El pretratamiento de la fibra de amoníaco, también conocido como AFEX, es un método de procesamiento químico que se puede utilizar para generar combustibles renovables, productos químicos o piensos para animales a partir de paredes de células vegetales, también conocida como biomasa lignocelulósica. Mientras que AFEX se ha utilizado en una variedad de materiales lignocelulósicos, es más eficaz en hierbas y residuos agrícolas a base de hierba. Durante AFEX, el hidróxido de amonio altamente concentrado reacciona con una biomasa para romper los enlaces de éster en la pared celular de la planta e introducir nano a los poros a microescala.
Esto facilita la deconstrucción enzimática de los polisacáridos de la pared celular. El resultado final es un material vegetal que se convierte más fácilmente en combustibles y productos químicos o que se puede utilizar como un alimento para animales altamente digerible. AFEX tiene una serie de ventajas clave en comparación con otros procesos de pretratamiento.
En primer lugar, AFEX tiene un bajo uso de agua y es bastante único en que genera un material en su mayoría seco que puede ser densificado y fácilmente enviado. El proceso AFEX también produce cantidades mínimas de inhibidores microbianos como furanos, lo que lo hace altamente compatible con los procesos de fermentación microbiana. También es posible recuperar la mayoría del amoníaco químico de pretratamiento que mejora la economía del proceso.
El pretratamiento AFEX a escala piloto y la recuperación de amoníaco se han demostrado a una tonelada por día de capacidad en la planta piloto de MBI ubicada en Lansing, Michigan. El siguiente protocolo describirá los pasos involucrados en el funcionamiento a escala de laboratorio del proceso AFEX. Demostrando esta técnica estará Jacob Aguado, uno de los estudiantes de pregrado que trabajan en nuestro grupo de investigación.
Para empezar, primero determine el contenido de humedad de la biomasa no tratada utilizando un analizador de humedad. Pesar 25 gramos de biomasa y utilizando una botella de spray, ajustar el contenido de humedad de la biomasa de la planta utilizando agua destilada para alcanzar su contenido de humedad objetivo. Para la estufa de maíz, esto es típicamente 0.6 gramos de agua por gramo de biomasa seca.
Mezclar la muestra a mano. Montar el cuerpo del reactor colocando una tapa y junta de teflón en la parte inferior del tubo del reactor. Transfiera la biomasa húmeda a la base del reactor montado y coloque un tapón de lana de vidrio en la parte superior de la biomasa.
Coloque una junta de teflón en la parte superior del reactor. Asegurar que la región esté libre de biomasa y lana de vidrio, lo que podría evitar un sello eficaz y colocar el cabezal del reactor en la parte superior del termopar de maniobra a través de la lana de vidrio y la biomasa. Atornillar la abrazadera a la parte superior del reactor utilizando un trinquete uniformemente en ambos lados.
Pesar el reactor y registrar el peso. Confirme que todo el equipo está enchufado y operable, ajuste el temporizador al tiempo de residencia deseado para cada reactor y la muestra que se va a ejecutar. Encienda la bomba de jeringa programable y configure el método de entrega de amoníaco y ahorre para mayor comodidad.
Verifique que todas las válvulas dentro y fuera del pequeño cilindro de amoníaco estén cerradas. Si el cilindro se ha utilizado previamente y contiene amoníaco residual o nitrógeno, abra lentamente la válvula A en la parte superior del pequeño cilindro de amoníaco para desangrar cualquier nitrógeno y cerrar la válvula una vez que el amoníaco líquido comience a despegar. Para llenar el pequeño cilindro de amoníaco, abra el gran cilindro de amoníaco anhidro y todas las válvulas de la línea de amoníaco.
Abra lentamente la válvula B cerca de la parte superior del pequeño cilindro de amoníaco hasta que la presión se estabilice. Espere cinco minutos antes de continuar con el siguiente paso. Cierre todas las válvulas entre el tanque de amoníaco y el pequeño cilindro de amoníaco que trabaja de izquierda a derecha comenzando desde la pequeña válvula de cilindro B y terminando en la válvula principal en la parte superior del tanque de amoníaco.
Ajuste el regulador de nitrógeno a 350 psi. Abra la válvula del cilindro de nitrógeno y la válvula del regulador conectado. Abra la válvula C en el pequeño cilindro de amoníaco para añadir nitrógeno lentamente sobre la presión del sistema.
Ajuste la presión del cilindro pequeño a 350 psi según sea necesario ajustando el punto de ajuste en el regulador. Mantenga las líneas de nitrógeno abiertas mientras dispensa amoníaco. Para temperaturas de reacción superiores a 100 grados centígrados, es necesario precalentar la biomasa y el reactor antes de añadir el amoníaco.
Conecte el monitor de temperatura al termopar y la cinta de calentamiento al controlador de temperatura. Ajuste manualmente el controlador de temperatura para que el reactor hasta 60 grados centígrados. Calcular el volumen de amoníaco necesario en función de la carga de amoníaco deseada y una calibración de amoníaco previamente determinada.
Configure el método en la bomba de jeringa para cargar la cantidad correcta de amoníaco, luego a amoníaco residual de las líneas entre el pequeño cilindro de amoníaco y la bomba de la jeringa abriendo y cerrando las válvulas en la parte inferior del cilindro de amoníaco hacia el escape y las válvulas en la línea de la bomba de jeringa. Desconecte el reactor del monitor de temperatura y del controlador de temperatura. Conecte el reactor a la conexión rápida.
Abra la válvula D hacia el pequeño cilindro de amoníaco y la válvula E hacia el pequeño cilindro de amoníaco. Presione la flecha verde de la bomba para iniciar la secuencia y extraiga amoníaco en la jeringa. Cuando la jeringa se detenga automáticamente durante el período de espera, gire la válvula de la jeringa hacia el reactor y la válvula de entrada del reactor para que apunte hacia el vástago de conexión rápida.
Después del retraso, la jeringa comenzará a infundirse, deteniéndose automáticamente en el punto de ajuste. Cierre la válvula del reactor y la válvula D.Abra la válvula F para liberar el amoníaco residual de la jeringa, luego cierre la válvula F y cierre la válvula E.Abra la válvula D hacia el escape, luego ciérrela una vez que el amoníaco residual haya salido. Mientras usa guantes criogénicos, retire el reactor de la conexión rápida.
Tenga cuidado con el posible aerosol de amoníaco. Encienda el temporizador para el reactor apropiado. Pesar la unidad del reactor para verificar que se agregó el peso adecuado de amoníaco basado en cálculos de hojas de cálculo.
Conecte el monitor de temperatura al termopar y la cinta de calentamiento al controlador de temperatura. Registre la temperatura inicial y la presión del reactor después de la adición de amoníaco. Ajuste manualmente el controlador de temperatura para que el reactor se ponga a la temperatura establecida.
El objetivo es llegar al set point en menos de cinco minutos. Registre la presión y la temperatura del reactor cada tres minutos hasta el final de la hora de residencia. Al final de la hora de residencia, desconecte el reactor del controlador de temperatura y del termopar, retire el reactor del soporte y abra lentamente la válvula de liberación de bolas dentro de la campana de humo.
Use siempre un protector facial durante este paso. Después de permitir que el reactor se enfríe durante unos minutos, utilice una llave de trinquete para abrir las abrazaderas en el reactor. Descargue la biomasa y la lana de vidrio del reactor mientras está dentro de una campana de humos.
Con el fin de evitar la contaminación del aire de la biomasa a medida que se evapora el amoníaco residual, lo mejor es secar la biomasa dentro de una caja de secado cerrada dentro de un espacio ventilado. Si sigue abierto, cierre todas las válvulas y conéctese al cilindro de amoníaco y a todas las válvulas de la línea de nitrógeno. Después del pretratamiento AFEX, la biomasa será de color más oscuro, pero de lo contrario visualmente sin cambios.
AFEX genera un material altamente digerible a una variedad de escalas además de la descrita en este protocolo. Pretratamos la misma muestra de estufa de maíz usando nuestro sistema de báscula de banco de lecho de 200 mililitros, un reactor de energía agitada de cinco galones y el reactor piloto de MBI que es capaz de procesar una tonelada de biomasa por día. Las condiciones utilizadas para los dos reactores más pequeños fueron un gramo de amoníaco por gramo de biomasa seca, 0,6 gramos de agua por gramo de biomasa seca durante 30 minutos a 100 grados centígrados.
La escala piloto AFEX se llevó a cabo sobre el mismo material en las mismas condiciones, con la excepción de que la carga de amoníaco fue de 0,6 gramos de amoníaco por gramo de biomasa seca. Las muestras se hidrolizaron enzimáticamente durante 72 horas con una carga de glucano del 6%, un pH de cinco, 50 grados centígrados y 250 rpm en una incubadora de temblores. Se cargó un cóctel comercial de enzimas que consistía en 60%celulasa y 40%hemicelulasa a 15 miligramos de proteína enzimática por gramo de glucano.
Nuestros resultados demuestran que el pretratamiento de AFEX aumenta significativamente el rendimiento de azúcares fermentables en comparación con la biomasa no tratada. Además, los rendimientos de hidrólisis de 72 horas para biomasa pretratada utilizando los tres procesos son comparables entre sí. Tras el proceso AFEX, los materiales pretratados pueden almacenarse indefinidamente mientras permanezcan secos y utilizados para diversos experimentos de conversión, como la hidrólisis y fermentación enzimática de alto contenido de sólidos, el bioprocesamiento consolidado o las pruebas de alimentación animal.
Una consideración clave durante la implementación de AFEX se centra en el uso seguro del amoníaco anhidro. Los experimentos DE AFEX siempre deben llevarse a cabo dentro de un espacio ventilado y los investigadores deben tomar las precauciones de seguridad adecuadas para evitar la exposición al amoníaco y estar familiarizados con cómo responder en caso de una emergencia. En conclusión, el pretratamiento de la expansión de la fibra de amoníaco es un método muy prometedor para reducir los recalcitrantes de biomasa y producir combustibles, productos químicos y piensos a partir de materias primas renovables a base de plantas.
