ייצור ירוק בעלות הנמוכה של יציב תרמית ו nanocrystals התאית Carboxylated ו Nanofibrils באמצעות חומצות dicarboxylic למחזור ביותר

Summary

כאן אנו מדגימים שיטה חדשה להפקות ירוקות ומקיימות של תרמית מאוד nanocrystals התאית יציבת carboxylated (CNC) ו nanofibrils (CNF) באמצעות חומצות dicarboxylic מוצקות למחזור ביותר.

Abstract

כאן אנו מדגימים עלות פוטנציאלית נמוכה והפקות ירוקות של גבוה תרמית nanocrystals התאית היציבה carboxylated (CNCs) ו nanofibrils (CNF) עיסת אקליפטוס מולבן (BEP) עיסת קראפט פרקט מעורב מולבנת (UMHP) סיבים באמצעות חומצות מוצקות למחזור ביותר dicarboxylic. תנאי הפעלה אופייניים היו ריכוזים חומצה של 50 - 70% WT ב 100 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות ו -120 ° C (לא רותחים בלחץ אטמוספרי) עבור 120 דקות, עבור BEP ו UMHP, בהתאמה. CNCs כתוצאה יש טמפרטורת שפלת תרמית גבוהה יותר מאשר סיבים להאכיל המתאימים ותוכן קבוצת חומצה קרבוקסילית 0.2-0.4 מילימול / g. כוחו הנמוך (גבוהה pKa של 1.0 - 3.0) של חומצות אורגניות גם הביאה CNCs בשני אורכים יותר של כ 239 - nm 336 ואת crystallinity הגבוה CNCs הופק באמצעות חומצות מינרליים. הפסד תאי לסוכר היה מינימאלי. שאריות מוצקות סיביות תאיות (FCSR) מן הידרוליזה חומצית dicarboxylic שמשולייצר CNFs carboxylated דרך הפרפור מכנה הבא עם השקעת אנרגיה נמוכה.

Introduction

פיתוח כלכלי בר קיימא מחייב לא רק באמצעות חומר זינה כי הם מתחדשים מתכלים אלא גם עושה שימוש בטכנולוגיות ייצור ידידותיים ירוקות וסביבתיות כדי לייצר מגוון רחב של bioproducts ביוכימיים ממקורות מתחדשים אלה. ננו התאית, כגון nanocrystals התאית (CNC) ו nanofibrils התאית (CNF), המופקת lignocelluloses מתחדשת הן מתכלות יש תכונות מכאניות ואופטיות ייחודיות מותאמות לפיתוח מגוון של bioproducts ^{1, 2.} לצערנו, הטכנולוגיות הקיימות להפקת ננו תאית הם או עתיר אנרגיה בעת שימוש פרפור מכני טהור או לסביבה בר קיימא בשל מיחזור הלא או מיחזור מספקת של כימיקלים עיבוד, כגון בעת שימוש בתהליך הידרוליזה מינרל חומצה מרוכזת ^3-8 או חמצון שיטות ^{9- 11.} יתר על כן, שיטות חמצון עשויה גם לייצר רכיבי מדיה רעילים לסביבהunds ידי מגיב עם lignocelluloses. לכן, פיתוח טכנולוגיות ייצור ירוק להפקת ננו תאית היא חשובה ביותר כדי לעשות שימוש מלא של החומר שופע מתחדשת - lignocelluloses.

באמצעות הידרוליזה חומצית לפזר hemicellulose ו depolymerize תאית היא גישה יעילה להפקת ננו תאית. חומצות מוצקות שמשו לייצור סוכר מתאית עם היתרון של פגת התאוששות חומצת ^{12, 13.} מחקרים קודמים באמצעות חומצות מינרליים מרוכזות עולים כי ריכוז חומצה נמוך שיפור תשואת CNC ו crystallinity ^{3, 5.} הדבר מצביע על כך חומצה חזקה עלולה לפגוע גבישים תאיים בעוד הידרוליזה חומצית מתונה עשויה לשפר את המאפיינים ואת התשואה של ננו התאית דרך הגישה של ייצור משולב CNC עם ^{3 CNF, 14.} כאן אנחנו מתעדים שיטה באמצעות הידרוליזה dicarboxylic חומצות מוצקה מרוכזת producדואר CNC יחד עם CNF ^15. לחומצות dicarboxylic אלה מסיסות נמוכה בטמפרטורות נמוכות או סביבה, ולכן הם יכולים להיות התאוששו בקלות באמצעות טכנולוגיית ההתגבשות הבוגרת. יש להם גם מסיסות טובה בטמפרטורות גבוהות המאפשרת הידרוליזה חומצית המרוכזת ללא רותחים או באמצעות מכלי לחץ. מאז חומצות אלה יש גם pKa גבוה חומצות מינרליים טיפוסיות המשמשות לייצור CNC, תוצאות השימוש בם crystallinity CNC הטוב, ולמרות תשואות CNC נמוכות, עם כמות משמעותית של שאריות מוצקות סיביות תאיתי (FCSR או סיבים הידרוליזה חלקית) נותרים בשל depolymerization תאית שלמה. FCSR יכול לשמש לייצור CNF דרך פרפור מכני שלאחר מכן באמצעות תשומות אנרגיה נמוכה. לכן, אובדן תאי לסוכרים הוא מינימאלי לעומת באמצעות חומצות מינרליים.

עובדה ידועה היא כי חומצות קרבוקסיליות יכול esterify תאית באמצעות esterification פישר-Speier ¹⁶. מריחת חומצות dicarboxylic כדי תאית יכול לגרום למחצה חומצה un-crosslinked אסטרים ¹⁷ (או carboxylation), לייצר carboxylated CNC ו CNF כפי שהראינו ¹⁵ בעבר. השיטה המתועדת כאן יכולה לייצר carboxylated ואת יציבות תרמית CNF ו- CNC כי הוא גם מאוד גבישי או מתוך pulps המולבן או מולבן בזמן שיש התאוששות כימית פשוטה וגבוהה יחסית ושימוש תשומות אנרגיה נמוכות.

Protocol

הערה: עיסת קראפט אקליפטוס מולבן (BEP) עיסת קראפט הפרקט מעורבת מולבן (UMHP) סיבים ממקורות מסחריים שימשו כחומר גלם להפקת CNC ו CNF. חומצות maleic ערך שנרכשו שימשו הידרוליזה. תנאי הידרוליזה היו ריכוזים חומצה של 60% wt ב 100 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות ו -120 ° C (לא רותחים בלחץ אטמוספרי) עבור 120 דקות, עבור BEP ו UMHP, בהתאמה.

1. הכנת פתרון מרוכז dicarboxylic חומצה

1. 40 חום מ"ל deionized (DI) מים בבקבוק מרובה צוואר באמבט גליצרול נוזלי על צלחת חימום לכ -85 מעלות צלזיוס.
2. להוסיף 60 גרם חומצת maleic נטולת מים לתוך הבקבוק לבצע פתרון 60% WT עם ערבוב מגנטי. באמצעות הצפיפויות של פתרונות החומצה שדווחו בעבר ^15, לחשב את הכמות הנדרשת של מים וחומצה להכנת פתרון החומצה בריכוז ההמוני שצוין.
3. מחממים את הפתרון דהטמפרטורת הידרוליזה הולידה של 100 או 120 ° C (לא רותח בשל ריכוזי חומצה dicarboxylic גבוהים).

2. תגובת הידרוליזה

1. לאחר פתרון חומצה הוא בטמפרטורת, להוסיף 10 גרם בתנור יבשים (OD) של סיבי BEP או UMHP לתוך 80 מ"ל dicarboxylic פתרון חומצה (1.1) עם בחישה מתמדת.
   1. קח aliquot של hydrolyzate חומצה (כ 2 מ"ל) בסוף זמן התגובה קבוע מראש של 60 דקות לפני סיום הידרוליזה על ידי הוספת 160 מ"ל של 80 ° C מים DI.
2. לדלל 0.5 מ"ל של hydrolyzate שנדגמו עבור סוכר בריכוז חומצת מנתח. ¹⁵ שימו לב מדגם hydrolyzate הנותר להתגבשות מתרחשת תוך הומות לטמפרטורת חדר.
3. הפרד את hydrolyzate מן עיסת הידרוליזה על ידי סינון ואקום באמצעות נייר סינון ב משפך בוכנר.
   הערה: פרדה זו צריכה להתרחש די מהר לפני הטמפרטורה יורדת ואת החומצה להיותג'ין להתגבש מתוך התמיסה. בשל כוח יוני גבוה מפתרון החומצה, מצבר הידרוליזה שנוצר של CNC ולהישאר עם שאריות FCSR. כ 80-90% של החומצה יוסרו עם התסנין.

3. הפרדת CNC

1. שטוף את המוצקים המסוננים ממדור 2 שימוש במי DI לדלל לכ מוצק סך 1% עם מים די. צנטריפוגה תסנין ב 11,960 XG במשך 10 דקות.
2. למזוג את supernatant. חזור על תהליך כביסת סינון באמצעות מים די טריים עד supernatant הוא עכור. העכירות עולה כי הכח היוני של הפתרון נפל מספיק עבור CNC להתפזר ולהתחיל להפוך קולואידים.
3. מערבבים את supernatant עכורים עם עיסת הידרוליזה התיישבו (2.3). Dialyze את התערובת בתוך שקית דיאליזה (MWCO 14 KDA) שימוש במים DI עד המוליכות של נוזל מתקרב לזה של מים DI. מדוד את המוליכות באמצעות מד מוליכות.
4. צנטריפוגה מדגם dialyzed ב 3500 XG במשך 10 דקות כדי להשיג פיזור CNC בשלב המימי. שמור את השלב המשקע, כלומר, FCSR, לייצור CNF.
5. לקבוע תשואה CNC מן כמות מדודה של CNC בפיזור בשיטה COD תיאר ^{3 בעבר, 18.}

4. הפקת CNF

1. קבע את התשואה של FCSR זירז ידי מדידות gravimetric לאחר הפרדת פיזור CNC. ייבש את FCSR ב 105 מעלות צלזיוס ולמדוד את המשקל היבש בתנור של יחסי FCSR למשקל היבש הראשוני בתנור של BEP או סיבי UMHP בשימוש.
2. מבחינה מכנית לרעוד FCSR ב ההשעיה סיבים של 0.5% על ידי ברציפות להעביר את ההשעיה 3 פעמים באמצעות קאמרית פתח 200 מיקרומטר ואחריו 2 פעמים דרך תא פתח 87 מיקרומטר, בבת 100 מגפ"ס.

הדמיה 5. מיקרוסקופית כוח אטומי (AFM)

1. Sonicate כ 0.01% WT CNC או CNF suspensions למשך 2 דקות. להפקיד ירידה של ההשעיה התפזרה על מצע מיקה. האוויר יבש ההשעיה שהופקדה בטמפרטורת הסביבה.
2. קח AFM תמונות של CNCs יבש-אוויר CNFs ב רוטט קשה במצב באמצעות הפרוטוקול של היצרן. לנתח את תמונות AFM של כ 100 CNCs פרט או CNFs באמצעות תוכנה מסחרית כדי לקבל הפצות בקוטר ואורך.

6. Fourier Transform מדידות מוסקות (FTIR)

1. השתמש ספקטרופוטומטר FTIR מסחרי עם בדיקה אוניברסלית נחלש מוחלטת-השתקפות (ATR) לנתח דגימות CNC תוצאתי וסך CNF יחד עם BEP המקורי וסיבים UMHP לזהות קבוצות אסתר.
2. רשום את ספקטרום הספיגה של דגימות טווח אורכי גל בין 450 - 4,000 ^-1 ס"מ עם רזולוציה של 4 ס"מ ^-1 ו -4 סריקות עבור כל דגימה.

7. קונדוקטומטריים טיטרציה

1. השתמש טיטרציה קונדוקטומטריים כדי קואהntify carboxyl קבוצת תוכן של דגימות נבע esterification ידי חומצת dicarboxylic.
2. הוסף ההשעיה CNC או CNF עם 50 מ"ג (OD) של CNCs או CNFs לתוך 120 מ"ל של 1 פתרון mM NaCl. לכיל את התערובת על ידי הוספת כ 0.2 מ"ל של 2 פתרון מ"מ NaOH ב 30 מרווחי ים.
3. מדוד את המוליכות באמצעות מד מוליכות. מצא נקודת הפיתול (הנקודה הנמוכה ביותר) על עקומת מוליכות במהלך הוספת NaOH.
4. לחשב את הסכום של קבוצות carboxyl (mmol / L) מבוסס על יחסי NaOH מאוכל נקודת פיתול באמצעות המשוואה הבאה שבה c הוא ריכוז של פתרון NaOH (mol / L), נ 'הוא נפח של תמיסת NaOH הוסיף (מ"ל , מ ') היא המסה של CNCs או CNFs במשקל OD (ז).
   

8. קביעת יציבות תרמית CNC ו CNF

1. לנהל מדידות שפלת תרמית של tהוא CNC ו CNF דגימות ידי אנליזה תרמוגרווימטרית (TGA).
2. טהר את התנור באמצעות זרימת חנקן טוהרת גבוהה ב 20 mL / min כדי למנוע ריקבון חמצונים רצוי. ייבש את הדגימות ב 50 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות לפני הבדיקה. השתמש גודל מדגם של 5 מ"ג משקל יבש.
3. רשום את המשקל של מדגם כמו טמפרטורת התנור הוא גדל מן הסביבה כדי 600 מעלות צלזיוס בשיעור חימום של 10 ° C / min.
4. לנרמל את ההרזיה שהיא נמדדת על ידי המשקל ההתחלתי.
5. לבצע בדיקות יציבות תרמית נפרדות של דגימות CNC ו CNF בתנור על 105 מעלות צלזיוס. רשום את שינוי הצבע של הדגימות לאחר 4 ו -24 שעות על ידי צילום קונבנציונלי.

השתברות קרני ה- X 9.

1. לחץ להקפיא מיובשים דגימות CNC או CNF ב 180 מגפ"ס לעשות כדורי כפי שתואר לעיל. ⁵ זווית רחבת התנהגות מדידות עקיפות רנטגן של הגלולה באמצעות קרינת Cu-Kα על diffractometer רנטגן בטווח 2θ 10 - 38° בצעדים של 0.02 °.
2. חישוב המדד crystallinity (CRI) של גלולה בשיטת סגל ¹⁹ (ללא חיסור קו הבסיס).

תוצאות

AFM תמונות אופייניות של CNC ו CNF מ BEP ו UMHP יחד עם תמונות SEM המקביל של סיבי הידרוליזה חומצה להאכיל מוצגים איורים 1 ו -2. התמונות מראות בבירור את לצמצום משמעותי אורך הסיבים על ידי הידרוליזה חומצית עם שינוי מזערי בקטרים סיבים (השוואת איור 1 א עם 1b,...

Discussion

בקטרי CNC העבים של דגימות CNC מ הידרוליזה חומצית maleic הביאו יחס ממדים ממוצע מתון 7.24 ואת 8.53, עבור CNCs מ BEP ו UMHP, בהתאמה, למרות אורך הזמן הרב שלהם כפי שפורטו לעיל. CNFs היה אורך זמן רב יותר בקוטר דק יותר, אשר הביא יחס ממדים גדול של 13.9 ו -19.0, עבור CNCs מ BEP ו UMHP, בהתאמה, הוא יותר מ CNCs שלהם. ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bleached eucalypus pulp	Aracruz Cellulose
Unbleached mixed hardwood kraft pulp	International Paper
Maleic acid	Sigma-Aldrich	M0375-1KG/CAS110-16-7	Powder; assay: 99.0% (HPLC)
Glycerol	Sigma-Aldrich	G5516-4L/CAS56-81-5
Sodium hydroxide	Fisher Scientific	S318-500/CAS1310-73-2, 497-19-8	Certified ACS
Sodium chloride	Mallinckrodt	7581-12/CAS7647-14-5	Crystal,AR
Cupriethylenediamine solution	GFS Chemicals	E32103-1L/CAS14552-35-3	1 M, for determination of solution viscosity of pulps
Acetone	Fisher Scientific	A18-500/CAS67-64-1	Certified ACS
Accu-TestTM Vials for COD Testing	Bioscience,Inc.	01-215-28	COD testing for 20 to 900 mg/L standard range concentration
Heating plate	IKA		Mode: C-MAD HS7 digital
Magnetic stir bar	ACE Glass
Pyrex three-neck round-bottom flask	Sigma-Aldrich	CLS4965B500-1EA
Dialysis tubing cellulose membrane	Sigma-Aldrich	D9402-100FT	Typical molecular weight cut-off = 14,000 kDa
Disposable aluminum dishes	Sigma-Aldrich	Z154857-1PAK	Circles, 60 mm
Disintegrator	Testing Machines Inc.(TMI)
Microfluidizer	Microfluidics Corporation
Sonicator	Qsonica LLC.		Mode: 3510R-MT, 50-60 Hz, 180 W
Zeta potential analyzer	Brookhaven Instruments Corporation
FTIR	PerkinElmer
Conductometric titrator	Yellow Springs Instrument (YSI)
TGA analyzer	PerkinElmer
X-ray diffractometer	Bruker Corporation
AFM imging	AFM Workshop
SEM imaging	Carl Zeiss