Die Vorbehandlung der Ammoniakfaserexpansion, auch bekannt als AFEX, ist eine chemische Verarbeitungsmethode, die zur Erzeugung von nachwachsenden Brennstoffen, Chemikalien oder Futtermitteln aus Pflanzenzellwänden, auch bekannt als lignozellulosehaltige Biomasse, verwendet werden kann. Während AFEX auf einer Vielzahl von lignozellulosehaltigen Materialien verwendet wurde, ist es am effektivsten auf Gräsern und Gras-basierte landwirtschaftliche Rückstände. Während der AFEX reagiert hochkonzentriertes Ammoniumhydroxid mit einer Biomasse, um Esterverbindungen in der Pflanzenzellwand zu brechen und Nano- in Mikroporen einzuführen.
Dies erleichtert die enzymatische Dekonstruktion der Zellwandpolysaccharide. Das Endergebnis ist ein Pflanzenmaterial, das leichter biochemisch in Brennstoffe und Chemikalien umgewandelt werden kann oder das als gut verdauliches Tierfutter verwendet werden kann. AFEX hat im Vergleich zu anderen Vorbehandlungsprozessen eine Reihe wichtiger Vorteile.
Erstens hat AFEX einen geringen Wasserverbrauch und ist ziemlich einzigartig, da es ein meist trockenes Material erzeugt, das verdichtet und leicht versendet werden kann. Das AFEX-Verfahren produziert auch minimale Mengen an mikrobiellen Inhibitoren wie Furanen, was es hochkompatibel mit mikrobiellen Fermentationsprozessen macht. Es ist auch möglich, den Großteil der chemischen Vorbehandlung Ammoniak zurückzugewinnen, die die Prozessökonomie verbessert.
In der MBI-Pilotanlage in Lansing(Michigan) wurde eine Kapazität von einer Tonne pro Tag im Maßstab AFEX-Vorbehandlung und Ammoniakrückgewinnung nachgewiesen. Im folgenden Protokoll werden die Schritte beschrieben, die mit dem Laborbetrieb des AFEX-Prozesses verbunden sind. Diese Technik demonstriert Jacob Aguado, einer der Studenten, die in unserer Forschungsgruppe arbeiten.
Zunächst ermitteln Sie zunächst den Feuchtigkeitsgehalt der unbehandelten Biomasse mit einem Feuchteanalysator. Wiegen Sie 25 Gramm Biomasse ab und verwenden Sie eine Sprühflasche, passen Sie den Feuchtigkeitsgehalt der Pflanzenbiomasse mit destilliertem Wasser an, um Ihren Zielfeuchtegehalt zu erreichen. Für Mais-Stover, Dies ist in der Regel 0,6 Gramm Wasser pro Gramm trockene Biomasse.
Mischen Sie die Probe von Hand. Montieren Sie den Reaktorkörper, indem Sie eine Kappe und eine Teflondichtung auf den Boden des Reaktorrohrs legen. Übertragen Sie die nasse Biomasse auf die montierte Reaktorbasis und legen Sie einen Stecker aus Glaswolle an die Spitze der Biomasse.
Legen Sie eine Teflondichtung auf die Oberseite des Reaktors. Stellen Sie sicher, dass die Region frei von Biomasse und Glaswolle ist, die eine effektive Abdichtung verhindern könnte, und legen Sie den Reaktorkopf oben auf manövrierendes Thermoelement durch die Glaswolle und Biomasse. Schrauben Sie die Klemme mit einer Ratsche gleichmäßig auf beiden Seiten an die Spitze des Reaktors.
Wiegen Sie den Reaktor und erfassen Sie das Gewicht. Vergewissern Sie sich, dass alle Geräte angeschlossen und betriebsbereit sind, stellen Sie den Timer auf die gewünschte Verweilzeit für jeden Reaktor und die auszuführende Probe ein. Schalten Sie die programmierbare Spritzenpumpe ein und stellen Sie die Ammoniak-Liefermethode ein und sparen Sie so viel Komfort.
Stellen Sie sicher, dass alle Ventile in und aus dem kleinen Ammoniakzylinder geschlossen sind. Wenn der Zylinder zuvor verwendet wurde und Restammoniak oder Stickstoff enthält, öffnen Sie langsam Ventil A auf der Oberseite des kleinen Ammoniakzylinders, um Stickstoff abzubluten und das Ventil zu schließen, sobald flüssiges Ammoniak zu sprudeln beginnt. Um den kleinen Ammoniakzylinder zu füllen, öffnen Sie den großen wasserfreien Ammoniakzylinder und alle Ventile in der Ammoniaklinie.
Langsam Ventil B in der Nähe der Oberseite des kleinen Ammoniakzylinders öffnen, bis sich der Druck stabilisiert. Warten Sie fünf Minuten, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren. Schließen Sie alle Ventile zwischen dem Ammoniaktank und dem kleinen Ammoniakzylinder, der vom kleinen Zylinderventil B beginnend und am Hauptventil auf dem Ammoniaktank arbeitet.
Stellen Sie den Stickstoffregler auf 350 psi ein. Öffnen Sie das Ventil an der Stickstoffflasche und das Ventil am angeschlossenen Regler. Öffnen Sie das Ventil C auf dem kleinen Ammoniakzylinder, um langsam Stickstoff hinzuzufügen, wenn sie das System unter Druck setzen.
Stellen Sie den Druck des kleinen Zylinders nach Bedarf auf 350 psi ein, indem Sie den Sollwert am Regler einstellen. Halten Sie Stickstoffleitungen offen, während Sie Ammoniak abgeben. Bei Reaktionstemperaturen von mehr als 100 Grad Celsius müssen Sie die Biomasse und den Reaktor vorheizen, bevor Sie das Ammoniak hinzufügen.
Schließen Sie den Temperaturmonitor an das Thermoelement und das Heizband an den Temperaturregler an. Passen Sie den Temperaturregler manuell an, um den Reaktor auf 60 Grad Celsius zu bringen. Berechnen Sie das benötigte Ammoniakvolumen auf der Grundlage der gewünschten Ammoniakbelastung und einer zuvor festgelegten Ammoniakkalibrierung.
Richten Sie das Verfahren in der Spritzenpumpe ein, um die richtige Menge Ammoniak zu laden, und dann Ammoniak aus den Leitungen zwischen dem kleinen Ammoniakzylinder und der Spritzenpumpe zu restlassen, indem Sie die Ventile auf der Unterseite des Ammoniakzylinders in Richtung des Auspuffs und der Ventile auf der Spritzenpumpenlinie öffnen und schließen. Trennen Sie den Reaktor vom Temperaturmonitor und dem Temperaturregler. Befestigen Sie den Reaktor an der Schnellverbindung.
Ventil D in Richtung des kleinen Ammoniakzylinders und des Ventils E in Richtung des kleinen Ammoniakzylinders öffnen. Drücken Sie den grünen Pfeil auf der Pumpe, um die Sequenz zu starten und Ammoniak in die Spritze zu ziehen. Wenn die Spritze für die Wartezeit automatisch stoppt, drehen Sie das Spritzenventil in Richtung des Reaktors und des Reaktoreinlassventils, sodass es auf den Schnellanschlussstiel zeigt.
Nach der Verzögerung beginnt die Spritze mit dem Einspritzen und stoppt automatisch am Sollpunkt. Schließen Sie das Reaktorventil und das Ventil D.Open Ventil F, um Restammoniak aus der Spritze freizusetzen, schließen Sie dann das Ventil F und schließen Sie das Ventil E.Open Ventil D in Richtung des Auspuffs, und schließen Sie es dann, sobald das Restammoniak verlassen ist. Entfernen Sie den Reaktor beim Tragen kryogener Handschuhe aus dem schnellen Anschluss.
Seien Sie vorsichtig mit potenziellen Ammoniakspray. Starten Sie den Timer für den entsprechenden Reaktor. Wiegen Sie die Reaktoreinheit, um zu überprüfen, ob das entsprechende Gewicht von Ammoniak auf der Grundlage von Tabellenberechnungen hinzugefügt wurde.
Schließen Sie den Temperaturmonitor an das Thermoelement und das Heizband an den Temperaturregler an. Zeichnen Sie die Anfangstemperatur und den Druck des Reaktors nach Ammoniakzugabe auf. Stellen Sie den Temperaturregler manuell ein, um den Reaktor auf die eingestellte Temperatur zu bringen.
Ziel ist es, den Sollwert in weniger als fünf Minuten zu erreichen. Zeichnen Sie den Druck und die Temperatur des Reaktors alle drei Minuten bis zum Ende der Verweilzeit auf. Trennen Sie am Ende der Verweilzeit den Reaktor vom Temperaturregler und Thermoelement, entfernen Sie den Reaktor aus dem Ständer und öffnen Sie langsam das Kugelablöseventil in der Dunstabzugshaube.
Tragen Sie während dieses Schritts immer einen Gesichtsschutz. Nachdem Sie den Reaktor für einige Minuten abkühlen lassen, verwenden Sie einen Ratschenschlüssel, um die Klemmen im Reaktor zu öffnen. Entladen Sie die Biomasse und Glaswolle aus dem Reaktor, während Sie sich in einer Dunstabzugshaube befinden.
Um eine Kontamination der Biomasse in der Luft zu verhindern, da Restammoniak verdampft, ist es am besten, die Biomasse in einem geschlossenen Trockenkasten in einem belüfteten Raum zu trocknen. Wenn sie noch geöffnet sind, schließen Sie alle Ventile an und verbinden Sie sie mit dem Ammoniakzylinder und allen Ventilen an der Stickstoffleitung. Nach der AFEX-Vorbehandlung wird die Biomasse dunkler gefärbt, aber ansonsten optisch unverändert.
AFEX erzeugt ein hochverdauliches Material in einer Vielzahl von Maßstäben als das in diesem Protokoll beschriebene. Wir haben dieselbe Maisstover-Probe mit unserem 200 Milliliter-Bepackten-Bettbank-Skalasystem, einem fünf Gallonen gerührten Leistungsreaktor und dem MBI-Pilotreaktor vorbehandelt, der in der Lage ist, eine Tonne Biomasse pro Tag zu verarbeiten. Die Bedingungen für die beiden kleineren Reaktoren waren ein Gramm Ammoniak pro Gramm trockener Biomasse, 0,6 Gramm Wasser pro Gramm trockener Biomasse für 30 Minuten bei 100 Grad Celsius.
Die Pilotwaage AFEX wurde auf demselben Material unter den gleichen Bedingungen durchgeführt, mit der Ausnahme, dass die Ammoniakbelastung 0,6 Gramm Ammoniak pro Gramm trockener Biomasse betrug. Die Proben wurden 72 Stunden lang enzymatisch hydrolysiert bei 6%Glucan-Belastung, pH-Wert von fünf, 50 Grad Celsius und 250 Umdrehungen pro Minute in einem Schüttelinkubator. Es wurde ein kommerzieller Cocktail von Enzymen geladen, der aus 60% Cellulase und 40%hemi-Cellulase bei 15 Milligramm Enzymprotein pro Gramm Glucan bestand.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass die AFEX-Vorbehandlung die Ausbeute von fermentierbaren Zuckern im Vergleich zu unbehandelter Biomasse deutlich erhöht. Darüber hinaus sind die 72-Stunden-Hydrolyseerträge für Biomasse, die mit den drei Verfahren vorbehandelt werden, miteinander vergleichbar. Nach dem AFEX-Verfahren können die vorbehandelten Materialien unbegrenzt gelagert werden, solange sie trocken bleiben und für verschiedene Umwandlungsexperimente wie hochfeste enzymatische Hydrolyse und Fermentation, konsolidierte Bioverarbeitung oder Futtermitteltests verwendet werden.
Ein wichtiger Aspekt bei der Implementierung von AFEX ist die sichere Verwendung von wasserfreiem Ammoniak. AFEX-Experimente sollten immer in einem belüfteten Raum durchgeführt werden, und die Forscher sollten geeignete Sicherheitsvorkehrungen treffen, um eine Ammoniak-Exposition zu verhindern, und sich mit der Reaktion im Notfall vertraut machen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Vorbehandlung der Ammoniakfaserexpansion eine vielversprechende Methode ist, um Biomassewiderspräzis zu reduzieren und Brennstoffe, Chemikalien und Futtermittel aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen effizienter zu produzieren.
