Method Article
Nous présentons ici un protocole pour effectuer l’extraction de l’éthanol de la lignine provenant de plusieurs sources de biomasse. L’effet des conditions d’extraction sur le rendement de la lignine et de la teneur en β-O-4 sont présentés. Dépolymérisation sélective est effectuée sur lignines obtenus pour obtenir des produits de haute monomères aromatiques.
Stratégies de valorisation de la lignine sont un facteur clé pour la réalisation des bioraffineries plus économiquement compétitives basées sur la biomasse lignocellulosique. La plupart des procédures élégants émergents afin d’obtenir des produits aromatiques spécifiques s’appuient sur le substrat de la lignine, ayant une teneur élevée de la liaison β-O-4 facilement clivables comme présent dans la structure native de la lignine. Ceci fournit une miss-match avec les lignines techniques typiques qui sont fortement dégradées et par conséquent sont faibles dans les liaisons β-O-4. Par conséquent, les rendements d’extraction et de la qualité de la lignine obtenue sont de plus grande importance pour accéder aux nouvelles voies de valorisation de la lignine. Dans ce manuscrit, un protocole simple est présenté afin d’obtenir des lignines à forte teneur en β-O-4 par extraction d’éthanol bénins qui peut s’appliquer à des sources différentes de lignocellulose. En outre, des procédures d’analyse pour déterminer la qualité des lignines sont présentés ainsi qu’un protocole de dépolymérisation qui produit spécifique phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolanes, qui peut être utilisé pour évaluer les lignines obtenus. Les résultats présentés montrent le lien entre la qualité de la lignine et de potentiel de lignines à être dépolymérisé en produits chimiques aromatiques spécifiques de monomères. Dans l’ensemble, l’extraction et la dépolymérisation montre un compromis entre le rendement d’extraction de la lignine et de la conservation de la structure native aryl-éther et donc le potentiel de la lignine pour être utilisé comme substrat pour la production de produits chimiques pour applications à valeur ajoutée.
Pour l’industrie chimique devenir durable, des matières premières renouvelables comme la biomasse lignocellulosique doivent servir comme alternative au courant dominant fossiles ceux1. Cependant, pour rendre l’utilisation de ces matières premières économiquement viable, les applications à haute valeur doivent être recherchées pour tout son contenu. La biomasse lignocellulosique peut contenir environ 30 % en poids de la lignine qui est un biopolymère aromatique pour lequel actuellement seulement quelques applications ont été développées au-delà de son utilisation comme carburant de faible valeur2. Par conséquent, la méthodologie vers valeur potentiellement accru de composés aromatiques est d’un intérêt majeur pour assurer le succès des futures bioraffineries.
Des recherches récentes a concentré sur le développement de nouvelles méthodes pour le clivage sélectif de la tringlerie de la β-O-4 plus abondant (Figure 1 a) la lignine pour obtenir spécifiques monomères aromatiques et généralement phénolique,3,4 ,5,6. Par exemple, l’application d’acides entre 80 ° C à 180 ° C est très efficace en clivant la liaison β-O-4 formant aldéhyde et cétone fragments7,8. Nos groupes et autres ont récemment démontré qu’acidolysis combinée avec les méthodologies pour stabiliser et fragments réactive de piège est extrêmement puissant pour obtenir des monomères phénoliques avec motifs chimiques spécifiques9,10 , 11 , 12. parmi eux, en particulier piégeage d’acétal d’aldéhydes réactives avec les alcools pour obtenir phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolannes (acétals) s’est avéré puissant en raison de sa relative application simple et la conservation de la nature hautement fonctionnalisée la lignine monomères (Figure 1 b)13,14. Ces acétals sont obtenus à partir de la dépolymérisation dans un rapport qui a trait à la distribution de la H, G et S monomères présent dans la matière première la lignine parent.
L’acide catalyse dépolymérisation, comme bon nombre des méthodologies plus élégants développé, sont relativement bénins et clivent pas des liaisons C-C plus fortes qui se produisent dans la lignine15. Cependant, les liaisons C-C deviennent particulièrement abondants lorsque les conditions de fractionnement de lignocellulose sévères sont appliquées en raison de la condensation de réactifs fragments libérés par le clivage de plus faible C-O obligations16,17. La perte de la teneur en β-O-4 de la méthode de transformation de la biomasse est clairement démontrée par l’analyse d’un éventail de techniques lignines, lesquelles se sont seulement conserver jusqu'à 6 liaisons β-O-4 par 100 unités aromatiques18, tandis qu’en lignocellulose ces numéros vont de 45 à 90 liens par 100 unités aromatiques en fonction de la source16. S’agissant des conditions d’extraction plus clémentes, les lignines peuvent être obtenues avec les distributions de liaison qui reflètent mieux la lignine naturelle. Néanmoins, cela exige un compromis entre l’efficacité de l’extraction et la qualité de la matière lignine obtenu17. C’est également prioritaire organosolv d’extraction de la lignine, qui est une méthode populaire de fractionner la lignine. Nombreuses variantes de ce existent de processus, avec les méthodes employant différentes températures, acidité, temps d’extraction et des solvants. Ici, la gravité de l’extraction a un impact direct sur la structure de la lignine obtenue et donc qu’il est encore valorisation19,20,21. Par exemple, lignine organosolv produite par le processus Alcell éthanol basé, exploité depuis 5 ans à l’échelle de la manifestation, avait un montant relativement faible des liaisons β-O-4 gauche comme il a été opéré à une température relativement élevée pour assurer la délignification efficace dans afin d’obtenir des glucides de haute qualité pour la production de bioéthanol. Néanmoins, biobased solvants avec peu d’impact environnemental comme l’éthanol sont préférés et donc les méthodes d’extraction qui entraînent les lignines de valeur supérieure présentent un intérêt. Solvants alcooliques sont particulièrement intéressantes car en plus d’être le moyen d’extraction elles intègrent aussi dans la structure de la lignine, par exemple, β' - O - 4 (Figure 1 a)22, qui « protège » en partie la structure des indésirables clivage. Une méthode appropriée serait potentiellement tout d’abord d’obtenir la lignine à forte teneur en β-O-4 et dans un temps séquentiel pour enlever le reste de la lignine pour accéder aux cellulose de grande valeur.
Dans ce manuscrit, nous décrivons une procédure simple et hautement reproductible pour l’extraction de la lignine de β-O-4 haute par extraction à l’éthanol doux. Selon la source de biomasse, ceci peut conduire à l’efficacité d’extraction relativement élevé et rendement. Procédures pour la caractérisation de la lignine obtenue sont prévues et les moyens de « déprotéger » éthérifié β' - O - 420. Par ailleurs, une procédure d’évaluation est présentée pour le potentiel de ces lignines dans les procédures de dépolymérisation sélective qui s’appuient sur un clivage sélectif des liens β-O-4. Cette évaluation est effectuée en utilisant la dépolymérisation catalysée triflate de fer (iii) en présence de l’éthylène glycol pour obtenir phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolannes23 qui montre le lien entre la teneur en β-O-4 dans le matériau de la lignine et le monomère produit21. Les résultats montrent l’équilibre entre l’efficacité d’extraction lignine élevée et le potentiel de la lignine obtenu d’être dépolymérisée aux monomères aromatiques spécifiques.
1. le prétraitement des matières premières noix avant l’Extraction de la lignine
2. préparation des matières premières bois
3. extraction de lignine de Ethanosolv élevé β-O-4
4. dé-éthérification de la lignine (facultative)
5. analyse de la lignine
6. la dépolymérisation des lignines de phénoliques 2-Arylméthyles-1, 3-Dioxolannes (acétals)
7. les travaux vers le haut et l’analyse des mélanges de dépolymérisation
Figure 2, matière première obtenue après un prétraitement sont divulgués (colonne de gauche). Toutes les matières premières a été obtenue que les petites puces présents en dehors du bois de hêtre, qui fut acquis en copeaux de granulométrie appropriée pour l’extraction. Les lignines obtient après le spectacle de l’extraction une large gamme de couleurs et de tailles de particules. Les lignines obtenus à partir des traitements douces (méthode A et la deuxième colonne de la Figure 2) sont généralement rouge/rose en couleur et acquis comme petits flocons. Quand des conditions plus sévères sont appliquées (méthodes B et C *), les lignines obtenus ont une couleur brun/jaune brunâtre (troisième et quatrième colonne de la Figure 2). Le rendement a augmenté pour tous les extractions effectuées dans des conditions plus sévères (méthodes B et C*) par rapport à des conditions plus clémentes (schéma réactionnel à la Figure 1, les résultats dans le tableau 1). Cet effet est beaucoup plus profond pour le noyer (augmentation de 10,2 %), hêtre (augmentation de 8,5 %) et bois de cèdre (hausse de 5,1 %) par rapport au bois de pin (augmentation de 0,5 % seulement). Selon la teneur en lignine de la biomasse avant extraction (40,3 % pour les noix, 28,6 % de pin25, 18,8 % de hêtre25 et 35,1 % pour cedar25), l’efficacité d’extraction de la lignine de bois de hêtre est particulièrement élevée (73,9 %), alors que pour la autres sources de rendement d’extraction plus faible a été obtenu. Méthodes A * et B *, des expériences de contrôle avec l’acide sulfurique pour les méthodes A et B, a montré que quelques claires différences dans le rendement d’extraction. Extraction douce des coquilles de noix avec de l’acide sulfurique (méthode A *) a donné seulement un très faible rendement de 2,6 %, ce qui est nettement inférieur à l’extraction avec de l’acide chlorhydrique (méthode A) (2,6 % et 5,0 %). Cependant, avec les plus sévères conditions d’extraction, l’extraction avec de l’acide sulfurique (méthode B *) présente un rendement supérieur par rapport à l’acide chlorhydrique (méthode B) (19,3 % et 15,2 %), mais il est à noter que des traces de sucre sont présents dans le produit obtenu par extraction avec l’acide sulfurique.
De l’analyse NMR de lignines différents (exemple illustré à la Figure 4), on a déterminé le rapport H/G/S et la quantité des liens (tableau 1). En raison du chevauchement des β et γ-protons de la β-O-4 et β' - O - 4 linkage, la quantité de liens est quantifiée à l’aide de le α-protons. En outre, le G5/6 et H3/5 signaux chevauchement, mais celles-ci peuvent être corrigées en ajustant les ratios en conséquence en utilisant les signaux de2/6 H. En outre, un signal correspondant aux γ-protons des cétones Hibbert et un signal pour les unités S oxydés, probablement causés par la lignine fin-groupes, sont identifiés.
Les ratios obtenus à partir de NMR montrent qu’extractions avec la méthode B en général fournit la lignine enrichie en S par rapport à ceux qui ont procédé A dans le cas que le matériel natif contienne des unités de S. En outre, les extractions avec la méthode B fournissent lignine un montant inférieur de totales liaisons β-O-4 par rapport à la méthode A, indiquant la dégradation accrue sur l’augmentation de la température. Une exception est la lignine noyer obtenue à partir des méthodes A et B pour lesquels le montant du totales liaisons β-O-4 était très similaire. Le nombre de liaisons β-β et β-5 diminue-t-elle lorsque des conditions plus sévères sont appliquées, quoique dans une moindre mesure. Par ailleurs, NMR a révélé que tous les lignines obtient après que extraction de l’éthanol a montré une certaine modification structurale de la liaison β-O-4. Celles-ci ont au moins environ 50 % substitution au groupe α-OH, aboutissant à le α-éthoxylé β' - O - 4 linkage. L’extraction de la lignine montre la reproductibilité élevée, ce qui a été prouvée en effectuant l’extraction douce de coquille de noix (méthode A) 4 fois. En particulier, la déviation du nombre total de liaisons β-O-4 est remarquablement faible. Lorsque l’extraction a été réalisée dans des conditions plus sévères (méthodes B et C *), le pourcentage de α-éthoxylation a augmenté. Dans le HSQC spectres de lignine de hêtre extraites dans des conditions plus sévères (méthode B), un signal pour S condensée est visible, qui s’accorde parfaitement avec l’importante diminution d’un montant de liaisons β-O-4. L’extraction de noyer effectuée à grande échelle (méthode C *) montre une diminution significative pour tous les liens et un signal pour S condensée est visible dans les spectres HSQC. Le rendement relativement élevé pour l’extraction du cèdre à des conditions douces (méthode A) est causé par la présence d’une quantité importante d’acides gras. Des expériences de contrôle avec l’acide sulfurique a donné un bon aperçu dans l’effet de l’acide sur la composition de la lignine obtenue. Conditions d’extraction doux (methodA *), on obtient une lignine très pure qui est semblable en composition par rapport aux autres extractions douces (methodA). Le montant un peu inférieur des liaisons β-O-4 peut être attribué à une incorporation moins efficace d’éthanol dans le cadre de la lignine, ce qui entraîne un nombre inférieur de β' - O - 4 liens. Au plus sévères conditions d’extraction (méthode B *), les différences avec la lignine obtenue est beaucoup plus profond par rapport à la lignine provenant de coquille de noix extraite en présence d’acide chlorhydrique (méthode B). Le nombre total de liaisons β-O-4 montre une forte baisse (35 et 74, respectivement) et la lignine obtenue avec l’acide sulfurique montre une grande quantité de condensation dans la région aromatique (48 %), qui a été déterminée par l’intégration des signaux correspondant à la S condensée et Gcondensée (étape 5.1.3). Cette grande quantité de condensation peut être attribuée entièrement à l’acide sulfurique, comme le produit obtenu par l’extraction de même avec l’acide chlorhydrique a montré aucune condensation dans la région aromatique. La composition du produit obtenu à l’extraction dure à échelle plus grande (méthode C *) ne montre aucun grande différence avec le produit obtenu à une échelle plus petite (méthode B *). La seule grande différence est la plus faible quantité de condensation dans la région aromatique dans l’extraction à grande échelle (9 %) et par la suite un montant plus élevé des liaisons β-O-4. Cette différence pourrait être causée par la différence dans le profil de chauffage entre les autoclaves différents.
Les lignines ont été également analysées par GPC (Figure 5) pour donner un aperçu dans le poids moléculaire (tableau 2). Celles-ci révèlent que, lorsque les conditions d’extraction plus sévères (méthode B) sont appliquées, la masse moléculaire moyenne en poids (Mw) tant la polydispersité augmentent pour toutes les sources. Le numéro poidsmoléculairemoyenentre (n) les conditions d’extraction sont comparables pour chaque source. Dans l’ensemble, ces résultats montrent que les conditions d’extraction plus sévères ont un double effet, et plus grands fragments sont extraits en plus de la ventilation supplémentaire de ces fragments.
Pour certaines applications, la formation de β' - O - 4 lien est indésirable, par exemple, lors de l’application des méthodes de dépolymérisation qui s’appuient sur l’oxydation du benzylique (α) hydroxyle groupe26,27,28. La transformation de β' - O - 4 liens de lignine ethanosolv régulières liaisons β-O-4 a été précédemment rapporté20 et a été réalisée avec un lot de lignine provenant de coquille de noix qui est comparable à la lignine provenant de coquille de noix, rapportés dans ce papier (Figure 6). Cette lignine se composait de 30 liens natifs de β-O-4 et 39-éthoxylé α β' - O - 4 liens (liens 34 et 38, respectivement pour la lignine dans cet article). Dé-éthérification converti presque tous les liens de le α-éthoxylé à la structure native comme la lignine obtenue comprenait 57 β-O-4 liens et seulement 3 α-éthoxylé β' - O - 4 liens, montrant une petite perte du nombre total d’unités β-O-4. La masse de la lignine a été de 72 % de la lignine originale, qui est principalement causée par la perte du groupe éthyle.
Pour démontrer le potentiel de la lignine pour la production de monomères aromatiques par dépolymérisation douce, réactions d’acidolysis avec Fe(OTf)3 en présence de l’éthylène glycol ont été effectuées (Figure 7). Cette réaction conduit à trois différents phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolannes (acétals) qui se rapportent à l’H, unités G et S présent dans la lignine. Le tableau 3 montre le rendement des acétals S, G et H, et le rendement total est indiqué à la Figure 8. Il est visible que la méthode d’extraction de la lignine a un effet majeur étant le rendement des acétals. Des rendements plus faibles sont obtenus pour la lignine extraite à l’aide des conditions plus rudes (méthode B). Ceci est probablement dû à un plus mis à jour le (pourcentage plus élevé de α-éthoxylation) condensés structure tel que décrit dans le paragraphe précédent.
L’importance des unités β-O-4 est reflétée en fournissant des corrélations au rendement de monomère dans la dépolymérisation tels que présentés dans le protocole (Figure 9). Une tendance nette est visible compte tenu de la teneur totale en β-O-4 ainsi que les liens non-éthérifiés β-O-4, où une teneur plus élevée en β-O-4 donne généralement lieu à un rendement plus élevé de phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolannes (acétals) qui est conforme aux résultats antérieurs21 . Lorsqu’on examine l’éthérifiés β' - O - 4 liens, la tendance est aussi claire, montrant que le rendement de dépolymérisation n’est pas lié au nombre de β' - O - 4 liens. Conditions de réaction, les liaisons β-O-4 éthérifiés peuvent être hors éthérifiés mais cette étape supplémentaire se traduit par la perte du matériel, comme décrit précédemment.
Dans l’ensemble, corrigeant le rendement de dépolymérisation de monomère pour le rendement d’extraction de la lignine, les résultats suivants peuvent être obtenus (tableau 4). Ceux-ci montrent qu’en comparant les méthodes A et B, généralement des quantités plus élevées d’acétal trouvera par extraction plus sévère offrant des rendements plus élevés de la lignine globale suivies d’une dépolymérisation (moins sélective). Néanmoins, les résultats pour pinède montrent également qu’il s’agit dépend de la source de biomasse puisque l’augmentation de la sévérité de l’extraction ne fournit pas un gain de rendement important. Conservation de la structure β-O-4 est préférable pour ce type de bois donner des rendements plus élevés globalement phénoliques 2-phénylméthyl-1, 3-dioxolane (acétals).
Figure 1 . Structures chimiques des produits obtenus. (a) communes motifs structurels comme présent dans la structure de la lignine. (b) l’acide catalyse la dépolymérisation de la lignine combinée avec piégeage d’acétal pour obtenir phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolannes (acétals). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 . La lignine provenant de matières premières différentes. Image des quatre matières de lignocellulose différents après un prétraitement (étapes 1 et 2) et les lignines obtenus après extraction organosolv à des conditions différentes (méthode A-étape 3.1, méthode B-étape 3.3 et méthode C *-étape 3.4). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 . Plan de réaction pour l’extraction d’ethanosolv. Vue d’ensemble des liens obtenus : β-O-4 (R' = H), β' - O - 4 (R' = Et), β-β et β-5. Conditions : (A) 80 ˚C, 0,24 M HCl (étape 3.1), (B) 120 ° c, 0,24 M HCl (étape 3.3), (C *) 120 ˚C, 0,12 M H2donc4 (étape 3.4) et le contrôle experiment A * et B * (étape 3.5). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 . L’analyse de la lignine HSQC. Identification de tous les couplages de lignine mesurés avec 2D-HSQC de lignine provenant de coquille de noix à l’aide de traitement doux (étape 3.1). Les signaux pour HKγ et S'2/6 sont amplifiés pour qu’elles soient visibles. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 . Poids moléculaire de lignine. Graphiques GPC de lignines obtenus divisé par source (un = noyer, b = bois, pin c = bois de hêtre et d = bois de cèdre). Les lignes correspondent aux différents échantillons donnés par le tableau 2. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 . Dé-éthérification de lignine. Plan de réaction de la dé-éthérification de la lignine ethanosolv obtenus de coquille de noix (étape 4). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 7 . Dépolymérisation de la lignine d’acétals. Schéma de la réaction de la dépolymérisation de la lignine pour phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolannes (acétals). Unité H : R1 = R2 = H ; Unité G : R1 = OMe, R2 = H ; Unité S : R1 = R2 = OMe (étape 6). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 8 . Rendement d’acétal par source. Rendements de phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolannes (acétals) provenant de la dépolymérisation de la lignine provenant de différentes sources. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 9 . Influence des liaisons β-O-4 sur le rendement de l’acétal. Rendements de phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolannes (acétals) obtenus de dépolymérisation de lignine par rapport à la β-O-4 (bleu), total non-éthérifiés β-O-4 (orange) et éthérifiés β-O-4 (gris) contenu dans la matière première de la lignine. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Source | Conditions | Rendement (%) | Extraction de rendement (%)1 | Rapport S/G/H | Total des β-O-4 | Β-O-4 | Β ' - O - 4 | Β-Β | Β-5 |
Noyer | A | 5,0 ± 0,7 | 12.4 | 45/46/9 | 75 ± 2,5 | 36 ± 2,6 | 39 ± 3.1 | 11 ± 0,7 | 5 ± 1,5 |
Noyer | A * | 2.6 | 6.5 | 45/47/8 | 53 | 32 | 21 | 9 | 4 |
Noyer | B | 15.2 | 37,7 | 59/37/4 | 74 | 20 | 54 | 9 | 6 |
Noyer2 | B * | 19.3 | 47,9 | 75/25/0 | 35 | 5 | 30 | 7 | 3 |
Noyer2 | C * | 16.2 | 40.2 | 65/33/2 | 45 | 10 | 35 | 8 | 3 |
Pin | A | 3.5 | 12.2 | 0 / > 99 / < 1 | 59 | 22 | 37 | 0 | 14 |
Pin | B | 4.0 | 14,0 | 0 / > 99 / < 1 | 46 | 7 | 39 | 0 | 8 |
Hêtre | A | 5.4 | 28.7 | 63/37/0 | 82 | 43 | 39 | 12 | 5 |
Hêtre3 | B | 13,9 | 73,9 | 83/17/0 | 45 | 11 | 35 | 9 | 2 |
Cedar | A | 6.4 | 18.2 | 0 / > 99 / < 1 | 64 | 28 | 36 | 0 | 6 |
Cedar | B | 11.5 | 32,8 | 0 / > 99 / < 1 | 41 | 7 | 34 | 0 | 7 |
Tableau 1. Résultats d’extraction Ethanosolv. Obtenu des rendements, distribution aromatique et des liens pour les extractions différentes effectuées sur la biomasse. * L’acide sulfurique est utilisé comme acide. 1 Rendement de la lignine (wt%)/Lignin contenu dans la matière première telle que déterminée par dosage de la lignine Klason. 2 Hémicellulose et condensés S présente dans le produit. 3, 32 % des S-unités sont condensés.
Source | Conditions | Mn (g/mol) | Mw (g/mol) | Ð |
Noyer | A | 1096 | 1805 | 1,65 |
Noyer | B | 1174 | 2934 | 2,50 |
Noyer | C * | 1248 | 2930 | 2.35 |
Pin | A | 1331 | 3071 | 2.31 |
Pin | B | 1319 | 3596 | 2.73 |
Hêtre | A | 1645 | 3743 | 2.28 |
Hêtre | B | 1368 | 4303 | 3.14 |
Cedar | A | 860 | 1626 | 1.89 |
Cedar | B | 1188 | 3292 | 2,77 |
Tableau 2 : poids moléculaires des lignines obtenus.
Source | Conditions | Rendement (%) | Rapport S/G/H | Total des β-O-4 | Acétal de S (% poids) | Acétal G (% poids) | Acétal H (% poids) | Rendement total acétal (% poids) |
Noyer | A | 5.0 | 45/46/9 | 72 | 4.5 | 5.9 | 2.1 | 12,5 |
Noyer | B | 15.2 | 59/37/4 | 74 | 3.6 | 4.7 | 1.0 | 9.3 |
Noyer | C * | 16.2 | 65/33/2 | 45 | 3.8 | 3.9 | 0,6 | 8.3 |
Pin | A | 3.5 | 0 / > 99 / < 1 | 59 | 0 | 9,9 | 0,3 | 10.2 |
Pin | B | 4.0 | 0 / > 99 / < 1 | 46 | 0 | 1.1 | 0 | 1.1 |
Hêtre | A | 5.4 | 63/37/0 | 82 | 7.7 | 6.7 | 0 | 14.4 |
Hêtre | B | 13,9 | 83/17/0 | 45 | 3.6 | 3.4 | 0 | 7.0 |
Cedar | A | 6.4 | 0 / > 99 / < 1 | 64 | 0 | 8.1 | 0,1 | 8.2 |
Cedar | B | 11.5 | 0 / > 99 / < 1 | 41 | 0 | 4.7 | 0 | 4.7 |
Tableau 3 : acétal donne de la dépolymérisation de la lignine. Rendements de phénoliques 2-arylméthyles-1, 3-dioxolones (acétals) provenant de la dépolymérisation de la lignine provenant de différentes sources. Conditions : lignine 50 mg, wt 60 % d’éthylène glycol, 10 % en poids de Fe(OTf)3, solvant : 1, 4-dioxane, 140 ° C (volume total de 1 mL), 15 minutes (étape 7).
Source | Conditions | Rendement d’extraction de la lignine (%) | Β-O-4 | Β ' - O - 4 | Total des β-O-4 | Rendement total acétal (% poids) | Rendement global acétal corrigée pour la lignine extraction rendement (% poids)1 |
Noyer | A | 5.0 | 34 | 38 | 72 | 12,5 | 0,63 |
Noyer | B | 15.2 | 20 | 54 | 74 | 9.3 | 1.41 |
Noyer | C * | 16.2 | 10 | 35 | 45 | 8.2 | 1.33 |
Pin | A | 3.5 | 22 | 37 | 59 | 10.2 | 0,36 |
Pin | B | 4.0 | 7 | 39 | 46 | 1.1 | 0,04 |
Hêtre | A | 5.4 | 43 | 39 | 82 | 14.4 | 0,78 |
Hêtre | B | 13,9 | 11 | 35 | 45 | 6.9 | 0,96 |
Cedar | A | 6.4 | 28 | 36 | 64 | 8.2 | 0,52 |
Cedar | B | 11.5 | 7 | 34 | 41 | 4.7 | 0,54 |
Tableau 4 : dans l’ensemble rendement acétal corrigé avec le rendement d’extraction. Rendements de phénoliques 2-arylméthyles-1.3-dioxolannes (acétals) obtenus de la dépolymérisation de la lignine provenant de différentes sources corrigées pour le rendement d’extraction de la lignine. 1 Calcul : 100 *(lignin yield/100) * (total acétal rendement/100). Conditions : lignine 50 mg, wt 60 % d’éthylène glycol, 10 % en poids de Fe(OTf)3, solvant : 1, 4-dioxane, 140 ° C, 15 min (réaction par l’intermédiaire d’étape 6) & marche à suivre par étape 7.
Les résultats proviennent les extractions à des conditions différentes et de sources de biomasse différents révèlent comment les conditions optimales pour l’extraction de la lignine avec une teneur relativement élevée des liaisons β-O-4 peuvent varier selon les sources. Par exemple, extraction de noyer à des conditions plus rudes (méthode B) fournit un triplé du rendement avec une rétention proche de la quantité d’unités β-O-4, tandis que pour le hêtre et le cèdre, le rendement augmente mais est accompagnée d’une baisse importante de la quantité de β-O-4 unités. En revanche, pour le pin, les plus sévères conditions d’extraction fournissent très peu d’avantages en rendement et aussi conduisent à une lignine avec une très faible quantité d’unités β-O-4. Cela signifie que généralement une forme quelconque d’optimisation doit être impliqué pour obtenir le juste équilibre entre le rendement de lignine et de la qualité sous la forme de conservation de la quantité d’unités β-O-4 dans le matériau obtenu la lignine.
La forte augmentation dans le Mw du matériau obtenu à partir des conditions plus rudes d’extraction lignine montre que dans ces conditions plus grands fragments peuvent être extraites offrant des rendements plus élevés. Cependant, dans ces conditions, fragmentation supplémentaire se produit, fournissant le matériel additionnel à poids moléculaire plus faible et en augmentant la polydispersité comme ressort clairement dans les graphiques GPC de noyer (Figure 5 a) et de cèdre (Figure 5D) dans la forme du signal à ~ 500 Da.
HSQC RMN est un outil informatif important de fournir des données comparatives sur la qualité des lignines différents. Il est à noter que dans cette procédure qu'une expérience HSQC standard est effectuée, c’est génial pour l’obtention de données comparatives mais n’est pas nécessairement quantitative en raison des différences dans les temps de relaxation. La grande quantité de liens affichés pour certains lignines dans le tableau 1 sont surestimées. Quantitatives HSQC expériences offrent de meilleurs résultats mais coûtent nettement plus de temps NMR, bien que des alternatives existent29. Dans notre expérience, les nombres dans le tableau 1 doivent être divisées par un facteur d’un 1.3 afin de mieux refléter le montant réel des β-O-4 unités par 100 unités aromatiques.
Tel que mentionné précédemment, les résultats soulignent comment trouver les conditions optimales peut varier selon les sources afin d’obtenir le rendement maximal de monomère. Par exemple, lors de noix est utilisé comme produit de départ, les acétals totales donnent des augmentations environ deux fois si des conditions plus rudes (méthode B) sont employées pour l’extraction de la lignine. Cependant, c’est principalement en raison de la grande différence de rendement d’extraction de la lignine, sans affecter la teneur en β-O-4. Autrement, lorsque pin sert plus douces conditions d’extraction (méthode A) sont préférables. En fait, résultats d’extraction lignine avec des rendements très similaire dans les deux cas, mais des conditions plus rudes causent une baisse en β-O-4 unités (surtout non-éthérifiés β-O-4 liens) qui peuvent être la raison de tel un rendement faible monomère, comme il est indiqué dans le paragraphe précédent. Une perte importante de non-éthérifiés des liaisons β-O-4 peut être observée aussi bien dans les cas de hêtre et de cèdre si les conditions (méthode B) sont appliquées pour l’extraction, ce qui conduit éventuellement à un rendement inférieur des monomères. Toutefois, le rendement global d’acétal ne diffère pas tant que ça selon les conditions d’extraction. En effet, une augmentation d’environ deux fois avec un rendement d’extraction lignine est observée pour les deux sources de biomasse, commutation de méthodes de A à B qui compense la diminution d’environ deux fois avec un rendement de monomère.
Les auteurs ne rapportent aucun conflit d’intérêts
Le travaux ont été financés par l’Union européenne (Marie Curie ITN « SuBiCat » PITN-GA-2013-607044, PJD, Ko et JGdV), en plus de soutien financier de l’European Research Council, ERC commençant Grant 2015 (CatASus) 638076 (annonces et KB) et le programme de recherche talents Régime (Vidi) avec le numéro du projet 723.015.005 (KB), qui est financé en partie par l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Materials | |||
Iron (III) triflate | Sigma Aldrich | 708801-1G | purity: 90% |
Octadecane | Sigma Aldrich | 0652-100G | purity: 99% |
Celite | Alfa Aesar | H33152.0B | |
Silica Gel | SiliCycle | R12030B-1KG | P60 40-63 μm |
Dichloromethane | Macron Fine Chemicals | 6779-25 | |
Walnut shells | |||
Pine wood | |||
Cedar wood | |||
Beech wood | |||
Ethanol | JT Baker Chemicals | 00832000001 | Ethanol absolute |
Isopropanol | Acros Organics | 149320025 | 99.5+% extra pure |
Acetone | Macron Fine Chemicals | 2440-06 | |
Tetrahydrofuran | Boom B.V. | 164240025 | stabilized with BHT |
Toluene | Macron Fine Chemicals | 8608-02 | |
Water | Demi water from the internal supply | ||
1,4-Dioxane | Acros Organics | 408820010 | 99+% extra pure |
Hydrochloric acid | Acros Organics | 124620026 | 37% solution in water |
Sulfuric acid | Boom B.V. | 760519081000 | 95-97% |
Acetone-d6 | Acros Organics | 325320500 | 99.8 atom% D |
Deuterium oxide | Sigma Aldrich | 151882-100G | 99.9 atom% D |
Filters | Munktell | 400303185 | 185 mm diameter, 10 μm pore size |
Magnetic stirring bars | VWR | 442-4525 | |
Syringe filter | Sartorius | 17559-Q | 0.45 μm filter |
Autosampler vial (2 mL) | Brown | 151123 | |
Reduced volume inlet (0.3 mL) | Brown | 150820 | |
Autosampler caps (11 mm) | Brown | 151216 | |
Autosampler vial crimper | |||
Oil bath | |||
Syringes (1 mL) | Henke Sass Wolf | 4010-200V0 | |
Heating block-4 positions | IKA | ||
Micro tubes 2 ml | Sarstedt | 72691 | |
Crimp seals-20 mm | Brown Chromatography Supplies | 151287 | with Silicone/PTFE septa |
Equipment | |||
Rotary Ball Mill | Fritsch | 06.2000.00 | Laboratory Planetary Mono Mill PULVERISETTE 6 |
Hammer mill | Brabender | ||
Micro Hammer mill | Brabender | ||
Vacuum oven | Heraeus | Heraeus Vacutherm | |
Reflux setup and other glassware | CBN Suppliers B.V. | Reflux condensor, Roundbottom flask, Beaker glass and funnels | |
Rotary evaporator | IKA | ||
250 mL high pressure autoclave | Berghof | ||
1 L high pressure autoclave | Medimex | ||
Ultrasonic bath | Emerson | type Branson 3210 | |
NMR instrument | Bruker | Ascend 600 | |
THF-GPC | Hewlett Packard | 1100 series | |
Magnetic stirring plate | SalmenKipp | SK861492220263 | type x-1250 |
Coffee grinder | Profi Cook | PC-KSW1021 | |
Drilling machine | Solid | type TB 13 S | |
GC-FID | Shimadzu | ||
BUCHI Reveleris PREP purification system | Buchi | ||
BUCHI C18 column | Buchi | 150 mm × 21.2 mm × 10 μm | |
20 ml microwave vials | ??? | ||
Univapo 150 ECH rotational vacuum concentrator | UniEquip | ||
Eppendorf minispin tabletop centrifuge | Eppendorf | ||
SB2 rotator | Stuart | ||
Vortex | Wilten | ||
Processing Software | |||
WinGPC Unichrom | |||
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