AFEX라고도 하는 암모니아 섬유 팽창 전처리는 리그노셀룰로오스 바이오매스라고도 하는 식물 세포벽으로부터 재생 연료, 화학 물질 또는 동물 사료를 생성하는 데 사용할 수 있는 화학 처리 방법입니다. AFEX는 다양한 리그노셀룰로오스 재료에 사용되었지만 잔디와 잔디 기반 농업 잔류물에서 가장 효과적입니다. AFEX 동안 고농축 암모늄 수산화는 바이오매스와 반응하여 식물 세포벽의 에스테르 연계를 끊고 마이크로스케일 모공에 나노를 도입합니다.
이것은 세포벽 다당류의 효소 해체를 용이하게 합니다. 최종 결과는 보다 쉽게 생화학적으로 연료와 화학 물질로 변환되거나 소화가 매우 높은 동물 사료로 사용될 수 있는 식물 물질이다. AFEX는 다른 전처리 공정에 비해 여러 가지 주요 이점을 가지고 있습니다.
첫째, AFEX는 물 사용량이 적고 밀도가 크고 쉽게 출하할 수 있는 건조한 물질을 생성한다는 점에서 매우 독특합니다. AFEX 공정은 또한 미생물 발효 공정과 매우 호환되는 furans와 같은 최소한의 미생물 억제제를 생성합니다. 또한 공정 경제학을 향상시키는 전처리 화학 암모니아의 대부분을 회수할 수도 있습니다.
파일럿 규모 AFEX 전처리 및 암모니아 복구는 미시간 주 랜싱에 위치한 MBI 파일럿 플랜트에서 하루 1톤용량으로 입증되었습니다. 다음 프로토콜은 AFEX 프로세스의 실험실 규모 작동과 관련된 단계를 설명합니다. 이 기술을 시연하는 것은 연구 그룹에서 일하는 학부 생 중 한 명인 제이콥 아구아도(Jacob Aguado)가 될 것입니다.
먼저 수분 분석기를 사용하여 처리되지 않은 바이오매스의 수분 함량을 결정한다. 25그램의 바이오매스를 계량하고 스프레이 병을 사용하여 증류수를 사용하여 식물 바이오매스의 수분 함량을 조정하여 대상 수분 함량에 도달합니다. 옥수수 스토버의 경우, 이것은 일반적으로 건조 바이오 매스 그램 당 물 0.6 그램입니다.
샘플을 손으로 섞는다. 반응기 튜브 의 바닥에 캡과 테플론 개스킷을 배치하여 반응기 본체를 조립합니다. 젖은 바이오매스를 조립된 원자로 기지로 옮기고 바이오매스 상단에 유리 울 플러그를 놓습니다.
반응기 위에 테플론 개스킷을 놓습니다. 이 지역이 효과적인 밀봉을 방지하고 유리 양모와 바이오매스를 통해 상부 기동 열전대에 원자로 헤드를 배치 할 수있는 바이오 매스와 유리 울이 없는지 확인하십시오. 양쪽에 래칫을 사용하여 클램프를 반응기 의 상단에 볼트로 고정합니다.
반응기의 무게를 측정하고 무게를 기록합니다. 모든 장비가 연결되어 작동 가능한지 확인하고 타이머를 각 반응기및 실행시에 대해 원하는 거주 시간으로 설정합니다. 프로그래밍 가능한 주사기 펌프를 켜고 암모니아 전달 방법을 설정하고 편의를 위해 저장하십시오.
작은 암모니아 실린더 안팎의 모든 밸브가 닫혀 있는지 확인합니다. 실린더가 이전에 사용되어 잔류 암모니아 또는 질소가 포함되어 있는 경우, 작은 암모니아 실린더 상단에 천천히 밸브 A를 열어 질소를 출혈시키고 액체 암모니아가 밖으로 스퍼터하기 시작하면 밸브를 닫습니다. 작은 암모니아 실린더를 채우기 위해 암모니아 라인의 큰 무수 암모니아 실린더와 모든 밸브를 엽니다.
압력이 안정될 때까지 작은 암모니아 실린더의 상단 근처에 밸브 B를 천천히 엽니다. 다음 단계로 계속하기 전에 5 분 동안 기다립니다. 암모니아 탱크와 작은 암모니아 실린더 사이의 모든 밸브를 작은 실린더 밸브 B에서 왼쪽에서 오른쪽으로 작업하고 암모니아 탱크 상단의 메인 밸브에서 마무리합니다.
질소 레귤레이터를 350 psi로 설정합니다. 연결된 레귤레이터의 질소 실린더와 밸브의 밸브를 엽니다. 작은 암모니아 실린더에 밸브 C를 열어 천천히 시스템을 압박하는 질소를 추가합니다.
레귤레이터의 세트점을 조정하여 필요에 따라 작은 실린더의 압력을 350 psi로 조정합니다. 암모니아를 분배하는 동안 질소 라인을 열어 두십시오. 섭씨 100도 를 초과하는 반응 온도의 경우 암모니아를 추가하기 전에 바이오 매스와 원자로를 예열해야합니다.
온도 모니터를 온도 조절기와 가열 테이프에 연결합니다. 온도 컨트롤러를 수동으로 조정하여 원자로를 섭씨 60도까지 끌어올수 있습니다. 원하는 암모니아 적재 및 이전에 결정된 암모니아 교정에 따라 필요한 암모니아의 부피를 계산합니다.
주사기 펌프에 정확한 양의 암모니아를 적재한 다음, 암모니아 실린더 의 바닥에 있는 밸브를 개폐하여 작은 암모니아 실린더와 주사기 펌프 사이의 라인에서 잔류 암모니아를 유지하여 주사기 펌프 라인의 배기 및 밸브를 향해 설정합니다. 온도 모니터 및 온도 컨트롤러에서 반응기를 분리합니다. 반응기를 빠른 연결에 부착합니다.
작은 암모니아 실린더쪽으로 밸브 D를 열고 작은 암모니아 실린더쪽으로 밸브 E. 펌프의 녹색 화살표를 눌러 시퀀스를 시작하고 암모니아를 주사기에 그립니다. 주사기가 대기 기간 동안 자동으로 정지하면 주사기 밸브를 반응기와 반응기 입구 밸브쪽으로 돌리어 빠른 연결 줄기를 가리킵니다.
지연 후 주사기가 주입되기 시작하여 세트 점에서 자동으로 중지됩니다. 반응기 밸브 및 밸브 D.Open 밸브 F를 닫아 주사기에서 잔류 암모니아를 방출한 다음 밸브 F를 닫고 밸브 E.Open 밸브 D를 배기가스쪽으로 닫은 다음 잔류 암모니아가 남아 있으면 닫습니다. 극저온 장갑을 착용하는 동안, 빠른 연결에서 반응기를 제거합니다.
잠재적인 암모니아 스프레이에 주의하십시오. 적절한 반응기의 타이머를 시작합니다. 반응기 단위의 무게를 측정하여 스프레드시트 계산에 따라 암모니아의 적절한 중량이 추가되었는지 확인합니다.
온도 모니터를 온도 조절기와 가열 테이프에 연결합니다. 암모니아 첨가 후 반응기의 초기 온도와 압력을 기록한다. 온도 컨트롤러를 수동으로 조정하여 반응기를 설정 온도까지 끌어올 수 있습니다.
목표는 5분 이내에 세트 포인트에 도달하는 것입니다. 체류 시간이 끝날 때까지 3분마다 반응기의 압력과 온도를 기록합니다. 체류 시간이 끝나면 온도 컨트롤러 및 열전대에서 반응기를 분리하고 스탠드에서 반응기를 제거하고 연기 후드 내부의 볼 방출 밸브를 천천히 엽니다.
이 단계에서는 항상 얼굴 방패를 착용하십시오. 원자로가 몇 분 동안 냉각될 수 있도록 허용한 후 래칫 렌치를 사용하여 반응기의 클램프를 엽니다. 연기 후드 내부에있는 동안 반응기에서 바이오 매스와 유리 양모를 언로드합니다.
잔류 암모니아가 증발함에 따라 바이오매스의 공기 오염을 방지하기 위해 환기 공간 내부의 밀폐된 건조 상자 내부의 바이오매스를 건조시키는 것이 가장 좋습니다. 여전히 열려 있으면 모든 밸브를 닫고 암모니아 실린더와 질소 라인의 모든 밸브에 연결합니다. AFEX 전처리 에 따라, 바이오매스는 색상이 어두워지지만 시각적으로 변경되지 않습니다.
AFEX는 이 프로토콜에 설명된 것 외에 다양한 비늘에서 고도로 소화되는 물질을 생성합니다. 우리는 200 밀리리터 포장 침대 벤치 스케일 시스템, 5 갤런 교반 전력 반응기 및 하루에 1 톤의 바이오 매스를 처리 할 수있는 MBI의 파일럿 원자로를 사용하여 동일한 옥수수 스토버 샘플을 전처리했습니다. 두 개의 작은 반응기에 사용되는 조건은 건조한 바이오매스 그램당 암모니아 1그램, 100°C에서 30분 동안 건조한 바이오매스 그램당 0.6그램의 암모니아였습니다.
파일럿 스케일 AFEX는 암모니아 적재가 건조 바이오매스의 그램당 0.6 그램의 암모니아라는 점을 제외하고는 동일한 조건에서 동일한 재료로 수행되었다. 샘플은 6%의 글루칸 적재, 5° 섭씨 50도, 흔들리는 인큐베이터에서 250rpm으로 72시간 동안 효소적으로 가수분해되었습니다. 글루칸 당 15밀리그램의 효소 단백질로 60%의 셀룰라아제와 40%의 헤미셀룰라아아제로 구성된 효소의 상업적 칵테일이 적재되었습니다.
우리의 결과는 AFEX 전처리가 처리되지 않은 바이오매스와 비교하여 발효 설탕의 수율을 현저하게 증가시킨다는 것을 보여줍니다. 더욱이, 3개의 공정을 사용하여 전처리된 바이오매스를 위한 72시간 가수분해 수율은 서로 비교된다. AFEX 공정에 따라, 전처리된 물질은 건조하게 유지되고 고고체 효소 가수분해 및 발효, 통합 바이오 프로세싱 또는 동물 사료 테스트와 같은 다양한 변환 실험에 사용되는 한 무기한으로 보관될 수 있다.
ANEX 센터의 구현 중 주요 고려 사항은 무수 암모니아의 안전한 사용에 중점을 둡합니다. AFEX 실험은 항상 환기 공간 내에서 수행되어야하며 연구원은 암모니아 노출을 방지하고 비상 사태발생 시 대응하는 방법에 익숙해지기 위해 적절한 안전 예방 조치를 취해야합니다. 결론적으로, 암모니아 섬유 확장 전처리는 바이오매스 반발을 줄이고 재생 가능한 식물 기반 원료로부터 연료, 화학 물질 및 동물 사료를 보다 효율적으로 생산하는 매우 유망한 방법입니다.
