Name: ammonia fiber expansion (afex) pretreatment of lignocellulosic biomass
Uploaded: 2020-04-18T13:00:00
Duration: 9 min 30 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Ammonia Fiber Expansion AFEX Pretreatment of Lignocellulosic Biomass at JoVE.com

Dette materiale er baseret på arbejde, der delvist støttes af Great Lakes Bioenergy Research Center, U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Biological and Environmental Research under Award Numbers DE-SC0018409 og DE-FC02-07ER64494. Rebecca Ong anerkender delvis støtte fra Michigan Technological University (start finansiering). Shishir Chundawat anerkender delvis støtte fra US National Science Foundation CBET award (1604421), ORAU Ralph E. Powe Award, og Rutgers School of Engineering (Startup Funding). Bruce Dale anerkender delvis støtte fra Michigan State University AgBioResearch kontor og også USDA National Institute of Food and Agriculture. Venkatesh Balan anerkender delvis støtte fra Staten Texas og University of Houston (Startup Funding). MBI medarbejdere anerkender delvis støtte fra det amerikanske Department of Energy og Michigan State University foundation. Endelig vil vi gerne dedikere dette papir til vores mentor og medforfatter Prof. Bruce Dale for at inspirere os til i fællesskab at forfølge vores drøm om at gøre bæredygtige celluloseholdige biobrændstoffer.

1. Justering af biomassevandindholdet
<ol><li>Se materialetabellen, der skitserer alt større udstyr og materialer, der er nødvendigt for at udføre afex-forbehandling i bænk- eller laboratorieskala ved hjælp af den specialbyggede tubulære AFEX-reaktor (figur 2).</li>
	<li>Det samlede vandindhold i biomasse bestemmes ved hjælp af en fugtanalysator eller en ovn, der er indstillet til 105 °C for 8 timer. Ved ovnmetoden overføres prøverne til en varmebestandig ekssikkator for at køle af for at forhindre vandadsorption før tørring. Udfør processen i duplikere eller tre eksemplarer og beregne det gennemsnitlige vandindhold.</li>
	<li>For en given tør biomassebelastning i reaktoren (her rummer den 25 g), skal du bruge det vandindhold, der er bestemt i trin 1.2, til at beregne, hvor meget våd biomasse der skal lastes. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq1.jpg">[1] Hvor mvåd = samlet masse af biomasse (vådvægtsbasis) mtør = masse af biomasse på tørvægt MCTWB = biomasse vandindhold på total vægt basis</li>
	<li>Afvej denne mængde biomasse (mvåd)i en plastbeholder.</li>
	<li>Beregn, hvor meget vand der skal blandes med den våde biomasse for at opnå det ønskede vandindhold. For majsstover er dette typisk 0,6 g H2O pr. g tør biomasse. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq2.jpg">[2] Hvor mvand = masse vand tilsat reaktoren (ud over vandet i biomassen) xvand = AFEX-vandbelastning (g:g tør biomasse)</li>
	<li>Ved hjælp af en sprayflaske, langsomt tilføje denne mængde vand (mvand)til biomasse, der tidligere var blevet vejet ud og bland godt i hånden.</li>
</ol>2. Belastning og samling af reaktoren
<ol><li>Reaktorhuset samles ved at placere en hætte og Teflon-pakning på bunden af reaktorrøret. Bolt en klemme på plads, stramme begge møtrikker jævnt ved hjælp af en rachet.</li>
	<li>Overfør den våde biomasse til den samlede reaktorbase, og placer et stik glasuld øverst på biomassen.</li>
	<li>Placer en Teflon pakning på toppen af reaktoren. Sørg for, at regionen er fri for biomasse og glasuld, hvilket kan forhindre en effektiv forsegling, og placere reaktorhovedet på toppen, manøvrere termoelementet gennem glasuld og biomasse.</li>
	<li>Bolt klemmen til toppen af reaktoren ved hjælp af en skralde jævnt på begge sider.</li>
	<li>Reaktoren (mreaktor)vejes, og vægten registreres.</li>
</ol>3. Opsæt reaktorsystemet og fyld ammoniakoverførselscylinderen
<ol><li>Bekræft, at alt udstyr er tilsluttet og funktionsdygtig (temperaturregulator, temperaturmonitor, sprøjtepumpe, timere).</li>
	<li>Indstil timere til den ønskede opholdstid for hver reaktor og prøve, der skal køres.</li>
	<li>Tænd og, hvis du bruger en programmerbar sprøjtepumpe, skal du indstille ammoniakleveringsmetoden på sprøjtepumpen. Trin 1: Tilbagetrækning. Trin 2: Vent i 15 sekunder (for at give tid til at åbne og lukke ventiler). Trin 3: Indgyde (for at overføre ammoniak i reaktoren).<ol>
<li>Gem som AFEX metode til at give mulighed for nem genbrug.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Kontroller, at alle ventiler ind og ud af den lille ammoniakcylinder er lukket.</li>
	<li>Hvis cylinderen har været anvendt tidligere og indeholder resterende ammoniak/nitrogen, skal ventil A langsomt åbnes på toppen af den lille ammoniakcylinder for at udbløde nitrogen og lukke ventilen, når den flydende ammoniak begynder at sputter ud.</li>
	<li>For at fylde den lille ammoniakcylinder skal du åbne den store vandfrie ammoniakcylinder og alle ventiler på ammoniaklinjen. Åbn langsomt ventilen (B) nær toppen af den lille ammoniakcylinder, indtil trykket stabiliseres. Vent i 5 minutter, før du fortsætter til næste trin. Ca. 120 ml ammoniak oplades fra hovedcylinderen til overførselscylinderen i dette tidsrum.</li>
	<li>Luk alle ventiler mellem ammoniaktanken og den lille ammoniakcylinder, der arbejder fra venstre mod højre, begyndende fra den lille cylinder (ventil B) og efterbehandling ved hovedventilen oven på tanken.</li>
	<li>Indstil nitrogenregulatoren til 350 psi. Åbn ventilen på nitrogencylinderen og ventilen på den påsatte regulator. Åbn ventil C på den lille ammoniakcylinder for langsomt at tilsætte kvælstof og overpresning af systemet. Juster trykket på den lille cylinder til 350 psi efter behov ved at justere indstillingspunktet på regulatoren. Hold nitrogenledningerne åbne, mens ammoniak dispenseres.</li>
</ol>4. Forvarm reaktoren (for reaktionstemperaturer på >100 °C)
<ol><li>Sæt temperaturmonitoren i termoelementet og varmetapen til temperaturregulatoren.</li>
	<li>Juster temperaturregulatoren manuelt for at bringe reaktoren op på 60 °C.</li>
</ol>5. Lad reaktoren med ammoniak
<ol><li>Tænd for sprøjtepumpen, hvis den ikke allerede er tændt.</li>
	<li>Den nødvendige ammoniakmængde beregnes på grundlag af den ønskede ammoniakbelastning (g:g tør biomasse) og en tidligere bestemt ammoniakkalibrering. <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq3.jpg">[3] BEMÆRK: Fordi ammoniakpumpen belastninger på et volumen grundlag, når først bruger det, kalibrere til at konvertere fra den nødvendige masse til volumen. Følg den samme procedure, der anvendes til AFEX, men afslut kørslen (udluftning af reaktoren) umiddelbart efter lastning af ammoniak og vejning af reaktoren. Følg samme procedure for losning af reaktoren.</li>
	<li>Konfigurer metoden til at indlæse den korrekte mængde ammoniak:<ol>
<li>Vælg AFEX-metoden i afsnit 3.3.</li>
		<li>Tryk på Trindefinition | Trin: 1 | Angiv målvolumen eller -klokkeslæt.</li>
		<li>Angiv den diskenhed, der kræves i ml, ved hjælp af numerisk e-avis, og tryk på det grønne flueben.</li>
		<li>Hvis der kræves mere end 85 ml, skal målvolumenet indtastes som halvdelen af den mængde, der er angivet i regnearket, og fylde reaktoren to gange ved hjælp af samme sprøjtevolumen.</li>
		<li>Gentag trin 5.3.2 til 5.3.4 for "Trin: 3".</li>
		<li>Tryk på tilbage-knappen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Åbn ventilen (D) på bunden af den lille ammoniakcylinder mod udstødningen, og luk den derefter, når eventuelle rester af ammoniak er afsluttet.</li>
	<li>Åbn ventilen (E) for enden af sprøjtepumpen mod forsiden af røgemhætten, og åbn derefter ventilen (F) for at frigøre eventuel resterende ammoniak. Lukkeventiler (E) og (F).</li>
	<li>Afbryd reaktoren fra temperaturmonitoren og temperaturregulatoren. Fastgør reaktoren til den hurtige forbindelse.</li>
	<li>Åben ventil (D) mod den lille ammoniakcylinder og åben ventil (E) mod den lille ammoniakcylinder.</li>
	<li>Tryk på den grønne pil på pumpen for at starte sekvensen og trække ammoniak ind i sprøjten.</li>
	<li>Når sprøjten stopper automatisk i ventetiden, drejes sprøjteventilen (E) mod reaktoren og reaktorindstileventilen, så den peger mod den hurtige forbindelsesstilk. Efter forsinkelsen begynder sprøjten at tilføre sprøjten og stopper automatisk ved det indstillede punkt.</li>
	<li>Hvis der kræves mere end 85 ml ammoniak, gentages trin 5.7 til 5.9.</li>
	<li>Luk reaktorventilen og ventilen (D). Åben ventil (F) for at frigøre resterende ammoniak fra sprøjten og derefter lukke ventilen (F) og lukkeventilen (E).</li>
	<li>Åbn ventilen (D) mod udstødningen, og luk den derefter, når den resterende ammoniak har forladt.</li>
	<li>Iført kryogene handsker, fjerne reaktoren fra den hurtige forbindelse. Vær forsigtig med potentiel ammoniak spray. Brug elefantstammens udluftningslinje til at udlufte den frigivne ammoniak, hvis det er nødvendigt.</li>
	<li>Start timeren for den relevante reaktor.</li>
	<li>Reaktorenheden vejes for at kontrollere, at ammoniakens passende vægt er tilsat på grundlag af regnearksberegningerne.</li>
</ol>6. Begynd opvarmning og overvåge reaktionen
<ol><li>Sæt temperaturmonitoren i termoelementet og varmetapen til temperaturregulatoren.</li>
	<li>Den oprindelige temperatur og det oprindelige tryk i reaktoren registreres efter tilsætning af ammoniak (opholdstidens start).</li>
	<li>Juster temperaturregulatoren manuelt for at bringe reaktoren op til den indstillede temperatur. Målet er at nå det indstillede punkt i <5 min.</li>
	<li>Optag trykket og temperaturen af reaktoren hver 3 min indtil udgangen af opholdstiden.</li>
	<li>Når opholdstiden er udløbet, skal reaktoren afbrydes fra temperaturregulatoren og termoelementet, reaktoren fjernes fra stativet og langsomt åbne kugleudløserventilen inde i røgemhætten. BEMÆRK: Bær altid et ansigtsskjold under dette trin.</li>
</ol>7. Luk systemet
<ol><li>Efter at have givet reaktoren til at køle i et par minutter, skal du bruge en skralde skruenøgle til at åbne klemmer på reaktoren.</li>
	<li>Tag biomassen og glasuld af fra reaktoren inde i en røghætte. For at undgå luftbåren forurening af biomassen, efterhånden som restammoniak fordamper, er det bedst at tørre inde i en lukket tørreboks inde i et ventileret rum.</li>
	<li>Rengør reaktoren med destilleret vand, indtil vandet løber klart og lad reaktorer tørre.</li>
	<li>Hvis alle ventiler stadig er åbne, lukkes alle ventiler og tilsluttes ammoniakcylinderen.</li>
	<li>Luk alle ventiler på nitrogenlinjen.</li>
	<li>Sluk for temperaturregulatoren, temperaturmonitoren, balancen, sprøjtepumpen og timeren. FORSIGTIG: Hvis du planlægger at udføre flere reaktioner, er det ikke nødvendigt at lufte den lille ammoniakcylinder. Men hvis der ikke er nogen plan for at køre flere eksperimenter, for sikkerhed er det bedst at lufte den lille cylinder ind i hætten i slutningen af forsøget. Når du gør dette, er det vigtigt at lade ventilerne åbne, da frigivelsen af ammoniak kan forårsage isdannelse, der kan blokere nogle linjer. Efterhånden som linjerne tø op, kan yderligere ammoniak frigives. Sørg altid for at have ventilationen til at fungere, samtidig med at systemet kan udlufte. Enhver ammoniakbehandlet biomasse skal, selv om den ikke er beregnet til anvendelse, tørres i røgemhætten natten over, så restammoniak kan fordampe. Det kan ikke umiddelbart bortskaffes i skraldespanden.</li>
</ol>

Flere forfattere (nemlig Shishir P S Chundawat, Tim Campbell, Farzaneh Teymouri, Leonardo Sousa, Bruce E Dale, Venkatesh Balan) er opfindere / co-opfindere på flere patenter indgivet på ammoniak forbehandling og reaktor design på MSU / MBI.

AFEX-protokollen beskriver, hvordan plantematerialer behandles i nærvær af vandfri ammoniak og vand ved forhøjede temperaturer for at øge fordøjeligheden af forbehandlingsmaterialet med cellulolytiske enzymer og/eller mikrober. AFEX er meget effektiv på graminoid monocot arter (f.eks majs stover, switchgrass, miscanthus, ris halm, hvede halm, og sukkerrør bagasse) på grund af effektiviteten af processen til at kløve ester forbindelser, der er naturligt rigelige i disse materialer31. AFEX er langt mindre effektiv på biomasse stammer fra dicots og nøgenfrøede (hårdttræ, nåletræ, og indfødte forbs)32,33 på grund af den mindre andel af lignin-kulhydrat baseret ester forbindelser. Men når disse forbindelser indføres i woody cellevægge ved hjælp af plantebioteknologi, afEX forbehandling sprocessen bliver langt mere effektiv34.
Spaltning af esterforbindelser gør det muligt at fjerne visse biomassekomponenter fra materialet, men deponeres igen som ekstraktive på de ydre cellevægoverflader, hvilket resulterer i dannelsen af nanoskalahuller, der letter indtrængning og virkning af de cellulolytiske enzymer6. AFEX forbehandlet majs stover viste en omtrent 3-dobling af glukose og xylose frigivelse sats efter enzymatisk hydrolyse under høje faste stoffer betingelser i forhold til det ubehandlede materiale. Ammoniakforbehandlinger producerer også færre og langt mindre hæmmende nedbrydningsprodukter sammenlignet med fortyndet syreforbehandling35. En tidligere sammenligning af AFEX og fortyndet syrebehandlet majsstover viste, at fortyndet syre forbehandling producerer 316% flere syrer, 142% flere aromater, og 3.555% mere furan aldehyder end AFEX36, som alle kan være hæmmende for mikroorganismer35,37. Da AFEX er en tør-til-tør proces, er der heller ikke noget tab af sukker som en fortyndet væskestrøm, der ikke økonomisk kan udnyttes under enzymatisk hydrolyse. Dette fører dog til komplikationer, da enzymer med både cellulosenedbrydende og hemicellulosenedbrydende kapacitet er nødvendige for fuldt ud at nedbryde cellevæggens polysaccharider under enzymatisk hydrolyse til blandet fermenterbart sukker som glukose og xylose. Hemicellulosic oligomerer er blevet rapporteret at hæmme cellulase aktivitet38, hvilket kan nødvendiggøre en højere enzym belastning for at opretholde et højt endeligt sukkerudbytte. Optimering af egnede enzymcocktails kan dog reducere det samlede enzymforbrug under saccharificering af AFEX forbehandlet biomasse39,40,41,42,43,44,45. Under AFEX's forbehandling fører hydrolyse og ammonolyse af esterforbindelser til dannelse af syre og amidprodukter i den forbehandlede biomasse (f.eks. eddikesyre/ acetamid, ferulicsyre/ferulamid, coumaricsyre/coumarylamid)36. Selv om dannelsen af amider har vist sig at hjælpe gæringsprocessen, kan deres tilstedeværelse ved meget høje koncentrationer i forbehandlede råmaterialer være et problem, hvis fodring af dyr forbehandlede biomer. Forhydrolyse af esterforbindelser med alkali såsom NaOH eller Ca(OH)2 før AFEX forbehandling kan bruges til at løse problemet.
Der er en række sikkerhedsmæssige overvejelser at huske på, når du arbejder med vandfri ammoniak under AFEX-processen. Vandfri ammoniak reagerer med kobber, messing, aluminium, kulstofstål og almindelige fluorelastomerpolymerer, der anvendes i tætninger (f.eks. Enhver slange eller reaktor komponenter, der kan komme i kontakt med ammoniak bør være fremstillet af rustfrit stål, og pakninger, ventil sæder, og hurtig forbindelse sæler bør være fremstillet af Teflon eller Kalrez når det er muligt. Ammoniak betragtes ikke som et giftigt kemikalie, men det er stadig farligt på grund af dets hygroskopiske og kryogene egenskaber. Det let mål og kan alvorligt skade slimhinder i øjnene og åndedrætsorganerne. Ammoniak er en kryogen væske og ammoniak lækager kan forårsage alvorlige forfrysninger på grund af direkte kontakt med gasstrømmen eller kølet udstyr. Ammoniak er umiddelbart farligt for liv og sundhed (IDLH) ved koncentrationer over 300 ppm. Arbejdstagere bør evakuere straks i tilfælde af koncentrationen overstiger 50 ppm. Det anbefales, at operatørerne bærer en kalibreret ammoniakmonitor for at advare om farlige koncentrationer i deres nærhed. Installation af sensorer med alarmer i hovedarbejdsområdet er også tilrådeligt. Arbejdstagere, der håndterer ammoniak, skal være ordentligt uddannet og bære beskyttelsesudstyr såsom udgangsåndedrætsværn udstyret med methylaminpatroner og kryogene og varmebeskyttende handsker og være forberedt på at håndtere nødsituationer. I tilfælde af eksponering for vandfri ammoniak skal operatøren bevæge sig i sikkerhed og straks skylle det berørte område med vand i mindst 15 minutter. Ammoniakforbehandlingsprocessen skal udføres inde i en røghætte, og ammoniakcylinderen skal enten opbevares i en røghætte eller ventileret skab. Efter forsøget vil forbehandlet biomasse have noget restfri ammoniak og skal enten tørres i emhætten natten over eller i en brugerdefineret ventileret tørreboks, før den opbevares i plastikposer ved stuetemperatur til opfølgende eksperimenter. Nogle andre vigtige sikkerhedsovervejelser omfatter installation af et ammoniakfremføringssystem med en flowmåler, der vil bidrage til præcist at levere ammoniak til reaktoren, og en reaktor, der er konstrueret til at håndtere mindst 1,5 gange det tryk, som forbehandlingsprocessen vil blive udsat for (f.eks. til håndtering af AFEX-processen ved 2 x 106 Pa-tryk, skal reaktorens mindste trykklassificering være 3 x 106 Pa).
AFEX forbehandling er en lovende metode til at producere letfordøjelig plantebiomasse, der kan anvendes direkte som dyrefoder eller som råmateriale til fremstilling af brændstoffer og kemikalier. Ud over disse to industrier kan AFEX finde anvendelse på andre områder såsom et biofornyeligt råmateriale til fremstilling af biomaterialer eller som råmateriale til fremstilling af biogas. Laboratorieskalaprocessen kan udføres i et laboratorium, der er udstyret med korrekt ventileret plads og sikkerhedsforanstaltninger, og vores nuværende arbejde bekræfter, at denne nedskalerede AFEX-proces viser lignende resultater som materiale, der genereres i en skaleret og/eller pilot-AFEX-reaktor. AfEX-processen i laboratorieskala kan bruges til at teste råmaterialer, behandlingsbetingelser og applikationer på en højere gennemløbsmåde, samtidig med at der skabes en rimelig forventning om, hvordan processen vil fungere på pilot- eller industrielskala.

Ammoniak fiber ekspansion (AFEX) er en termokemisk forbehandling, der bruger flygtige ammoniak som den vigtigste reaktant for celluloseholdig biomasse forbehandling. Denne proces blev oprindeligt opfundet af Bruce Dale for omkostningseffektivt at reducere recalcitrance af lignocellulosebiomasse og forbedre biologisk katalyseret forbehandlet biomassedekonstruktion til fermenterbar sukker1,2. I modsætning til de fleste andre vandige-baserede termokemiske forbehandlinger3, AFEX er en tør-til-tør proces, der forårsager ingen væsentlig ændring i biomasse sammensætning og kræver ingen vask skridt med sin tilhørende affaldsproduktion og omkostninger. Det er påvist, at overskydende flygtige ammoniak er blevet genfundet i pilotskalaen, hvilket resulterer i reducerede affaldsproduktions- og forarbejdningsomkostninger. Det pilot-skala pakkede BED AFEX-reaktorsystem, der er udviklet af MBI (figur 1), genvinder resterende ammoniak ved hjælp af dampstripning og overfører den varme, koncentrerede ammoniak til en ny pakket seng4,5. Efter AFEX's forbehandling kan de mindre mængder kvælstof, der tilsættes biomassen, anvendes som ikke-proteinnitrogen af drøvtyggere og mikroorganismer. Ved at ændre biomasseultrastrukturen ved hjælp af forskellige fysisk-kemiske mekanismer6,7,8, øger AFEX desuden biomassens tilgængelighed for kulhydrataktive enzymer (CAZymes) og øger forekomsten af polysaccharider hydrolyse med flere gange8,9, hvilket også øger dens fordøjelighed af drøvtyggere via deres cellulolytiske mikrobiom4,10,11,12.12 Landmændene har længe anvendt en enklere version af denne metode for at øge fordøjeligheden af drøvtyggere foder ved at inkubere biomasse i dage eller uger under plast presenninger i overværelse af lav vandfri ammoniak belastninger (<4% w / w grundlag af tør biomasse) og omgivende tryk og temperaturer10,11.
Vandfri ammoniak blev først undersøgt for dets potentiale til at delignify træ i 1950'erne og som pulping kemikalie i begyndelsen af 1970'erne13,14,15,16,17,18. I begyndelsen af 1980'erne blev tryk, højtemperatur, koncentreret ammoniak (>30% NH4OH) under subkritiske forhold første gang brugt i Dale-laboratoriet til at forbedre den enzymatiske fordøjelighed og mikrobielle fermenterbarhed af lignocellulosebiomasse19. Denne proces gennemgik flere navneændringer i årenes løb, begyndende som ammoniak fryse eksplosion, og derefter ammoniak fiber eksplosion, og endelig, ammoniak fiber ekspansion, eller blot AFEX. Omkring samme tid (midten af slutningen af 1980'erne), DuPont (nu Dow-DuPont) også undersøgt ved hjælp af superkritiske og næsten kritiske vandfri ammoniak baseret forbehandling processer for at øge fordøjeligheden af biomasse20,21,22. I de seneste årtier har der været øget vægt på at bruge fortyndede vandige ammoniak opløsninger som en forbehandling reagens, herunder ammoniak genbruge / percolation23 (ARP), iblødsætning i vandig ammoniak (SAA), eller Dow-DuPont processen uden ammoniak genbruge24. Et par yderligere metoder har set på brugen af vandfri ammoniak (lav-fugt vandfri ammoniak (LMAA), og lav-flydende ammoniak forbehandling25 (LAA). to nye avancerede organosolv-type forbehandling teknologier udnytteflydende vandfri ammoniak26,,27 og ammoniak-salt baserede opløsninger28 ved høj væske til faste belastninger blev for nylig udviklet, der muliggør selektiv lignin fraktionering og høj effektivitet enzymatisk hydrolyse af forbehandlet cellulosebiomasse ved ultra-lav enzym belastninger. En nylig gennemgang artikel har fremhævet ligheder og tydelige forskelle mellem forskellige former for ammoniak-baserede prætreatments29. Men indtil for nylig4, var der ingen pilot-skala demonstrationer af ammoniak-baserede forbehandlingsprocesser (som AFEX), der effektivt blev kombineret med lukket kredsløb kemisk elikvie af koncentreret ammoniak, der anvendes i processen.
I dette dokument beskriver vi i detaljer den mest anvendte AFEX-protokol til at forretreate cellulosebiomasse i laboratorieskalaen for at producere gramskalaer af forbehandlet biomasse (f.eks. 1 til flere 100 g). Typisk blandes biomasse med vand (0,1-2,0 g H2O/g tør biomasse) og lastes i en specialbygget rustfri stålrør- eller parrtypereaktorer. Vandfrit ammoniak tilsættes derefter (0,3-2,0 g NH3/gtør biomasse) til reaktoren, og blandingen opvarmes til den ønskede reaktionstemperatur (60-180 °C). Tidligere publikationer om AFEX-processen fra 1980'erne-1990'erne startede opholdstiden for forbehandling (f.eks. 5-60 min. umiddelbart efter temperaturrampen. Men da reaktionerne opstår, så snart ammoniaktilen er tilsat reaktoren, skal den nuværende AFEX-procedure begynde at overvåge opholdstiden umiddelbart efter ammoniaktilsætning til reaktoren. Ved temperaturer på 90 °C eller derover er det ofte nødvendigt at forvarme biomassen, før ammoniaken læsses, for at holde den første temperaturrampe op i en minimumsperiode (dvs. Ved afslutningen af opholdstiden åbnes en ventil for hurtigt at frigøre trykket og gasfaseindholdet i en egnet kemisk røghætte. Den hurtige omdannelse af ammoniak fra flydende til gasfase får også reaktoren til at køle ned. Små reaktorer (<100 ml reaktorvolumen) kan ofte aflæsses i røgemhætten med det samme, mens større reaktorer (>100 ml reaktorvolumen) kan have brug for ekstra tid til afkøling. Af hensyn til brugersikkerheden anbefales det at rense med nitrogen i større skala (>100 g ammoniak pr. reaktorkørsel) for at fjerne så meget restammoniak som muligt fra beholderen og hjælpe med at køle reaktorindholdet før losning. Typisk, ingen forsøg på lab-skalaen til at genbruge og / eller inddrive ammoniak. En af de vigtigste designudfordringer i forbindelse med opskalering af AFEX's forbehandlinghar været genanvendelse af ammoniak med minimale kapital- og driftsomkostninger. Også, tilføje flydende ammoniak til biomasse generelt drev delvis inddækning af væsken, der køler biomassen, kræver opvarmning af biomasse-ammoniak blandingen før AFEX behandling kan begynde. Snarere end at tilføje ammoniak som flydende, tilføje ammoniak damp til biomasse giver to fordele: For det første, den høje porøsitet af bulk biomasse tillader ammoniak damp, der skal transporteres hurtigt, hvilket resulterer i selv ammoniak distribution i hele biomassen. For det andet opløses ammoniakdamp let og eksotermt i vandet, der er uddannet i fugtig biomasse, hvilket resulterer i varmeproduktion, der hurtigt og jævnt opvarmer biomassen. For at udnytte disse fordele, både MSU Dale lab og MBI har udviklet AFEX behandlingsmetoder ved hjælp af ammoniak damp. Dale lab har udviklet Gaseous Ammoniak Forbehandling (GAP) proces30, og MBI har udviklet pakket seng AFEX reaktor proces (Figur 1)4, som er blevet påvist på pilotskalaen. Det pakkede AFEX-reaktorsystem er i stand til at udføre halvbatchtilstand med fuldstændig genanvendelse af ammoniak ved hjælp af en dampstripningsmetode4,5. Denne nye MBI pilot-skala proces udnytter de kemiske og fysiske egenskaber af ammoniak til effektivt at forfdrive biomasse og samtidig effektivt genanvendelse af ammoniak.
Her præsenterer vi en detaljeret skitse til gennemførelse af AFEX forbehandling af majs stover på lab-skalaen ved hjælp af specialbyggede 200 ml volumen rørformede reaktorer (Figur 2). AFEX's forbehandlede prøver blev fordøjet til fermenterbart sukker ved hjælp af kommercielt tilgængelige cellulolytiske enzymcocktails for at påvise effekten af forbehandlingsprocesserne. Resultaterne af enzymatisk hydrolyse for AFEX-reaktoren i laboratorieskala blev sammenlignet med større afexreaktorproducerede prøver i pilotskalaskala. Vores mål er at give en standard driftsprocedure for sikker og konsekvent drift af lab-skala trykreaktorer til at udføre AFEX forbehandling på celluloseholdig biomasse som majs stover. Yderligere supplerende oplysninger om variationer i denne laboratorie-skala AFEX forbehandling proces (f.eks pilot-skala pakket seng AFEX proces) er yderligere fremhævet i den ledsagende supplerende pdf-fil. En detaljeret rapport om de pakkede afex-processer, der er i den pakkede seng, vil blive fremhævet i en separat publikation og kan rekvireres fra MBI-MSU.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1275px;" width="1274">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Safety Equipment/PPE</td>
			<td style="width:172px;"></td>
			<td style="width:188px;"></td>
			<td style="width:699px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ammonia Monitor</td>
			<td style="width:172px;">CanarySense</td>
			<td style="width:188px;">BW GAXT-A-DL</td>
			<td style="width:699px;">Single gas detector, Ammonia (NH3), 0 to 100 ppm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Cryogenic gloves</td>
			<td style="width:172px;">Amazon</td>
			<td style="width:188px;">B01L8WA238/B01L8WA1H0/B01L8WA1O8</td>
			<td style="width:699px;">Keep hands protected when handling liquid ammonia</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ear muffs</td>
			<td style="width:172px;">3M</td>
			<td style="width:188px;">H7A</td>
			<td style="width:699px;">Ear muffs to protect hearing when releasing ammonia at end of pretreatment</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Face shield</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">Wear while handling ammonia</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Heat protective gloves</td>
			<td style="width:172px;">Grainger</td>
			<td style="width:188px;">2EWX1/2EWX2/2EWX3</td>
			<td style="width:699px;">Showa heat resistant gloves, max temperature 500&#176;F</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Nitrile gloves</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">Wear while mixing biomass to prevent contamination</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Reagents</td>
			<td style="width:172px;"></td>
			<td style="width:188px;"></td>
			<td style="width:699px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Anhydrous Ammonia Compressed Gas Cylinder</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">An anhydrous ammonia compressed gas cylinder with a dip tube is required for this process. The dip tube is essential in order to withdraw liquid ammonia from the cylinder.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Distilled water</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">Used to add water to the biomass to achieve the desired water loading</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Milled or Chopped Corn Stover</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">Corn stover is not readily commercially available. Contact local farmers or agricultural extension if you wish to locate some.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Nitrogen Compressed Gas Cylinder</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Equipment</td>
			<td style="width:172px;"></td>
			<td style="width:188px;"></td>
			<td style="width:699px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ammonia Cylinder Adapter</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">CGA fitting that depends on the gas cylinder. Matheson is a good source. Some require teflon gaskets. This connects the cylinder to the ammonia delivery system. A regulator is not necessary as the system uses liquid ammonia.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ammonia Delivery System (Figure 4)</td>
			<td style="width:172px;">Swagelok</td>
			<td style="width:188px;">Misc.</td>
			<td style="width:699px;">Stainless steel pressure cylinder and components, valves, check valves, and gauges were used for all lines potentially in contact with ammonia.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Analytical Balance</td>
			<td style="width:172px;">Sartorius</td>
			<td style="width:188px;">CPA4202S</td>
			<td style="width:699px;">Balance used for preparing biomass and weighing the reactors. Toploading balance, 4200g x 0.01g</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Chemraz O-rings</td>
			<td style="width:172px;">Harvard Apparatus</td>
			<td style="width:188px;">5013091</td>
			<td style="width:699px;">Ammonia-resistant o-rings for the SS syringe</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Custom Tubular Reactors (Figure 3)</td>
			<td style="width:172px;">Parts were purchased from McMaster-Carr, Swagelok, Omega, and Motion Industries (Dixon Fittings)</td>
			<td style="width:188px;">Misc.</td>
			<td style="width:699px;">To be compatible with ammonia, the custom reactor was constructed from stainless steel components (sanitary tube and fittings, compression fittings, quick connect, pressure gauge, thermocouple), and teflon gaskets. The maximum pressure rating of the vessel is 1500 psig, which is the maximum pressure rating of the bolted sanitary clamps.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Drying Box</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">Optional: an enclosed system for drying is necessary if planning to do microbial experiments to avoid contamination. Avoid drying at elevated temperatures.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">High Pressure Syringe Pump</td>
			<td style="width:172px;">Harvard Apparatus</td>
			<td style="width:188px;">70-3311</td>
			<td style="width:699px;">Infuse/Withrdraw PHD ULTRA HPSI Programmable Syringe Pump for transferring liquid ammonia</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Moisture Analyzer</td>
			<td style="width:172px;">Sartorius</td>
			<td style="width:188px;">MA35</td>
			<td style="width:699px;">Moisture analyzer for determining moisture content of biomass prior to pretreatment.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Nitrogen Delivery</td>
			<td style="width:172px;">Misc.</td>
			<td style="width:188px;">Misc.</td>
			<td style="width:699px;">Nitrogen compressed gas cylinder, inert gas regulator (at least 1000 psig max pressure rating), lines, and valves.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ratchet wrench and 7/8&#34; socket</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">Ratchet and socket to quickly tighten and open bolts on the sanitary clamp. Can be purchased anywhere.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Retractable Thermocouple Cables</td>
			<td style="width:172px;">Omega</td>
			<td style="width:188px;">RSC-K-3-4-5</td>
			<td style="width:699px;">Retractable thermocouple cable. You need one for each reactor.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Stainless Steel Syringe</td>
			<td style="width:172px;">Harvard Apparatus</td>
			<td style="width:188px;">702261</td>
			<td style="width:699px;">Stainless steel syringe for tranferring ammonia to the reactors.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Temperature Monitor</td>
			<td style="width:172px;">Omega</td>
			<td style="width:188px;">HH12B</td>
			<td style="width:699px;">Dual input temperature monitor. You need one for every two reactors.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Voltage Controller</td>
			<td style="width:172px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:188px;">6994K11</td>
			<td style="width:699px;">Variable-Voltage Transformer for controlling heating to the reactors. You need one for each reactor.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Supplies</td>
			<td style="width:172px;"></td>
			<td style="width:188px;"></td>
			<td style="width:699px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Metal Scoops, Spoons and/or Spatulas</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">For transferring biomass for weighing, mixing, transferring into the reactor and removing from the reactor at the end of the run</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Plastic Bowls or Tubs</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">Used for mixing the biomass with the water. Any bowl or tub could be used.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Spray Bottle</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">Used to add water to the biomass to achieve the desired water loading</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Wide-Mouth Funnel</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td style="width:699px;">Any funnel that has a bottom opening 0.5-1.0 inches diameter.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Wooden Dowel</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td>1-1.5&#34; diameter wooden dowel to assist with loading/unloading the reactor</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Consumables</td>
			<td style="width:172px;"></td>
			<td style="width:188px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Glass Wool</td>
			<td style="width:172px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:188px;">CLS3950-454G</td>
			<td>For packing the top of the reactor to prevent biomass escape and clogging the tubing</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Plastic Press-to-Close Bags</td>
			<td style="width:172px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:188px;">1959T24</td>
			<td>Bags for storing processed samples and for transferring to drying box</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Plastic Tote</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td>Used to transfer pretreated biomass to an alternate location for drying</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Plastic Weighboats or Metal Trays</td>
			<td style="width:172px;">-</td>
			<td style="width:188px;">-</td>
			<td>Used to catch the biomass when removing from the reactors, and for storing the samples while drying</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

ammonia fiber expansion (afex) pretreatment of lignocellulosic biomass

Lignocellulosematerialer er planteafledte råmaterialer, såsom afgrøderester (f.eks. majsstover, rishalm og sukkerrørsbagasse) og formålsdyrkede energiafgrøder (f.eks. miscanthus og switchgrass), der er tilgængelige i store mængder til fremstilling af biobrændstoffer, biokemikalier og dyrefoder. Plantepolysaccharider (dvs. cellulose, hemicellulose og pektin), der er indlejret i cellevægge, er meget genstridige mod omdannelse til nyttige produkter. Ammoniak fiber ekspansion (AFEX) er en termokemisk forbehandling, der øger tilgængeligheden af polysaccharider til enzymer til hydrolyse i fermenterbare sukkerarter. Disse frigivne sukkerarter kan omdannes til brændstoffer og kemikalier i et bioraffinaderi. Her beskriver vi en laboratorie-skala batch AFEX proces til at producere forbehandlet biomasse på gram-skalaen uden ammoniak genanvendelse. Laboratorieskalaprocessen kan anvendes til at identificere optimale forbehandlingsforhold (f.eks. ammoniakbelastning, vandbelastning, biomassebelastning, temperatur, tryk, opholdstid osv.) og genererer tilstrækkelige mængder forbehandlede prøver til detaljeret fysisk-kemisk karakterisering og enzymatisk/mikrobiel analyse. Udbyttet af fermenterbart sukker fra enzymatisk hydrolyse af majsstover præbehandlet ved hjælp af laboratorieskalaen AFEX-processen kan sammenlignes med pilot-skala AFEX-processen under lignende forbehandlingsforhold. Formålet med dette dokument er at tilvejebringe en detaljeret standardprocedure for sikker og ensartet drift af laboratoriereaktorer til udførelse af AFEX-forbehandling af lignocellulosebiomasse.

Efter AFEX forbehandling, biomassen er mørkere i farven, men ellers visuelt uændret (Figur 3). AFEX proces genererer et meget fordøjeligt materiale på en række forskellige skalaer ud over den, der er skitseret i denne protokol. Her har vi forbehandlet den samme majs stover prøve i vores lille 200 ml, pakket-seng, bænk-skala system; en større 5 gallon, omrørt Parr reaktor; og MBI's pilotreaktor. De betingelser, der blev anvendt for de to mindre reaktorer (dvs. 200 ml og 5 gallonskala), var 1,0 g NH3:g tør biomasse, 0,6 g Tør biomasse på 0,6 g H2O:g i 30 min ved 100 ± 5 °C. Pilot-skala AFEX4 blev udført på samme materiale ved 0,6 g NH3:g tør biomasse, 0,6 g H2O:g tør biomasse, i 30 min ved 100 ± 5 °C. Nærmere oplysninger om de protokoller, der anvendes til gennemførelse af AFEX-forbehandling i større skalaer, findes i de supplerende oplysninger (se Supplerende fil 1). Følgende "kvalitetskontrolkriterier" er fastlagt på grundlag af måltemperaturen for AFEX-forbehandling. Hvis reaktortemperaturen efter at have nået det indstillede punkt går ud ± 10 °C fra det indstillede punkt, skal forsøget afbrydes. Hvis måltemperaturen (inden for 5 °C) ikke nås inden for 5 minutter efter ammoniakpumpning, afbrydes forsøget. Desuden kan forbehandlingseffekten for AFEX-processen testes ved hjælp af cellulolytiske enzymcocktails for at hydrolysere de tilgængelige polysaccharider til fermenterbart sukker. Prøverne blev enzymatisk hydrolyseret i 72 timer ved 6% glucanbelastning, pH 5,0, 50 °C og 250 rpm i en rystende inkubator. En kommerciel cocktail af enzymer bestående af 60% cellulase (CTec3):40% hemicellulase (HTec3 eller NS22246) på et fast samlet proteinbelastningsgrundlag, der blev læsset ved 15 mg enzym/g glucan, blev anvendt til alle saccharificeringsanalyser. Resultaterne (figur 4) viser, at AFEX-forbehandling i alle tilfælde øger udbyttet af fermenterbart sukkerindhold betydeligt. Desuden er cellulose/xylan hydrolyse udbytter for biomasse forbehandlet ved hjælp af lab-skala AFEX processen kan sammenlignes med de større 5-gallon Parr reaktor og MBI's pilot-skala pakket seng AFEX proces.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig1.jpg"> Figur 1. Skematisk oversigt over trin, der er involveret i pilotskaladrift af MBI's AFEX reaktor til forretreating lignocellulose biomasse fuldt integreret med effektiv ammoniak genbrug. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig1large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig2.jpg"> Figur 2. Skemaer af lab-skala af A) ammoniak leveringssystem og B) små 200 ml AFEX forbehandling reaktor udnyttes til at udføre AFEX proces, der er skitseret i video-protokollen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig2large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig3.jpg"> Figur 3. AFEX forbehandlet biomasse har en meget lignende bruttomorfologi sammenlignet med ubehandlet biomasse, bortset fra at være lidt mørkere i farven. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig3large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig4.jpg"> Figur 4. Glucose og xylose udbytter opnået efter 72 h enzymatisk hydrolyse på 6% glucan belastning AFEX behandlet majs stover er vist her. Alle saccharificeringsanalyser blev udført i to eksemplarer med gennemsnitsværdier (m) rapporteret her. Standardafvigelser (1) rapporteres her som fejllinjer. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig4large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Supplerende fil 1: Yderligere protokoller <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/Supplementary_Information.pdf" target="_blank">Klik her for at downloade denne fil.</a>
Supplerende tabel 1: Ammoniak leveringssystem og spankulere ramme <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/Supplemental_Table_1.xlsx" target="_blank">Klik her for at downloade denne fil.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Ammonia Fiber Expansion AFEX Pretreatment of Lignocellulosic Biomass at JoVE.com

Ammonia Fiber Expansion AFEX Pretreatment of Lignocellulosic Biomass

Ammoniak fiber ekspansion (AFEX) er en termokemisk forbehandling teknologi, der kan konvertere lignocellulose biomasse (f.eks majs stover, ris halm, og sukkerrør bagasse) i en meget fordøjelig råvare til både biobrændstoffer og dyrefoder applikationer. Her beskriver vi en laboratorieskalametode til gennemførelse af AFEX-forbehandling på lignocellulosebiomasse.

Ammoniak Fiber Expansion (AFEX) Forbehandling af lignocellulosebiomasse

Lignocellulosic materials are plant-derived feedstocks, such as crop residues (e.g., corn stover, rice straw, and sugar cane bagasse) and purpose-grown ...

Ammoniak fiber ekspansion forbehandling, også kendt som AFEX, er en kemisk forarbejdningsmetode, der kan bruges til at generere vedvarende brændstoffer, kemikalier, eller dyrefoder fra plantecellevægge, også kendt som lignocellulose biomasse. Mens AFEX har været anvendt på en række lignocellulosic materialer, Det er mest effektivt på græs og græs-baserede landbrugsrester. Under AFEX reagerer stærkt koncentreret ammoniumhydroxid med en biomasse for at bryde ester-forbindelser i plantecellevæggen og indføre nano til mikroskalaporerer.Dette letter enzymatisk dekonstruktion af cellevæggen polysaccharider. Slutresultatet er et plantemateriale, der lettere omdannes biokemisk til brændstoffer og kemikalier, eller som kan bruges som et meget fordøjeligt dyrefoder. AFEX har en række vigtige fordele i forhold til andre forbehandlingsprocesser.For det første har AFEX lavt vandforbrug og er ret unikt i, at det genererer et for det meste tørt materiale, der kan fortændes og let sendes. AFEX-processen producerer også minimale mængder mikrobielle hæmmere såsom furaner, hvilket gør den yderst kompatibel med mikrobielle fermenteringsprocesser. Det er også muligt at genvinde størstedelen af forbehandling kemisk ammoniak, som forbedrer processen økonomi.Pilot skala AFEX forbehandling og ammoniak nyttiggørelse er blevet påvist på et ton per dag kapacitet i MBI pilotanlæg beliggende i Lansing, Michigan. Følgende protokol beskriver de trin, der er involveret i laboratorieskaladrift af AFEX-processen. Påvisning af denne teknik vil være Jacob Aguado, en af de bachelorstuderende, der arbejder i vores forskningsgruppe.Til at begynde, først bestemme fugtindholdet i den ubehandlede biomasse ved hjælp af en fugt analysator. Afvej 25 gram biomasse og ved hjælp af en sprayflaske, justere fugtindholdet i anlægget biomasse ved hjælp af destilleret vand for at nå dit mål fugtindhold. For majs stover, er dette typisk 0,6 gram vand pr gram tør biomasse.Bland prøven i hånden. Reaktorhuset samles ved at placere en hætte og Teflonpakning på bunden af reaktorrøret. Overfør den våde biomasse til den samlede reaktorbase og læg et glasulds stik øverst på biomassen.Placer en Teflon pakning på toppen af reaktoren. Sørg for, at regionen er fri for biomasse og glasuld, som kan forhindre en effektiv forsegling og placere reaktorhovedet på toppen manøvrerende termoelement gennem glasuld og biomasse. Bolt klemmen til toppen af reaktoren ved hjælp af en skralde jævnt på begge sider.Afvej reaktoren og registrere vægten. Kontroller, at alt udstyr er tilsluttet og kan betjenes, skal timeren indstilles til den ønskede opholdstid for hver reaktor og den prøve, der skal køres. Tænd for den programmerbare sprøjtepumpe og opsæt ammoniakleveringsmetoden, og spar for nemheds skyld.Kontroller, at alle ventiler ind og ud af den lille ammoniakcylinder er lukket. Hvis cylinderen har været brugt tidligere og indeholder resta ammoniak eller nitrogen, langsomt åbne ventil A på toppen af den lille ammoniak cylinder til at forbløde eventuelle kvælstof og lukke ventilen, når flydende ammoniak begynder at sputter ud. For at fylde den lille ammoniak cylinder, åbne den store vandfri ammoniak cylinder og alle ventiler i ammoniak linje.Åbn langsomt ventil B nær toppen af den lille ammoniakcylinder, indtil trykket stabiliseres. Vent i fem minutter, før du fortsætter til næste trin. Luk alle ventiler mellem ammoniaktanken og den lille ammoniakcylinder, der arbejder fra venstre til højre fra den lille cylinderventil B og efterbehandling på hovedventilen oven på ammoniaktanken.Indstil nitrogenregulatoren til 350 psi. Åbn ventilen på nitrogencylinderen og ventilen på den vedlagte regulator. Åbn ventil C på den lille ammoniakcylinder for langsomt at tilsætte nitrogen over trykning af systemet.Juster trykket på den lille cylinder til 350 psi efter behov ved at justere indstilletpunktet på regulatoren. Hold nitrogenledninger åbne, mens ammoniak dispenseres. For reaktionstemperaturer, der er større end 100 grader Celsius, skal du forvarme biomasse og reaktor, før du tilføjer ammoniak.Sæt temperaturmonitoren til termoelementet og varmebåndet til temperaturregulatoren. Juster temperaturregulatoren manuelt for at bringe reaktoren op til 60 grader Celsius. Beregne mængden af ammoniak kræves baseret på den ønskede ammoniak belastning og en tidligere bestemt ammoniak kalibrering.Opsæt metoden i sprøjtepumpen til at indlæse den korrekte mængde ammoniak, derefter til resterende ammoniak fra linjerne mellem den lille ammoniak cylinder og sprøjten pumpen ved at åbne og lukke ventilerne i bunden af ammoniak cylinder mod udstødningen og ventilerne på sprøjten pumpelinje. Afbryd reaktoren fra temperaturmonitoren og temperaturregulatoren. Fastgør reaktoren til hurtig tilslutning.Åben ventil D mod den lille ammoniakcylinder og ventil E mod den lille ammoniakcylinder. Tryk på den grønne pil på pumpen for at starte sekvensen og trække ammoniak ind i sprøjten. Når sprøjten stopper automatisk i ventetiden, drejes sprøjteventilen mod reaktoren og reaktorens indløbsventil, så den peger mod lynstilken.Efter forsinkelsen begynder sprøjten at tilføre sig og stopper automatisk ved det indstillede punkt. Luk reaktorventilen og ventilen D.Open ventil F for at frigive resterende ammoniak fra sprøjten, luk derefter ventilen F og luk ventilen E.Open ventil D mod udstødningen, og luk den derefter, når den resterende ammoniak har forladt. Mens iført kryogene handsker, skal du fjerne reaktoren fra hurtigforbindelsen.Vær forsigtig med potentiel ammoniakspray. Start timeren for den relevante reaktor. Reaktorenheden afvejes for at kontrollere, at den passende vægt af ammoniak blev tilsat på grundlag af regnearksberegninger.Sæt temperaturmonitoren til termoelementet og varmebåndet til temperaturregulatoren. Reaktorens starttemperatur og tryk registreres efter tilsætning af ammoniak. Juster temperaturregulatoren manuelt for at bringe reaktoren op til den indstillede temperatur.Målet er at nå det indstillede punkt på mindre end fem minutter. Reaktorens tryk og temperatur registreres hvert tredje minut indtil slutningen af opholdstiden. Ved slutningen af opholdstiden skal reaktoren fra temperaturregulatoren og termoelementet afbrydes, reaktoren fjernes fra stativet og langsomt åbne kugleudløsningsventilen inde i røghætten.Bær altid et ansigtsskjold under dette trin. Efter at have ladet reaktoren køle af i et par minutter, skal du bruge en skraldenøgle til at åbne klemmerne i reaktoren. Losse biomasse og glasuld fra reaktoren, mens inde i en røghætte.For at forhindre luftbåren forurening af biomassen, da restaa ammoniak fordamper, er det bedst at tørre biomassen inde i en lukket tørrekasse inde i et ventileret rum. Hvis den stadig er åben, skal alle ventiler lukkes og forbindes til ammoniakcylinderen og alle ventiler på nitrogenledningen. Efter AFEX forbehandling, vil biomassen være mørkere i farven, men ellers visuelt uændret.AFEX genererer et meget fordøjeligt materiale på en række forskellige skalaer ud over det, der er skitseret i denne protokol. Vi forbehandlede den samme majs stover prøve ved hjælp af vores 200 milliliter pakket seng bænk skala system, en fem gallon omrørt magt reaktor og MBI's pilot reaktor, der er i stand til at behandle et ton biomasse om dagen. De betingelser, der anvendes for de to mindre reaktorer var et gram ammoniak pr gram tør biomasse, 0,6 gram vand pr gram tør biomasse i 30 minutter ved 100 grader Celsius.Pilot skala AFEX blev udført på samme materiale på samme betingelser med den undtagelse, at ammoniak belastning var 0,6 gram ammoniak pr gram tør biomasse. Prøver blev enzymatisk hydrolyseret i 72 timer ved 6% glucan belastning, pH på fem, 50 grader Celsius, og 250 rpm i en rystende inkubator. En kommerciel cocktail af enzymer blev indlæst, der bestod af 60% cellulase og 40% hemi-cellulase på 15 milligram enzymprotein pr gram glucan.Vores resultater viser, at AFEX forbehandling øger udbyttet af fermenterbart sukker betydeligt sammenlignet med ubehandlet biomasse. Desuden kan hydrolyseudbyttet på 72 timer for biomasse, der forbehandles ved hjælp af de tre processer, sammenlignes med hinanden. Efter AFEX-processen kan de forbehandlede materialer opbevares på ubestemt tid, så længe de forbliver tørre og anvendes til forskellige omdannelsesforsøg såsom højfaste stoffer enzymatisk hydrolyse og fermentering, konsolideret bioforarbejdning eller dyrefodertest.En vigtig overvejelse under gennemførelsen af AFEX centre om sikker brug af vandfri ammoniak. AFEX-forsøg bør altid udføres inden for et ventileret rum, og forskerne bør træffe passende sikkerhedsforanstaltninger for at forhindre eksponering af ammoniak og være fortrolige med, hvordan de skal reagere i tilfælde af en nødsituation. Afslutningsvis, ammoniak fiber ekspansion forbehandling er en meget lovende metode til at reducere biomasse genkrementterkreens og mere effektivt producere brændstoffer, kemikalier og dyrefoder fra vedvarende plantebaserede råvarer.

Research

JoVE Journal

Environment

Ammonia Fiber Expansion (AFEX) Pretreatment of Lignocellulosic Biomass

High-throughput Screening of Recalcitrance Variations in Lignocellulosic Biomass: Total Lignin, Lignin Monomers, and Enzymatic Sugar Release

High-throughput screening af Modstridigheden Variationer i lignocelluloseholdige biomasse: Total Lignin lignin Monomerer og enzymatisk Sugar Frigivelse

The conversion of lignocellulosic biomass to fuels, chemicals, and other commodities has been explored as one possible pathway toward reductions in the ...

Experimental Protocol for Biodiesel Production with Isolation of Alkenones as Coproducts from Commercial Isochrysis Algal Biomass

Experimental Protocol for Biodiesel Production with Isolation of Alkenones as Coproducts from Commercial Isochrysis Algal Biomass

Eksperimentel Protokol for Biodiesel Production med Isolering af Alkenones som sam-produkter fra Commercial<em&gt; Isochrysis</em&gt; Algebiomassen

The need to replace petroleum fuels with alternatives from renewable and more environmentally sustainable sources is of growing importance. ...

Use of a Battery of Chemical and Ecotoxicological Methods for the Assessment of the Efficacy of Wastewater Treatment Processes to Remove Estrogenic Potency

Anvendelse af et batteri af kemiske og økotoksikologiske metoder til vurdering af effekten af ​​spildevandsrensningen kan fjerne østrogene styrke

Endocrine Disrupting Compounds pose a substantial risk to the aquatic environment. Ethinylestradiol (EE2) and estrone (E1) have recently been included in ...

Pretreatment of Lignocellulosic Biomass with Low-cost Ionic Liquids

Forbehandling af lignocellulose biomasse med Lavprisselskaber ioniske væsker

A number of ionic liquids (ILs) with economically attractive production costs have recently received growing interest as media for the delignification of ...

Field Experiments of Pollination Ecology: The Case of Lycoris sanguinea var. sanguinea

Field Experiments of Pollination Ecology: The Case of Lycoris sanguinea var. sanguinea

Field Eksperimenter af Bestøvning Økologi: Sagen om<em&gt; Lycoris sanguinea</em&gt; Var.<em&gt; sanguinea</em

Plant-pollinator interactions have been studied for approximately one hundred years. During that time, many field methods have been developed to clarify ...

Quantification of Endogenous Auxin and Cytokinin During Internode Culture of Ipecac

Kvantificering af endogene Auxin og Cytokinin under internodium kultur af Ipecac

Adventitious shoot formation is an important technique for the propagation of economically important crops and for the regeneration of transgenic plants. ...

A Novel Method for the Pentosan Analysis Present in Jute Biomass and Its Conversion into Sugar Monomers Using Acidic Ionic Liquid

En ny metode til Pentosan analyse findes i Jute biomasse og deres omdannelse til sukker monomerer ved hjælp af sure ionisk væske

Recently, ionic liquids (ILs) are used for biomass valorization into valuable chemicals because of their remarkable properties such as thermal stability, ...

Preparation of Biomass-based Mesoporous Carbon with Higher Nitrogen-/Oxygen-chelating Adsorption for Cu(II) Through Microwave Pre-Pyrolysis

Preparation of Biomass-based Mesoporous Carbon with Higher Nitrogen-/Oxygen-chelating Adsorption for CuII Through Microwave Pre-Pyrolysis

Forberedelse af biomasse-baserede mesoporøse Carbon med højere kvælstof-/ ilt-chelaterende Adsorption til Cu(II) gennem mikrobølgeovn pre pyrolyse

An environment-friendly technique for synthesizing biomass-based mesoporous activated carbon with high nitrogen-/oxygen-chelating adsorption for Cu(II) is ...

Microalgae Cultivation and Biomass Quantification in a Bench-Scale Photobioreactor with Corrosive Flue Gases

Mikroalger dyrkning og biomasse kvantificering i en bænk skala Fotobioreaktor med ætsende røggasser

Photobioreactors are illuminated cultivation systems for experiments on phototrophic microorganisms. These systems provide a sterile environment for ...

The Effect of Construction and Demolition Waste Plastic Fractions on Wood-Polymer Composite Properties

Effekten af byggeri og nedrivning affald plastfraktioner på træ-Polymer Composite Egenskaber

Construction and demolition waste (CDW), including valuable materials such as plastics, have a remarkable influence on the waste sector. In order for ...