し、平均水分含有量を計算します。 反応器内の所定の乾燥バイオマス負荷(ここでは、25gを保持)について、ステップ1.2で決定した水分含量を使用して、どのくらいの湿ったバイオマスをロードする必要があるかを計算する。[1]m湿潤=バイオマスの総質量(湿重量基準)の場合;mドライ=乾燥重量ベースでバイオマスの質量;MCTWB = 総重量ベースでのバイオマス水分量 プラスチック容器の中のこの量のバイオマス(m湿潤)を量る。 所望の水分含有量を達成するために、どのくらいの水分を湿ったバイオマスと混合する必要があるかを計算します。コーンストーバーの場合、これは通常、乾燥バイオマスの1g当たり0.6gのH2Oである。[2]ここで m水= (バイオマス中の水に加えて) 原子炉に添加された水の質量;x水= AFEX水負荷(g:g乾燥バイオマス) スプレーボトルを使用して、以前に計量したバイオマスにこの量の水(m水)をゆっくりと加え、手でよく混ぜます。 2. リアクターをロードして組み立てる 原子炉の本体を、原子炉チューブの底にキャップとテフロンガスケットを置いて組み立てます。クランプを所定の位置に固定し、ラチェットを使用して両方のナットを均等に締めます。 湿ったバイオマスを組み立てた原子炉ベースに移し、バイオマスの上部にグラスウールのプラグを置きます。 原子炉の上部にテフロンガスケットを置きます。効果的なシールを防ぐことができるバイオマスとガラスウールが含まれないようにし、原子炉の頭を上に置き、ガラスウールとバイオマスを通して熱電対を操縦します。 両側にラチェットを均等に使用して、クランプを原子炉の上部にボルトで固定します。 原子炉(m反応器)の重量を量り、重量を記録する。 3. 原子炉システムを設定し、アンモニア転写シリンダーを充填する すべての機器が接続され、操作可能であることを確認します(温度コントローラ、温度モニター、シリンジポンプ、タイマー)。 各リアクタとサンプルを実行するために、タイマーを所望の滞留時間に設定します。 オンにして、プログラム可能なシリンジポンプを使用する場合は、シリンジポンプにアンモニア送達方法を設定します。ステップ1:撤退。ステップ2:15秒間待ちます(バルブを開閉する時間を与えます)。ステップ3:注入(アンモニアを原子炉に移す)。 簡単に再利用できるようにAFEXメソッドとして保存します。 小さなアンモニアシリンダーに出入りするすべてのバルブが閉じられていることを確認します。 シリンダが以前に使用され、残留アンモニア/窒素が含まれている場合は、小さなアンモニアシリンダーの上部にあるバルブAをゆっくりと開いて窒素を出血させ、液体アンモニアがスパッタリングを開始したらバルブを閉じます。 小さなアンモニアシリンダーを充填するには、アンモニアライン上の大きな無水アンモニアシリンダーとすべてのバルブを開きます。圧力が安定するまで、小さなアンモニアシリンダーの上部付近でゆっくりとバルブ(B)を開きます。5 分待ってから次の手順に進みます。この間、約120mLのアンモニアがメインシリンダーから転写シリンダーに充電されます。 アンモニアタンクと小さなアンモニアシリンダーの間のすべてのバルブを閉じ、左から右に、小さなシリンダー(バルブB)から始まり、タンクの上部にあるメインバルブで仕上げます。 窒素レギュレータを350 psiに設定します。窒素ボンベのバルブと、付属のレギュレータのバルブを開きます。小さなアンモニアシリンダーのバルブCを開いてゆっくりと窒素を加え、システムを過圧します。レギュレータの設定点を調整して、必要に応じて小さなシリンダーの圧力を350 psiに調整します。アンモニアを分配しながら窒素ラインを開いたままにします。 4. 反応器を予熱する(反応温度は>100°C) 温度モニターを熱電対に、加熱テープを温度コントローラに差し込みます。 温度コントローラを手動で調整して、リアクターを60°Cまで持ち込む。 5. 原子炉にアンモニアを積み込む まだオンにしていない場合は、注射器ポンプをオンにします。 所望のアンモニア負荷(g:gの乾燥バイオマス)と以前に決定されたアンモニアの較正に基づいて、必要なアンモニアの量を計算します。[3]注: アンモニアポンプはボリュームベースで負荷するため、最初に使用する場合は、必要な質量から体積に変換するようにキャリブレーションします。AFEXと同じ手順に従いますが、アンモニアをロードして原子炉の計量を行った直後に、実行を終了(原子炉を通気)します。リアクタをアンロードする場合も同じ手順に従います。 正しい量のアンモニアをロードする方法を設定します。 セクション 3.3 からAFEXメソッドを選択します。 ステップ定義を押す|ステップ: 1 |ターゲットボリュームまたは時間を設定する。 番号パッドを使用してmLに必要な音量をキー入力し、緑色のチェックマークを押します。 85 mL を超える必要がある場合は、目標ボリュームをスプレッドシートで指定した半分の量として入力し、同じシリンジボリュームを使用してリアクタを 2 回充填します。 「ステップ: 3」の手順 5.3.2 から 5.3.4 を繰り返します。 戻るボタンを押します。 排気に向かって小さなアンモニアシリンダーの底部にバルブ(D)を開き、残ったアンモニアが出たら閉じます。 開弁(E)は、発煙フードの前面に向かってシリンジポンプの端部にあり、次いで開弁(F)を開いて、残ったアンモニアを放出する。バルブ(E)と(F)を閉じます。 温度モニターと温度コントローラからリアクターを取り外します。リアクタをクイック接続に取り付けます。 小アンモニアシリンダーに向かって開いた弁(D)と開いた弁(E)小アンモニアシリンダーに向かって。 ポンプの緑色の矢印を押してシーケンスを開始し、アンモニアをシリンジに引き込みます。 シリンジが待機期間に自動的に停止したら、シリンジバルブ(E)を反応器に向け、反応器の入口弁を素早く接続するステムに向かわせるようにします。遅延の後、シリンジは注入を開始し、設定点で自動的に停止します。 85 mL 以上のアンモニアが必要な場合は、手順 5.7 ~ 5.9 を繰り返します。 原子炉バルブとバルブ(D)を閉じます。開弁(F)を開いて、シリンジから残留アンモニアを放出し、次いで弁(F)と閉弁(E)を閉じる。 排気に向かってバルブ(D)を開き、残留アンモニアが残ったら閉じます。 極低温手袋を着用し、迅速な接続から反応器を取り外します。潜在的なアンモニアスプレーに注意してください。必要に応じて、リリースされたアンモニアを通すために象のトランクベントラインを使用してください。 適切なリアクタのタイマーを開始します。 リアクタユニットの重量を測って、スプレッドシートの計算に基づいてアンモニアの適切な重量が追加されたことを確認します。 6.加熱を開始し、反応を監視します 温度モニターを熱電対に、加熱テープを温度コントローラに差し込みます。 アンモニア添加後の反応器の初期温度と圧力(滞留時間の開始)を記録する。 温度コントローラを手動で調整して、設定温度までリアクターを表示します。目標は、<5分で設定ポイントに到達することです。 滞留時間の終わりまで3分毎に原子炉の圧力と温度を記録する。 滞留時間の終わりに、温度コントローラと熱電対から原子炉を取り外し、スタンドから原子炉を取り外し、煙フードの内側のボール放出弁をゆっくりと開きます。注: このステップでは必ずフェイスシールドを着用してください。 7. システムをシャットダウンする 反応器を数分間冷却した後、ラチェットレンチを使用して原子炉のクランプを開きます。 ヒュームフードの中の原子炉からバイオマスとガラスウールを降ろします。残留アンモニアが蒸発する際のバイオマスの空気中汚染を防ぐためには、換気された空間の中で密閉された乾燥箱の中で乾燥するのが最善です。 水が透明になるまで蒸留水で原子炉をきれいにし、原子炉を乾燥させます。 まだ開いている場合は、すべてのバルブを閉じて、アンモニアシリンダーに接続します。 窒素ライン上のすべてのバルブを閉じます。 温度コントローラ、温度モニタ、バランス、シリンジポンプ、タイマーをオフにします。注意:より多くの反応を実行することを計画している場合は、小さなアンモニアシリンダーを通す必要はありません。しかし、より多くの実験を実行する計画がない場合は、安全のために、実験の最後にフードに小さなシリンダーを発散するのが最善です。これを行うとき、アンモニアの放出がいくつかのラインを妨がるかもしれない氷形成を引き起こす可能性があるため、バルブを開いたままにすることが重要です。ラインが解凍されると、追加のアンモニアを放出することができます。常にシステムが通気できるようにしながら、換気機能を持っていることを確認してください。アンモニア処理されたバイオマスはいずれも、使用を意図しない場合でも、残留アンモニアが蒸発できるようにフームフードで一晩乾燥させなければならない。ゴミの中ですぐに廃棄することはできません。

Representative Results

AFEXの前処理後、バイオマスは色が濃いが、それ以外は視覚的に変化しない(図3)。AFEXプロセスは、このプロトコルで概説されている他に、様々なスケールで消化性の高い材料を生成します。ここでは、小さな200mL、パックベッド、ベンチスケールシステムで同じトウモロコシのストーバーサンプルを前処理しました。より大きな5ガロン、攪拌パー反応。そしてMBIのパイロット原子炉。2基の小型反応器(すなわち、200mLおよび5ガロンスケール)に使用した条件は、1.0gNH3:g乾燥バイオマス、0.6 gH2O:g乾燥バイオマス、100±5°Cで30分間、であった。パイロットスケールAFEX4は、同材を0.6gNH3:g3乾燥バイオマス、0.6gH2O:g2乾燥バイオマス、100±5°Cで30分間実施した。より大きなスケールで AFEX の前処理を行うために使用されるプロトコルに関する詳細は、サポート情報に記載されています (補足ファイル 1を参照)。AFEX前処理の目標温度に基づき、以下の「品質管理基準」が制定されました。設定点に達した後、反応器温度が設定点から±10°C外に出る場合、実験を中止しなければならない。アンモニアポンピング後5分以内に目標温度(5°C以内)に達しない場合は、実験を中止します。さらに、AFEXプロセスの前処理効果は、セルロ分解酵素カクテルを使用して、アクセス可能な多糖類を発酵可能な糖に加水分解して試験することができます。サンプルを、6%グルカンローディングで72時間、pH5.0、50°C、および250rpmの振盪インキュベーターで酵素的に加水分解した。60%セルラーゼ(CTec3):40%ヘミセルラーゼ(HTec3またはNS2246)を15mgの酵素/gグルカンでロードした固定総タンパク質負荷ベースで構成される酵素の市販カクテルを、すべての糖化アッセイに使用した。結果(図4)は、AFEX前処理が全ての場合において発酵性糖の収量を有意に増加することを示している。さらに、実験室規模のAFEXプロセスを使用して前処理されたバイオマスのセルロース/キシラン加水分解収量は、より大きな5ガロンパー反応器およびMBIのパイロットスケールパックベッドAFEXプロセスに匹敵する。 図 1.効率的なアンモニアリサイクルと完全に統合されたリグノセルロース系バイオマスを前処理するためのMBIのAFEX反応器のパイロットスケール操作に関与するステップの概略図。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図 2.A)アンモニア送達システムおよびB)小さい200 mL AFEX前処理反応器の実験室規模の概略は、ビデオプロトコルで概説されたAFEXプロセスを実行するために利用される。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図 3.AFEX前処理バイオマスは、未処理バイオマスと比較して非常によく似たグロスモルフォロジーを有する。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図 4.72時間後に得られたグルコース及びキシロース収率6%グルカン負荷AFEX処理トウモロコシストーバーの酵素加水分解が図示されている。全ての糖化アッセイは、ここで報告された平均値(m)を伴う重複で行った。標準偏差(1)は、ここで誤差範囲として報告されます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 補足ファイル1:追加のプロトコルこのファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足表1:アンモニア配送システムと支柱フレームこのファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

Discussion

AFEXプロトコルは、無水アンモニアと高温での水の存在下で植物材料を処理し、セルロ分解酵素および/または微生物による前処理材料の消化性を高める方法を記述しています。AFEXは、これらの材料³¹に自然に豊富に存在するエステルリンケージを切断するプロセスの効率のために、グラミノイドモノコット種(例えば、コーンストーバー、スイッチグラス、ミスカンサス、稲わら、麦わら、サトウキビバガス)に対して非常に有効である。AFEXは、リグニンと炭水化物ベースのエステル結合の割合が小さいため、二コットや体育者(広葉樹、軟樹、天然の^{forbs)32、33}に由来するバイオマスにはあまり効果がありません。^32,しかし、植物バイオテクノロジーを用いてこれらのリンケージが木質細胞壁に導入されると、AFEX前処理プロセスははるかに効果的になる^34.

エステル結合の切断は、ある種のバイオマス成分を材料から除去することを可能にするが、外細胞壁表面に抽出物として再堆積し、セルロ分解酵素⁶の浸透および作用を促進するナノスケールの穴の形成をもたらす。AFEX前処理コーンストーバーは、未処理の材料と比較して高固形分条件下で酵素加水分解後のグルコースおよびキシロース放出率の約3倍の増加を示した。アンモニア前処理はまた、希酸前処理³⁵と比較して、より少なく、はるかに少ない阻害分解生成物を生成する。AFEXと希酸処理コーンストーバーの以前の比較では、希酸前処理は、316%以上の酸、142%以上の芳香族、および^35,3,555%以上のフランアルデヒドを生成³⁶することを示^した。また、AFEXはドライツードライプロセスであるため、酵素加水分解の際に経済的に利用できない希薄液流として糖の損失もありません。しかし、これは、酵素加水分解中に細胞壁多糖をグルコースやキシロースなどの混合発酵糖に完全に分解するために、セルロース分解およびヘミセルロース分解能力の両方を有する酵素として合併症を引き起こす。ヘミセルロースオリゴマーはセルラーゼ活性³⁸を阻害すると報告されており、高い最終糖収率を維持するためにより高い酵素負荷を必要とする可能性がある。しかし、適切な酵素カクテルの最適化は、AFEX^,前処理バイオマス^,,,39、40、41、42、43、44、45の糖化中の全体的な酵素使用量^44を45減らすことができます。^39,40414243AFEX前処理プロセス中にエステル結合の加水分解およびアンモノ分解は、前処理されたバイオマス中の酸およびアミド生成物(例えば、酢酸/アセトアミド、フェルル酸/フェルラミド、クマリン酸/クサリアミド⁾³⁶に至る。アミドの形成は発酵プロセスを助けるために示されているが、前処理された原料中の非常に高い濃度での存在は、動物に前処理されたビオマを供給する場合に懸念される可能性がある。AFEX前処理の前にNaOHまたはCa(OH)2などのアルカリとのエステルリンケージの₂ 前加水分解は、問題に対処するために使用することができます。

AFEX プロセス中に無水アンモニアを使用する場合は、多くの安全性に注意してください。無水アンモニアは、銅、真鍮、アルミニウム、炭素鋼、およびシールに使用される一般的なフルオロエラストマーポリマー(例えばビトンなど)と反応する。アンモニアに接触するチューブまたは反応器コンポーネントはステンレス鋼製で、ガスケット、バルブシート、クイックコネクトシールは可能な場合はテフロンまたはカレズ製の必要があります。アンモニアは有毒な化学物質とは見なされませんが、吸湿性と極低温特性のために依然として危険です。それは容易に標的と目および呼吸器系の粘膜に深刻な損傷を与える。アンモニアは極低温液であり、アンモニア漏れはガス流または冷蔵機器との直接接触のために重度の凍傷を引き起こす可能性があります。アンモニアは、300ppmを超える濃度で生命と健康(IDLH)に直ちに危険です。集中力が50ppmを超えた場合は、直ちに避難する必要があります。オペレータは、その近くの危険な濃度を警告するために校正されたアンモニアモニターを着用することをお勧めします。メインの作業領域にアラーム付きセンサーを設置することもお勧めします。アンモニアを扱う作業員は、メチルアミンカートリッジを装着した脱出呼吸器、極低温および熱保護手袋などの保護具を適切に訓練し、緊急事態に対処する準備をする必要があります。無水アンモニアにさらされた場合、オペレータは安全に移動し、少なくとも15分間、患部を水で直ちに洗い流す必要があります。アンモニア前処理プロセスは、フュームフードの内部で行われるべきであり、アンモニアシリンダーは、ヒュームフードまたは換気キャビネットに格納する必要があります。実験の後、前処理されたバイオマスは残留性アンモニアを有し、夜間にフード内で乾燥するか、またはフォローアップ実験のために室温でビニール袋に保管する前にカスタム換気乾燥ボックスで乾燥させるべきである。他のいくつかの重要な安全上の考慮事項には、アンモニアを原子炉に正確に送達するのに役立つアンモニア送達システムと、前処理プロセスが受ける圧力の少なくとも1.5倍を処理するように設計された原子炉を設置することが含まれます(例えば、2 x 10⁶ Pa圧力でAFEXプロセスを処理する場合、原子炉の最低圧力定格は3 x 10⁶ Paでなければなりません)。

AFEX前処理は、動物飼料として、または燃料や化学物質を生成するための飼料として直接使用することができる高度に消化性の高い植物バイオマスを生成するための有望な方法です。これら2つの産業を超えて、AFEXはバイオマテリアルを製造するためのバイオ再生可能原料やバイオガスを生産するための原料として使用される可能性があります。実験室規模のプロセスは、適切な換気スペースと安全対策を備えた実験室で行うことができる、と我々の現在の研究は、このスケールダウンAFEXプロセスは、スケールアップおよび/またはパイロットAFEX反応器で生成された材料と同様の結果を示すことを確認します。ラボスケールのAFEXプロセスを使用すると、高スループット方式で原料、加工条件、アプリケーションをテストできる一方で、パイロットスケールや工業用スケールでのプロセスの実行方法を合理的に期待できます。

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