Il pretrattamento di espansione della fibra di ammoniaca, noto anche come AFEX, è un metodo di lavorazione chimica che può essere utilizzato per generare combustibili rinnovabili, sostanze chimiche o mangimi per animali dalle pareti delle cellule vegetali, noti anche come biomassa lignocellulosica. Mentre AFEX è stato utilizzato su una varietà di materiali lignocellulosici, è più efficace su erbe e residui agricoli a base di erba. Durante l'AFEX, l'idrossido di ammonio altamente concentrato reagisce con una biomassa per rompere i collegamenti estere nella parete cellulare della pianta e introdurre i pori nano su microscala.
Ciò facilita la decostruzione enzimatica dei polisaccaridi della parete cellulare. Il risultato finale è un materiale vegetale che viene più facilmente convertito biochimicamente in combustibili e sostanze chimiche o che può essere utilizzato come mangime animale altamente digeribile. AFEX ha una serie di vantaggi chiave rispetto ad altri processi di pretrattamento.
In primo luogo, AFEX ha un basso consumo di acqua ed è abbastanza unico in quanto genera un materiale per lo più secco che può essere densificato e facilmente spedito. Il processo AFEX produce anche quantità minime di inibitori microbici come i furani che lo rendono altamente compatibile con i processi di fermentazione microbica. È anche possibile recuperare la maggior parte dell'ammoniaca chimica pretrattamento che migliora l'economia di processo.
Il pretrattamento AFEX su scala pilota e il recupero dell'ammoniaca sono stati dimostrati con una capacità di una ton al giorno nell'impianto pilota MBI situato a Lansing, nel Michigan. Il seguente protocollo descriverà le fasi coinvolte nel funzionamento su scala di laboratorio del processo AFEX. A dimostrare questa tecnica sarà Jacob Aguado, uno degli studenti universitari che lavorano nel nostro gruppo di ricerca.
Per iniziare, prima determinare il contenuto di umidità della biomassa non trattata utilizzando un analizzatore di umidità. Pesare 25 grammi di biomassa e utilizzando una bomboletta spray, regolare il contenuto di umidità della biomassa vegetale utilizzando acqua distillata per raggiungere il contenuto di umidità target. Per il trifoglio di mais, questo è in genere 0,6 grammi di acqua per grammo di biomassa secca.
Mescolare il campione a mano. Assemblare il corpo del reattore posizionando un tappo e una guarnizione in teflon sul fondo del tubo del reattore. Trasferire la biomassa umida alla base del reattore assemblato e posizionare un tappo di lana di vetro nella parte superiore della biomassa.
Posizionare una guarnizione in teflon sulla parte superiore del reattore. Assicurarsi che la regione sia priva di biomassa e lana di vetro che potrebbe impedire una tenuta efficace e posizionare la testa del reattore sulla termocopia di manovra superiore attraverso la lana di vetro e la biomassa. Bullonare il morsetto verso la parte superiore del reattore usando un cricchetto uniformemente su entrambi i lati.
Pesare il reattore e registrare il peso. Verificare che tutte le apparecchiature siano collegate e utilizzabili, impostare il timer sul tempo di residenza desiderato per ogni reattore e sul campione da eseguire. Accendere la pompa della siringa programmabile e impostare il metodo di erogazione dell'ammoniaca e risparmiare per comodità.
Verificare che tutte le valvole in entrata e in uscita dal piccolo cilindro di ammoniaca siano chiuse. Se il cilindro è stato utilizzato in precedenza e contiene ammoniaca o azoto residui, aprire lentamente la valvola A sulla parte superiore del piccolo cilindro di ammoniaca per sanguinare qualsiasi azoto e chiudere la valvola una volta che l'ammoniaca liquida inizia a sputter out. Per riempire il piccolo cilindro di ammoniaca, aprire il grande cilindro di ammoniaca anidra e tutte le valvole nella linea di ammoniaca.
Aprire lentamente la valvola B vicino alla parte superiore del piccolo cilindro di ammoniaca fino a quando la pressione non si stabilizza. Attendere cinque minuti prima di continuare al passaggio successivo. Chiudere tutte le valvole tra il serbatoio dell'ammoniaca e il piccolo cilindro di ammoniaca che lavora da sinistra a destra partendo dalla piccola valvola del cilindro B e finendo alla valvola principale sopra il serbatoio dell'ammoniaca.
Impostare il regolatore di azoto su 350 psi. Aprire la valvola sul cilindro di azoto e la valvola sul regolatore collegato. Aprire la valvola C sul piccolo cilindro di ammoniaca per aggiungere lentamente azoto durante la pressatura del sistema.
Regolare la pressione del piccolo cilindro a 350 psi in base alle esigenze regolando il set point sul regolatore. Tenere aperte le linee di azoto durante l'erogazione di ammoniaca. Per temperature di reazione superiori a 100 gradi Celsius, è necessario preriscaldare la biomassa e il reattore prima di aggiungere l'ammoniaca.
Collegare il monitor di temperatura alla termocopia e il nastro riscaldante al regolatore di temperatura. Regolare manualmente il regolatore di temperatura per portare il reattore fino a 60 gradi Celsius. Calcolare il volume di ammoniaca richiesto in base al carico di ammoniaca desiderato e a una calibrazione dell'ammoniaca precedentemente determinata.
Impostare il metodo nella pompa della siringa per caricare la giusta quantità di ammoniaca, quindi per l'ammoniaca residua dalle linee tra il piccolo cilindro di ammoniaca e la pompa della siringa aprendo e chiudendo le valvole sul fondo del cilindro di ammoniaca verso lo scarico e le valvole sulla linea della pompa della siringa. Scollegare il reattore dal monitor della temperatura e dal regolatore di temperatura. Collegare il reattore al collegamento rapido.
Aprire la valvola D verso il piccolo cilindro di ammoniaca e la valvola E verso il piccolo cilindro di ammoniaca. Premere la freccia verde sulla pompa per avviare la sequenza e disegnare ammoniaca nella siringa. Quando la siringa si arresta automaticamente per il periodo di attesa, ruotare la valvola della siringa verso il reattore e la valvola di ingresso del reattore in modo che punti verso lo stelo di collegamento rapido.
Dopo il ritardo, la siringa inizierà a infondere, fermandosi automaticamente al set point. Chiudere la valvola del reattore e la valvola D.Open valve F per rilasciare l'ammoniaca residua dalla siringa, quindi chiudere la valvola F e chiudere la valvola E.Aprire la valvola D verso lo scarico, quindi chiuderla una volta che l'ammoniaca residua è rimasta. Mentre si indossano guanti criogenici, rimuovere il reattore dal collegamento rapido.
Fare attenzione al potenziale spray ammoniacale. Avviare il timer per il reattore appropriato. Pesare l'unità del reattore per verificare che sia stato aggiunto il peso appropriato dell'ammoniaca in base ai calcoli del foglio di calcolo.
Collegare il monitor di temperatura alla termocopia e il nastro riscaldante al regolatore di temperatura. Registrare la temperatura e la pressione iniziali del reattore dopo l'aggiunta di ammoniaca. Regolare manualmente il regolatore di temperatura per portare il reattore alla temperatura impostata.
L'obiettivo è raggiungere il set point in meno di cinque minuti. Registrare la pressione e la temperatura del reattore ogni tre minuti fino alla fine del tempo di residenza. Al termine del tempo di residenza, scollegare il reattore dal regolatore di temperatura e dalla termocopia, rimuovere il reattore dal supporto e aprire lentamente la valvola di rilascio della sfera all'interno della cappa dei fumi.
Indossare sempre uno scudo facciale durante questo passaggio. Dopo aver permesso al reattore di raffreddarsi per alcuni minuti, utilizzare una chiave inglese per aprire i morsetti nel reattore. Scaricare la biomassa e la lana di vetro dal reattore mentre si trova all'interno di una cappa aspirante.
Al fine di prevenire la contaminazione atmosferica della biomassa quando l'ammoniaca residua evapora, è meglio asciugare la biomassa all'interno di una scatola di essiccazione chiusa all'interno di uno spazio ventilato. Se ancora aperto, chiudere tutte le valvole e collegarsi al cilindro di ammoniaca e a tutte le valvole sulla linea dell'azoto. Dopo il pretrattamento AFEX, la biomassa sarà di colore più scuro, ma per il resto visivamente invariata.
AFEX genera un materiale altamente digeribile a una varietà di scale oltre a quello delineato in questo protocollo. Abbiamo pretrattato lo stesso campione di stover di mais utilizzando il nostro sistema di bilance da banco da letto imballato da 200 millilitri, un reattore di potenza agitato da cinque galloni e il reattore pilota di MBI in grado di elaborare una ton di biomassa al giorno. Le condizioni utilizzate per i due reattori più piccoli erano un grammo di ammoniaca per grammo di biomassa secca, 0,6 grammi di acqua per grammo di biomassa secca per 30 minuti a 100 gradi Celsius.
La scala pilota AFEX è stata effettuata sullo stesso materiale alle stesse condizioni, ad eccezione del fatto che il carico di ammoniaca era di 0,6 grammi di ammoniaca per grammo di biomassa secca. I campioni sono stati idrolizzati enzimaticamente per 72 ore al 6% di carico di glucano, pH di cinque, 50 gradi Celsius e 250 giri/min in un'incubatrice tremante. È stato caricato un cocktail commerciale di enzimi composto per il 60% da cellulasi e per il 40% da emi-cellulasi a 15 milligrammi di proteine enzimatica per grammo di glucano.
I nostri risultati dimostrano che il pretrattamento AFEX aumenta significativamente la resa degli zuccheri fermentabili rispetto alla biomassa non trattata. Inoltre, le rese di idrolisi di 72 ore per la biomassa pretrattata utilizzando i tre processi sono paragonabili tra loro. A seguito del processo AFEX, i materiali pretrattati possono essere conservati indefinitamente purché rimangano asciutti e utilizzati per vari esperimenti di conversione come l'idrolisi enzimatica e la fermentazione ad alto contenuto di solidi, il biotrattamento consolidato o la sperimentazione dell'alimentazione animale.
Una considerazione chiave durante l'implementazione di AFEX si concentra sull'uso sicuro dell'ammoniaca anidra. Gli esperimenti AFEX devono sempre essere condotti all'interno di uno spazio ventilato e i ricercatori dovrebbero prendere le precauzioni di sicurezza appropriate per prevenire l'esposizione all'ammoniaca e avere familiarità con come rispondere in caso di emergenza. In conclusione, il pretrattamento di espansione delle fibre di ammoniaca è un metodo altamente promettente per ridurre i recalcitranti della biomassa e produrre in modo più efficiente combustibili, sostanze chimiche e mangimi da materie prime rinnovabili a base vegetale.
