O pré-tratamento de expansão da fibra de amônia, também conhecido como AFEX, é um método de processamento químico que pode ser usado para gerar combustíveis renováveis, produtos químicos ou ração animal a partir de paredes de células vegetais, também conhecida como biomassa lignocelulósica. Embora a AFEX tenha sido usada em uma variedade de materiais lignocelulósicos, é mais eficaz em gramíneas e resíduos agrícolas à base de grama. Durante a AFEX, hidróxido de amônio altamente concentrado reage com uma biomassa para quebrar as ligações de ester na parede celular da planta e introduzir nano aos poros de microescala.
Isso facilita a desconstrução enzimática dos polissacarídeos da parede celular. O resultado final é um material vegetal que é mais facilmente convertido bioquimicamente em combustíveis e produtos químicos ou que pode ser usado como uma ração animal altamente digestível. A AFEX tem uma série de vantagens fundamentais em comparação com outros processos de pré-tratamento.
Em primeiro lugar, a AFEX tem baixo uso de água e é bastante única na forma de gerar um material principalmente seco que pode ser densificado e facilmente enviado. O processo AFEX também produz quantidades mínimas de inibidores microbianos, como os furanos, o que o torna altamente compatível com processos de fermentação microbiana. Também é possível recuperar a maior parte da amônia química pré-tratamento que melhora a economia do processo.
Pré-tratamento afex de escala piloto e recuperação de amônia foi demonstrado a uma tonelada por dia de capacidade na planta piloto de MBI localizada em Lansing, Michigan. O protocolo a seguir descreverá as etapas envolvidas na operação em escala laboratorial do processo AFEX. Demonstrando essa técnica estará Jacob Aguado, um dos alunos de graduação que trabalham em nosso grupo de pesquisa.
Para começar, primeiro determine o teor de umidade da biomassa não tratada usando um analisador de umidade. Pesar 25 gramas de biomassa e usar uma garrafa de spray, ajuste o teor de umidade da biomassa vegetal usando água destilada para atingir seu teor de umidade alvo. Para o milho, este é tipicamente 0,6 gramas de água por grama de biomassa seca.
Misture a amostra à mão. Monte o corpo do reator colocando uma tampa e uma junta de Teflon na parte inferior do tubo do reator. Transfira a biomassa úmida para a base do reator montado e coloque um plugue de lã de vidro no topo da biomassa.
Coloque uma junta de Teflon no topo do reator. Certifique-se de que a região está livre de biomassa e lã de vidro que poderia evitar uma vedação eficaz e colocar a cabeça do reator em cima manobrando termopar através da lã de vidro e biomassa. Aparafusar o grampo na parte superior do reator usando uma catraca uniformemente em ambos os lados.
Pese o reator e grave o peso. Confirme se todos os equipamentos estão conectados e operáveis, defina o temporizador para o tempo de residência desejado para cada reator e a amostra seja executada. Ligue a bomba de seringa programável e configure o método de entrega de amônia e economize por conveniência.
Verifique se todas as válvulas dentro e fora do pequeno cilindro de amônia estão fechadas. Se o cilindro tiver sido usado anteriormente e contiver amônia residual ou nitrogênio, abra lentamente a válvula A na parte superior do pequeno cilindro de amônia para sangrar qualquer nitrogênio e fechar a válvula assim que a amônia líquida começar a sputter para fora. Para encher o pequeno cilindro de amônia, abra o grande cilindro de amônia anidro e todas as válvulas da linha amônia.
Abra lentamente a válvula B perto da parte superior do pequeno cilindro de amônia até que a pressão estabilize. Aguarde cinco minutos antes de continuar para o próximo passo. Feche todas as válvulas entre o tanque de amônia e o pequeno cilindro de amônia que funciona da esquerda para a direita a partir da pequena válvula do cilindro B e acabamento na válvula principal em cima do tanque de amônia.
Coloque o regulador de nitrogênio em 350 psi. Abra a válvula no cilindro de nitrogênio e a válvula no regulador conectado. Abra a válvula C no pequeno cilindro de amônia para adicionar lentamente nitrogênio sobre a pressão do sistema.
Ajuste a pressão do pequeno cilindro para 350 psi conforme necessário, ajustando o ponto de ajuste no regulador. Mantenha as linhas de nitrogênio abertas enquanto dispensa amônia. Para temperaturas de reação superiores a 100 graus Celsius, você precisa pré-aqueça a biomassa e o reator antes de adicionar a amônia.
Conecte o monitor de temperatura ao termopar e a fita de aquecimento ao controlador de temperatura. Ajuste manualmente o controlador de temperatura para levar o reator até 60 graus Celsius. Calcule o volume de amônia necessário com base no carregamento de amônia desejado e uma calibração de amônia previamente determinada.
Configure o método na bomba de seringa para carregar a quantidade correta de amônia, em seguida, para amônia residual das linhas entre o pequeno cilindro de amônia e a bomba de seringa, abrindo e fechando as válvulas na parte inferior do cilindro de amônia em direção ao escapamento e as válvulas na linha da bomba de seringa. Desconecte o reator do monitor de temperatura e do controlador de temperatura. Conecte o reator à conexão rápida.
Abra a válvula D em direção ao pequeno cilindro de amônia e válvula E em direção ao pequeno cilindro de amônia. Pressione a seta verde na bomba para iniciar a sequência e desenhe amônia na seringa. Quando a seringa parar automaticamente durante o período de espera, gire a válvula de seringa em direção ao reator e à válvula de entrada do reator para que ela esteja apontando para a haste de conexão rápida.
Após o atraso, a seringa começará a infundir, parando automaticamente no ponto de ajuste. Feche a válvula do reator e a válvula D.Abra a válvula F para liberar amônia residual da seringa, em seguida, feche a válvula F e feche a válvula E.Open válvula D em direção ao escapamento, em seguida, feche-a uma vez que a amônia residual tenha saído. Enquanto usa luvas criogênicas, remova o reator da conexão rápida.
Tenha cuidado com o spray de amônia em potencial. Inicie o temporizador para o reator apropriado. Pesar a unidade do reator para verificar se o peso apropriado da amônia foi adicionado com base em cálculos de planilha.
Conecte o monitor de temperatura ao termopar e a fita de aquecimento ao controlador de temperatura. Regisso da temperatura inicial e da pressão do reator após a adição de amônia. Ajuste manualmente o controlador de temperatura para levar o reator até a temperatura definida.
O objetivo é chegar ao set point em menos de cinco minutos. Regissão a pressão e a temperatura do reator a cada três minutos até o fim do tempo de residência. No final do tempo de residência, desconecte o reator do controlador de temperatura e do termopar, remova o reator do suporte e abra lentamente a válvula de liberação da bola dentro do capô da fumaça.
Use sempre um escudo facial durante esta etapa. Depois de permitir que o reator esfrie por alguns minutos, use uma chave de catraca para abrir os grampos no reator. Descarregue a biomassa e a lã de vidro do reator enquanto estiver dentro de um capô de fumaça.
A fim de evitar a contaminação aérea da biomassa à medida que a amônia residual evapora, é melhor secar a biomassa dentro de uma caixa de secagem fechada dentro de um espaço ventilado. Se ainda estiver aberto, feche todas as válvulas e conecte-se ao cilindro de amônia e a todas as válvulas da linha de nitrogênio. Após o pré-tratamento da AFEX, a biomassa será mais escura em cores, mas visualmente inalterada.
A AFEX gera um material altamente digestível em uma variedade de escalas além do descrito neste protocolo. Nós pré-tratamos a mesma amostra de milho stover usando nosso sistema de escala de bancada de cama embalado de 200 mililitros, um reator de energia agitado de cinco galões e o reator piloto do MBI que é capaz de processar uma tonelada de biomassa por dia. As condições utilizadas para os dois reatores menores foram um grama de amônia por grama de biomassa seca, 0,6 gramas de água por grama de biomassa seca por 30 minutos a 100 graus Celsius.
Escala piloto A AFEX foi realizada no mesmo material nas mesmas condições, com exceção de que o carregamento de amônia foi de 0,6 gramas de amônia por grama de biomassa seca. As amostras foram enzimáticamente hidrolisada por 72 horas a 6% de carga glucana, pH de cinco, 50 graus Celsius e 250 rpm em uma incubadora de agitação. Foi carregado um coquetel comercial de enzimas que consistia de 60% de celulase e 40% de hemi-celulase a 15 miligramas de proteína enzimática por grama de glucano.
Nossos resultados demonstram que o pré-tratamento AFEX aumenta significativamente o rendimento de açúcares fermentáveis em comparação com a biomassa não tratada. Além disso, os rendimentos da hidrólise de 72 horas para biomassa pré-tratada utilizando os três processos são comparáveis entre si. Após o processo AFEX, os materiais pré-tratados podem ser armazenados indefinidamente, desde que permaneçam secos e utilizados para vários experimentos de conversão, como hidrólise esnzimática e fermentação de sólidos, bioprocessamento consolidado ou teste de alimentação animal.
Uma consideração fundamental durante a implementação da AFEX centra-se no uso seguro de amônia anidro. Os experimentos da AFEX devem ser sempre realizados dentro de um espaço ventilado e os pesquisadores devem tomar as precauções de segurança adequadas para evitar a exposição à amônia e estar familiarizados com como responder em caso de emergência. Em conclusão, o pré-tratamento de expansão da fibra de amônia é um método altamente promissor para reduzir os recalcitrantes de biomassa e produzir de forma mais eficiente combustíveis, produtos químicos e ração animal a partir de matérias-primas renováveis à base de plantas.
