アンモニア繊維膨張前処理は、AFEXとも呼ばれ、リグノセルロース系バイオマスとも呼ばれる植物細胞壁から再生可能な燃料、化学物質、または動物飼料を生成するために使用できる化学処理方法です。AFEXは様々なリグノセルロース系材料に使用されていますが、草や草ベースの農業残留物に最も効果的です。AFEXの間、高濃度の水酸化アンモニウムはバイオマスと反応して植物細胞壁のエステル結合を断ち切り、ナノをマイクロスケールの細孔に導入します。
これは、細胞壁多糖の酵素分解を容易にする。最終的な結果は、より簡単に生化学的に燃料や化学物質に変換されるか、または消化性の高い動物飼料として使用することができる植物材料です。AFEXは、他の前処理プロセスと比較して多くの重要な利点を有する。
まず、AFEXは水の使用量が少なく、高密度化して簡単に出荷できる乾燥した材料をほとんど生成するという面でかなりユニークです。AFEXプロセスはまた、微生物発酵プロセスとの間に非常に互換性を持たせるフランなどの微生物阻害剤の最小限の量を生成します。また、プロセス経済を改善する前処理化学アンモニアの大部分を回収することも可能である。
パイロットスケールAFEXの前処理とアンモニアの回収は、ミシガン州ランシングにあるMBIパイロットプラントで1日1トンの容量で実証されています。次のプロトコルは、AFEXプロセスの実験室規模の動作に関するステップを説明する。このテクニックを実証することは、私たちの研究グループで働く学部生の一人であるジェイコブ・アグアドです。
まず、まず、水分分析装置を使用して未処理バイオマスの水分含有量を決定します。バイオマスの25グラムを計量し、スプレーボトルを使用して、あなたの目標の水分含有量に到達するために蒸留水を使用して植物バイオマスの水分含有量を調整します。トウモロコシのストーバーの場合、これは通常、乾燥バイオマスのグラム当たり0.6グラムの水です。
サンプルを手で混ぜます。原子炉の本体を、原子炉チューブの底にキャップとテフロンガスケットを置いて組み立てます。湿ったバイオマスを組み立てた原子炉ベースに移し、バイオマスの上部にグラスウールのプラグを置きます。
原子炉の上部にテフロンガスケットを置きます。効果的なシールを防ぎ、ガラスウールとバイオマスを通して熱電対を操縦する上に原子炉ヘッドを置くことができるバイオマスとガラスウールの領域がないことを確認してください。両側にラチェットを均等に使用して、クランプを原子炉の上部にボルトで固定します。
反応器の重量を量り、重量を記録します。すべての機器が差し込まれ、動作可能であることを確認し、各リアクタとサンプルを実行するために必要な滞留時間にタイマーを設定します。プログラム可能なシリンジポンプをオンにし、アンモニアの配達方法を設定し、便宜上保存します。
小さなアンモニアシリンダーに出入りするすべてのバルブが閉じられていることを確認します。シリンダが以前に使用され、残留アンモニアまたは窒素が含まれている場合は、小さなアンモニアシリンダーの上部にあるバルブAをゆっくりと開いて窒素を出血させ、液体アンモニアがスパッタリングを開始したらバルブを閉じます。小さなアンモニアシリンダーを充填するには、アンモニアライン内の大きな無水アンモニアシリンダーとすべてのバルブを開きます。
圧力が安定するまで、小さなアンモニアシリンダーの上部付近でバルブBをゆっくりと開きます。5 分間待ってから次の手順に進みます。アンモニアタンクと小さなアンモニアシリンダーの間のすべてのバルブを、小さなシリンダーバルブBから右から左から右に動作し、アンモニアタンクの上のメインバルブで仕上げします。
窒素レギュレータを350 psiに設定します。窒素ボンベのバルブと、付属のレギュレータのバルブを開きます。小さなアンモニアシリンダーのバルブCを開き、システムを加圧する上で窒素をゆっくりと加えます。
レギュレータの設定点を調整して、必要に応じて小さなシリンダーの圧力を350 psiに調整します。アンモニアを分配しながら窒素ラインを開いたままにします。100°Cを超える反応温度の場合、アンモニアを追加する前にバイオマスと原子炉を予熱する必要があります。
温度モニターを熱電対に、加熱テープを温度コントローラに差し込みます。温度コントローラを手動で調整して、リアクターを摂氏60度まで上げます。必要なアンモニアの負荷と事前に決定されたアンモニアキャリブレーションに基づいて、必要なアンモニアの体積を計算します。
正しい量のアンモニアをロードするためにシリンジポンプに方法を設定し、次にアンモニアシリンダーの底のバルブを排気とシリンジポンプラインのバルブに向かって開閉して、小さなアンモニアシリンダーとシリンジポンプの間のラインからアンモニアを残します。温度モニターと温度コントローラからリアクターを取り外します。リアクタをクイック接続に取り付けます。
小アンモニアシリンダーに向かってバルブDを開き、小アンモニアシリンダーに向かってバルブEを開きます。ポンプの緑色の矢印を押してシーケンスを開始し、アンモニアをシリンジに引き込みます。シリンジが待機期間に自動的に停止したら、シリンジバルブを原子炉と原子炉入口バルブに向けて、クイック接続ステムに向かいます。
遅延の後、シリンジは注入を開始し、設定点で自動的に停止します。リアクターバルブとバルブD.OpenバルブFを閉じて、シリンジから残留アンモニアを放出し、バルブFを閉じ、バルブE.OpenバルブDを排気に向けて閉じ、残留アンモニアが残ったら閉じます。極低温手袋を着用している間、迅速な接続から反応器を取り外します。
潜在的なアンモニアスプレーに注意してください。適切なリアクタのタイマーを開始します。リアクタユニットの重量を量り、スプレッドシートの計算に基づいてアンモニアの適切な重量が追加されたことを確認します。
温度モニターを熱電対に、加熱テープを温度コントローラに差し込みます。アンモニア添加後の反応器の初期温度と圧力を記録する。温度コントローラを手動で調整して、設定温度までリアクターを表示します。
目標は、5分以内にセットポイントに到達することです。滞留時間の終わりまで3分毎に反応器の圧力と温度を記録する。滞留時間の終わりに、温度コントローラと熱電対から原子炉を取り外し、スタンドから原子炉を取り外し、煙フードの内側のボール放出弁をゆっくりと開きます。
このステップでは必ずフェイスシールドを着用してください。反応器を数分間冷却した後、ラチェットレンチを使用して原子炉のクランプを開きます。ヒュームフードの中で、バイオマスとガラスウールを原子炉から降ろします。
残留アンモニアが蒸発する際のバイオマスの空気中汚染を防ぐためには、換気された空間の中で密閉された乾燥箱の中でバイオマスを乾燥させるのが最善です。まだ開いている場合は、アンモニアシリンダーと窒素ライン上のすべてのバルブをオンにして接続しているすべてのバルブを閉じます。AFEXの前処理の後、バイオマスは色が暗くなりますが、それ以外の場合は視覚的に変化しません。
AFEXは、このプロトコルで概説されている他に、様々なスケールで消化性の高い材料を生成します。200ミリリットルのパックベッドベンチスケールシステム、5ガロン攪拌力反応器、MBIのパイロット原子炉を使用して同じトウモロコシストーバーサンプルを前処理し、1日あたり1トンのバイオマスを処理することができました。2つの小さな原子炉に使用された条件は、乾燥バイオマス1グラム当たり1グラムのアンモニア、乾燥バイオマス1グラム当たり0.6グラムの水で摂氏100度で30分間使用された。
パイロットスケールAFEXは、アンモニア負荷が乾燥バイオマスのグラム当たり0.6グラムのアンモニアであったことを除いて、同じ条件で同じ材料で行った。サンプルを、6%グルカンローディングで72時間、5回のpH、摂氏50度、250rpmの振盪インキュベーターで酵素的に加水分解した。グルカン1グラム当たり15ミリグラムの酵素タンパク質で60%セルラーゼと40%ヘミセルラーゼで構成された酵素の市販カクテルがロードされました。
我々の結果は、AFEX前処理が未処理バイオマスと比較して発酵可能糖の収量を有意に増加することを示している。さらに、3つのプロセスを用いて前処理したバイオマスに対する72時間の加水分解収量は互いに同等である。AFEXプロセスに従って、前処理された材料は乾燥したままであれば無期限に保存することができ、高固体酵素加水分解や発酵、統合バイオプロセシングまたは動物飼料試験などの様々な変換実験に使用されます。
AFEXの実施における重要な考慮事項は、無水アンモニアの安全な使用に焦点を当てています。AFEXの実験は常に換気された空間内で行われるべきであり、研究者はアンモニア暴露を防ぐために適切な安全対策を講じ、緊急時の対応方法に精通する必要があります。結論として、アンモニア繊維拡張前処理は、バイオマスの再計算を減らし、再生可能な植物ベースの原料から燃料、化学物質、および動物飼料をより効率的に生産する、非常に有望な方法です。
