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

Dit materiaal is gebaseerd op werk dat gedeeltelijk wordt ondersteund door het Great Lakes Bioenergy Research Center, u.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Biological and Environmental Research under Award Numbers DE-SC0018409 en DE-FC02-07ER64494. Rebecca Ong erkent gedeeltelijke steun van Michigan Technological University (startup financiering). Shishir Chundawat erkent gedeeltelijke steun van de US National Science Foundation CBET award (1604421), ORAU Ralph E. Powe Award en Rutgers School of Engineering (Startup Funding). Bruce Dale erkent gedeeltelijke steun van Michigan State University AgBioResearch kantoor en ook de USDA National Institute of Food and Agriculture. Venkatesh Balan erkent gedeeltelijke steun van state of Texas en de Universiteit van Houston (Startup Funding). MBI-medewerkers erkennen gedeeltelijke steun van het Amerikaanse ministerie van Energie en de michigan state university foundation. Tot slot willen we dit artikel opdragen aan onze mentor en co-auteur prof. Bruce Dale voor het inspireren van ons om samen onze droom na te streven om duurzame cellulosebiobrandstoffen te maken.

1. Aanpassing van het vochtgehalte van biomassa
<ol><li>Zie de Tabel van materialen waarin alle belangrijke apparatuur en materialen die nodig zijn om bank- of labschaal AFEX-voorbehandeling uit te voeren met behulp van de op maat gemaakte buisvormige AFEX-reactor ( figuur2).</li>
	<li>Bepaal het totale vochtgehalte van biomassa met behulp van een vochtanalyzer of een oven op 105 °C gedurende 8 uur. Breng de monsters voor de ovenmethode naar een hittebestendige desiccator om af te koelen om wateradsorptie te voorkomen voordat het droogt. Voer het proces uit in tweevoud of drievoud en bereken het gemiddelde vochtgehalte.</li>
	<li>Voor een bepaalde droge biomassa belasting in de reactor (hier, het houdt 25 g), gebruik maken van het vochtgehalte bepaald in stap 1.2, om te berekenen hoeveel natte biomassa moet worden geladen. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq1.jpg">[1] Wanneer mnat = totale massa biomassa (basis van nat gewicht); mdroog = massa biomassa op basis van droog gewicht; MCTWB = biomassa vochtgehalte op basis van het totale gewicht</li>
	<li>Weeg deze hoeveelheid biomassa (mnat)af in een plastic container.</li>
	<li>Bereken hoeveel water moet worden gemengd met de natte biomassa om het gewenste vochtgehalte te bereiken. Voor maïsstover is dit meestal 0,6 g H2O per g droge biomassa. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq2.jpg">[2] Waar mwater = massa water toegevoegd aan de reactor (in aanvulling op het water in de biomassa); xwater = AFEX-waterbelasting (g:g droge biomassa)</li>
	<li>Voeg met behulp van een spuitfles deze hoeveelheid water (mwater)langzaam toe aan de biomassa die eerder was afgewogen en meng goed met de hand.</li>
</ol>2. De reactor laden en monteren
<ol><li>Monteer het reactorlichaam door een dop en Teflonpakking op de bodem van de reactorbuis te plaatsen. Bout een klem op zijn plaats, aanscherping van beide moeren gelijkmatig met behulp van een rachet.</li>
	<li>Breng de natte biomassa over naar de geassembleerde reactorbasis en plaats een stekker van glaswol aan de bovenkant van de biomassa.</li>
	<li>Plaats een Teflon pakking op de bovenkant van de reactor. Zorg ervoor dat de regio vrij is van biomassa en glaswol, die een effectieve afdichting kunnen voorkomen, en plaats de reactor kop op de top, manoeuvreren het thermokoppel door de glaswol en biomassa.</li>
	<li>Bout de klem aan de bovenkant van de reactor met behulp van een ratel gelijkmatig aan beide zijden.</li>
	<li>Weeg de reactor (mreactor)en leg het gewicht vast.</li>
</ol>3. Het reactorsysteem opzetten en de ammoniakoverdrachtscilinder vullen
<ol><li>Controleer of alle apparatuur is aangesloten en bedienbaar is (temperatuurregelaar, temperatuurmeter, spuitpomp, timers).</li>
	<li>Stel de timers in op de gewenste verblijfstijd voor elke reactor en monster die moet worden uitgevoerd.</li>
	<li>Zet in en zet, bij gebruik van een programmeerbare spuitpomp, de ammoniakleveringsmethode op de spuitpomp. Stap 1: Terugtrekking. Stap 2: Wacht 15 seconden (om tijd te laten openen en sluiten kleppen). Stap 3: Infuus (om de ammoniak in de reactor over te brengen).<ol>
<li>Sla op als de AFEX-methode om eenvoudig hergebruik mogelijk te maken.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Controleer of alle kleppen in en uit de kleine ammoniakcilinder gesloten zijn.</li>
	<li>Als de cilinder eerder is gebruikt en restammoniak/stikstof bevat, opent langzaam klep A aan de bovenkant van de kleine ammoniakcilinder om stikstof af te bloeden en de klep te sluiten zodra vloeibare ammoniak begint te sputteren.</li>
	<li>Om de kleine ammoniakcilinder te vullen, opent u de grote watervrije ammoniakcilinder en alle kleppen op de ammoniaklijn. Langzaam open klep (B) in de buurt van de bovenkant van de kleine ammoniakcilinder totdat de druk stabiliseert. Wacht 5 minuten voordat u doorgaat met de volgende stap. Ongeveer 120 mL ammoniak wordt opgeladen van de hoofdcilinder aan de overdrachtscilinder tijdens dit keer.</li>
	<li>Sluit alle kleppen tussen de ammoniaktank en de kleine ammoniakcilinder, die van links naar rechts werkt, beginnend vanaf de kleine cilinder (klep B) en afwerking bij de hoofdklep bovenop de tank.</li>
	<li>Stel de stikstofregelaar in op 350 psi. Open de klep op de stikstofcilinder en de klep op de aangesloten regelaar. Open klep C op de kleine ammoniakcilinder om langzaam stikstof toe te voegen, waardoor het systeem te veel onder druk komt te staan. Pas de druk van de kleine cilinder zo nodig aan op 350 psi door het ingestelde punt op de regelaar aan te passen. Houd stikstoflijnen open tijdens het uitdelen van ammoniak.</li>
</ol>4. Verwarm de reactor voor (voor reactietemperaturen van >100 °C)
<ol><li>Sluit de temperatuurmonitor aan op het thermokoppel en de verwarmingstape op de temperatuurregelaar.</li>
	<li>Pas de temperatuurregelaar handmatig aan om de reactor tot 60 °C te brengen.</li>
</ol>5. Laad de reactor met ammoniak
<ol><li>Zet de spuitpomp in als deze nog niet is ingeschakeld.</li>
	<li>Bereken het benodigde ammoniakvolume op basis van de gewenste ammoniakbelasting (g:g droge biomassa) en een eerder bepaalde ammoniakkalibratie. <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq3.jpg">[3] OPMERKING: Omdat de ammoniakpomp op volumebasis, bij het eerste gebruik, kalibreer om te zetten van de vereiste massa naar volume. Volg dezelfde procedure die wordt gebruikt voor AFEX, maar beëindig de run (vent de reactor) onmiddellijk na het laden van de ammoniak en het wegen van de reactor. Volg dezelfde procedure voor het lossen van de reactor.</li>
	<li>Stel de methode in om de juiste hoeveelheid ammoniak te laden:<ol>
<li>Selecteer de AFEX-methode in punt 3.3.</li>
		<li>Persstapdefinitie | Stap: 1 | Doelvolume of -tijd instellen.</li>
		<li>Toets in het volume dat vereist is in mL met behulp van het nummerpad en druk op het groene vinkje.</li>
		<li>Als er meer dan 85 mL nodig is, voert u het doelvolume in als de helft van de hoeveelheid die in de spreadsheet is opgegeven en vult u de reactor tweemaal met hetzelfde spuitvolume.</li>
		<li>Herhaal stap 5.3.2 tot en met 5.3.4 voor "Stap: 3".</li>
		<li>Druk op de terugknop.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Open klep (D) op de bodem van de kleine ammoniakcilinder naar de uitlaat, en sluit deze dan zodra eventuele resterende ammoniak is uitgekomen.</li>
	<li>Open klep (E) aan het einde van de spuitpomp naar de voorkant van de rookkap en open de klep (F) om eventuele resterende ammoniak vrij te geven. Sluit kleppen (E) en (F).</li>
	<li>Koppel de reactor los van de temperatuurmonitor en de temperatuurregelaar. Bevestig de reactor aan de snelle verbinding.</li>
	<li>Open klep (D) naar de kleine ammoniakcilinder en open klep (E) naar de kleine ammoniakcilinder.</li>
	<li>Druk op de groene pijl op de pomp om de sequentie te starten en ammoniak in de spuit te trekken.</li>
	<li>Wanneer de spuit automatisch stopt voor de wachttijd, zet de spuitklep (E) naar de reactor, en de reactor inlaatklep, zodat het wijst naar de snelle connect steel. Na de vertraging begint de spuit te inbrengen en stopt automatisch op het ingestelde punt.</li>
	<li>Als meer dan 85 mL ammoniak nodig is, herhaal dan stap 5.7 tot en met 5.9.</li>
	<li>Sluit de reactorklep en klep (D). Open klep (F) om resterende ammoniak vrij te geven uit de spuit, en sluit vervolgens klep (F) en sluit klep (E).</li>
	<li>Open klep (D) naar de uitlaat, en sluit deze zodra de resterende ammoniak is vertrokken.</li>
	<li>Met cryogene handschoenen, verwijder de reactor uit de snelle verbinding. Wees voorzichtig met mogelijke ammoniakspray. Gebruik de olifant stam vent lijn om de vrijgekomen ammoniak vent, indien nodig.</li>
	<li>Start de timer voor de juiste reactor.</li>
	<li>Weeg de reactoreenheid af om te controleren of het juiste gewicht ammoniak is toegevoegd op basis van de spreadsheetberekeningen.</li>
</ol>6. Begin met verwarmen en controleer de reactie
<ol><li>Sluit de temperatuurmonitor aan op het thermokoppel en de verwarmingstape op de temperatuurregelaar.</li>
	<li>Noteer de initiële temperatuur en druk van de reactor na ammoniaktoevoeging (het begin van de verblijfstijd).</li>
	<li>Pas de temperatuurregelaar handmatig aan om de reactor op de ingestelde temperatuur te brengen. Het doel is om het ingestelde punt te bereiken in <5 min.</li>
	<li>Noteer de druk en temperatuur van de reactor om de 3 minuten tot het einde van de verblijfstijd.</li>
	<li>Aan het einde van de verblijfstijd koppelt u de reactor los van de temperatuurregelaar en het thermokoppel, verwijdert u de reactor van de standaard en opent u langzaam de klep van de kogellosklep in de rookkap. LET OP: Draag altijd een gezichtsschild tijdens deze stap.</li>
</ol>7.
<ol><li>Gebruik, gebruik een ratelsleutel om de klemmen op de reactor te openen nadat u de reactor enkele minuten hebt laten afkoelen.</li>
	<li>Los de biomassa en glaswol uit de reactor in een rookkap. Om besmetting in de lucht van de biomassa te voorkomen als restammoniak verdampt, is het het beste om te drogen in een afgesloten droogbox in een geventileerde ruimte.</li>
	<li>Maak de reactor schoon met gedestilleerd water tot het water helder is en laat reactoren drogen.</li>
	<li>Als u nog open bent, sluit dan alle kleppen op en sluit deze aan op de ammoniakcilinder.</li>
	<li>Sluit alle kleppen op stikstoflijn.</li>
	<li>Schakel de temperatuurregelaar, temperatuurmonitor, balans, spuitpomp en timer uit. LET OP: Als u van plan bent om meer reacties uit te voeren, is het niet nodig om de kleine ammoniakcilinder te ventileren. Echter, als er geen plan om meer experimenten uit te voeren, voor de veiligheid is het het beste om de kleine cilinder vent in de motorkap aan het einde van het experiment. Bij het doen van dit, is het belangrijk om de kleppen open te laten als het vrijkomen van ammoniak kan leiden tot ijsvorming die sommige lijnen kan blokkeren. Als de lijnen ontdooien, kan extra ammoniak vrijkomen. Zorg er altijd voor dat de ventilatie functioneert terwijl het systeem kan ventileren. Elke met ammoniak behandelde biomassa, zelfs als het niet bedoeld is om te worden gebruikt, moet 's nachts in de rookkap worden gedroogd om restammoniak te laten verdampen. Het kan niet onmiddellijk worden weggegooid in het afval.</li>
</ol>

Verschillende auteurs (namelijk Shishir P S Chundawat, Tim Campbell, Farzaneh Teymouri, Leonardo Sousa, Bruce E Dale, Venkatesh Balan) zijn uitvinders / mede-uitvinders op meerdere octrooien ingediend op ammoniak voorbehandeling en reactor ontwerp op MSU / MBI.

Het AFEX-protocol beschrijft hoe plantaardige materialen kunnen worden verwerkt in aanwezigheid van watervrije ammoniak en water bij verhoogde temperaturen om de verteerbaarheid van het voorbehandelingsmateriaal te verhogen door cellulolytische enzymen en/of microben. AFEX is zeer effectief op graminoïde monocotsoorten (bijvoorbeeld maïsstover, switchgrass, miscanthus, rijststro, tarwestro en suikerriet bagasse) vanwege de efficiëntie van het proces om esterverbindingen te splijten die van nature overvloedig aanwezig zijn in deze materialen31. AFEX is veel minder effectief op biomassa afkomstig van dicots en gymnospermen (hardhout, zachthout en inheemse forbs)32,33 vanwege het kleinere aandeel van lignine-koolhydraat gebaseerde ester linkages. Wanneer deze koppelingen echter met behulp van plantaardige biotechnologie in houtachtige celwanden worden geïntroduceerd, wordt het AFEX-voorbehandelingsproces veel effectiever34.
Met het decolleté van esterverbindingen kunnen bepaalde biomassacomponenten uit het materiaal worden verwijderd, maar opnieuw worden afgezet als extractives op de oppervlakken van de buitenste celwand, wat resulteert in de vorming van nanoschaalgaten die penetratie en werking van de cellulolytische enzymen vergemakkelijken6. AFEX voorbehandelde maïsstover toonde een ongeveer 3-voudige toename van glucose en xylose afgifte snelheid na enzymatische hydrolyse onder hoge vaste stoffen voorwaarden in vergelijking met het onbehandelde materiaal. Ammoniakvoorbehandelingen produceren ook minder en veel minder remmende afbraakproducten in vergelijking met verdunde zuurvoorbehandeling35. Uit een eerdere vergelijking van AFEX en verdunde met zuur behandelde maïsstover bleek dat verdunde zuurvoorbehandeling 316% meer zuren produceert, 142% meer aromaten en 3,555% meer furan aldehyden dan AFEX36, die allemaal remmend kunnen zijn voor micro-organismen35,37. Aangezien AFEX een droog-to-droog proces is, is er ook geen verlies van suikers als een verdunde vloeibare stroom die economisch niet kan worden gebruikt tijdens enzymatische hydrolyse. Dit leidt echter tot complicaties als enzymen met zowel cellulose-vernederende en hemicellulose-vernederende vermogen nodig zijn om volledig af te breken de celwand polysachariden tijdens enzymatische hydrolyse in gemengde fermenteerbare suikers zoals glucose en xylose. Hemicellulosische oligomeren zijn gemeld aan cellulase activiteitremmen 38, die een hogere enzymbelasting nodig zou kunnen maken om een hoge uiteindelijke suikeropbrengst te behouden. Optimalisatie van geschikte enzymcocktails kan echter het algehele enzymgebruik tijdens saccharification van AFEX voorbehandelde biomassaverminderen 39,40,41,42,43,44,45. Tijdens het AFEX-voorbehandelingsproces leidt de hydrolyse en ammonolyse van esterverbindingen tot de vorming van zuur- en amideproducten in de voorbehandelde biomassa (bijvoorbeeld azijnzuur/paracetamol, ferulic zuur/ferulamide, coumariczuur/coumarylamide)36. Hoewel de vorming van amides is aangetoond dat het fermentatieproces te helpen, hun aanwezigheid bij zeer hoge concentraties in voorbehandelde grondstoffen kan een punt van zorg zijn als het voeden van dieren voorbehandelde bioma's. Pre-hydrolyse van esterverbindingen met alkali zoals NaOH of Ca(OH)2 voorafgaand aan AFEX-voorbehandeling kan worden gebruikt om het probleem aan te pakken.
Er zijn een aantal veiligheidsoverwegingen om in gedachten te houden bij het werken met watervrije ammoniak tijdens het AFEX-proces. Watervrije ammoniak reageert met koper, messing, aluminium, koolstofstaal en gemeenschappelijke fluoroelastomerpolymeren die worden gebruikt in afdichtingen (bijvoorbeeld Viton, enz.). Alle buizen of reactorcomponenten die in contact kunnen komen met ammoniak moeten worden gemaakt van roestvrij staal, en pakkingen, klepstoelen en snelaansluitafdichtingen moeten worden gemaakt van Teflon of Kalrez indien mogelijk. Ammoniak wordt niet beschouwd als een giftige chemische stof, maar het is nog steeds gevaarlijk vanwege de hygroscopische en cryogene eigenschappen. Het richt zich gemakkelijk en kan ernstige schade aan slijmvliezen in de ogen en luchtwegen. Ammoniak is een cryogene vloeistof en ammoniaklekken kunnen ernstige bevriezing veroorzaken als gevolg van direct contact met de gasstroom of gekoelde apparatuur. Ammoniak is onmiddellijk gevaarlijk voor leven en gezondheid (IDLH) bij concentraties boven de 300 ppm. Werknemers moeten onmiddellijk evacueren in het geval de concentratie meer dan 50 ppm bedraagt. Het wordt aanbevolen dat de exploitanten een gekalibreerde ammoniakmonitor dragen om te waarschuwen voor gevaarlijke concentraties in hun omgeving. Het installeren van sensoren met alarmen in het hoofdwerkgebied is ook aan te raden. Werknemers die met ammoniak omgaan, moeten goed worden opgeleid en beschermende kleding dragen, zoals vluchtmaskers die zijn uitgerust met methylaminepatronen en cryogene en warmtebeschermende handschoenen, en bereid zijn om noodsituaties te behandelen. In geval van blootstelling aan watervrije ammoniak moet de bediener in veiligheid worden gebracht en het getroffen gebied onmiddellijk gedurende ten minste 15 min met water spoelen. Het ammoniakvoorbehandelingsproces moet worden uitgevoerd in een rookkap, en de ammoniakcilinder moet ofwel worden opgeslagen in een rookkap of geventileerde kast. Na het experiment zal voorbehandelde biomassa wat restvrije ammoniak hebben en 's nachts in de kap worden gedroogd of in een op maat geventileerde droogbox worden opgeslagen voordat het in plastic zakken bij kamertemperatuur wordt opgeslagen voor vervolgexperimenten. Enkele andere belangrijke veiligheidsoverwegingen zijn het installeren van een ammoniakleveringssysteem met een stroommeter die zal helpen om ammoniak nauwkeurig aan de reactor te leveren en een reactor die is ontworpen om ten minste 1,5 keer de druk te verwerken die het voorbehandelingsproces zal ondergaan (bijvoorbeeld voor het hanteren van het AFEX-proces bij 2 x 106 Pa-druk, moet de minimale drukvan de reactor 3 x 106 Pa zijn).
AFEX-voorbehandeling is een veelbelovende methode om goed verteerbare plantaardige biomassa te produceren die direct kan worden gebruikt als diervoeder of als grondstof voor het genereren van brandstoffen en chemicaliën. Naast deze twee industrieën kan AFEX gebruik maken op andere gebieden, zoals een bio-hernieuwbare grondstof voor het maken van biomaterialen, of als grondstof voor de productie van biogas. Het proces op laboratoriumschaal kan worden uitgevoerd in een laboratorium dat is uitgerust met de juiste geventileerde ruimte en veiligheidsmaatregelen, en ons huidige werk bevestigt dat dit verkleinde AFEX-proces vergelijkbare resultaten vertoont als materiaal dat wordt gegenereerd in een opgeschaalde en/of pilotAFEX-reactor. Het afex-proces op labschaal kan worden gebruikt om grondstoffen, verwerkingsomstandigheden en toepassingen op een hogere doorvoermanier te testen, terwijl het een redelijke verwachting biedt van hoe het proces zou presteren op pilot- of industriële schalen.

Ammoniak vezel expansie (AFEX) is een thermochemische voorbehandeling die vluchtige ammoniak gebruikt als de belangrijkste reactant voor cellulose biomassa voorbehandeling. Dit proces werd oorspronkelijk uitgevonden door Bruce Dale om de recalcitie van lignocellulosische biomassa kosteneffectief te verminderen en biologisch gekatalyseerd voorbehandelde biomassadeconstructie te verbeteren tot fermenteerbare suikers1,2. In tegenstelling tot de meeste andere op wateren gebaseerde thermochemische voorbehandelingen3,is AFEX een droog-to-droog proces dat geen significante verandering in biomassasamenstelling veroorzaakt en geen wasstap met zijn bijbehorende afvalgeneratie en kosten vereist. De terugwinning van overtollige vluchtige ammoniak is op proefschaal aangetoond, wat resulteert in lagere kosten voor de productie en verwerking van afval. Het door MBI(figuur 1)ontwikkelde pilot-scale verpakt bed-AFEX-reactorsysteem recupereert restammoniak met behulp van stoomstrippen en brengt de hete, geconcentreerde ammoniak over naar een nieuw verpakt bed4,5. Na de voorbehandeling van AFEX zijn de kleine hoeveelheden stikstof die in de biomassa zijn verwerkt, bruikbaar als niet-eiwitstikstof door herkauwers en micro-organismen. Bovendien verhoogt AFEX door de biomassaultrastructuur te veranderen door middel van verschillende fysisch-chemische mechanismen6,7,8, 8 , waardoor de toegankelijkheid van de biomassa tot koolhydraatactieve enzymen (CAZymes) toeneemt en de percentages polysachariden hydrolyse met meerdere malen verhogen8,9, wat ook de verteerbaarheid door herkauwers via hun cellulolytische microbioom verhoogt4,10,11,12. Boeren hebben lang gebruik gemaakt van een eenvoudigere versie van deze methode om de verteerbaarheid van herkauwers te verhogen door de biomassa dagen of weken uit te broeden onder plastic dekzeilen in aanwezigheid van lage watervrije ammoniakbelastingen (<4% w/w basis van droge biomassa) en omgevingsdruk en temperaturen10,11.
Watervrije ammoniak werd voor het eerst onderzocht op het potentieel om hout te delignificeren in de jaren 1950 en als pulpstof in de vroege jaren 197013,14,15,16,17,18. In het begin van de jaren tachtig werd onder subkritische omstandigheden voor het4eerst gebruik gemaakt van de enzymatische verteerbaarheid en microbiële vergisting van lignocellulosische biomassa19. Dit proces onderging verschillende naamswijzigingen door de jaren heen, te beginnen als ammoniak bevriezen explosie, en vervolgens ammoniak vezel explosie, en ten slotte, ammoniak vezel expansie, of gewoon AFEX. Rond deze zelfde tijd (midden jaren '80) onderzocht DuPont (nu Dow-DuPont) ook gebruikend supercritical en bijna-kritieke anhydrous ammoniak gebaseerde voorbehandelingsprocessen om verteerbaarheid van biomassa20,21,22te verhogen. In de afgelopen decennia is er meer nadruk op het gebruik van verdunde waterige ammoniak oplossingen als een pretreatment reagens met inbegrip van ammoniak recyclen / percolation23 (ARP), weken in waterige ammoniak (SAA), of de Dow-DuPont proces zonder ammoniak recyclen24. Een paar extra methoden hebben gekeken naar het gebruik van watervrije ammoniak (laag vochtvrije ammoniak (LMAA), en laag-vloeibare ammoniak voorbehandeling25 (LAA). twee nieuwe geavanceerde organosolv-type pretreatment technologieën met behulp van vloeibare watervrije ammoniak26,27 en ammoniak-zout gebaseerde oplossingen28 bij hoge vloeistof tot vaste ladingen werden onlangs ontwikkeld die selectieve lignine fractionatie en hoge efficiëntie enzymatische hydrolyse van voorbehandelde cellulose biomassa bij ultra-lage enzymbelastingen mogelijk te maken. Een recent overzichtsartikel heeft de overeenkomsten en de duidelijke verschillen tussen diverse vormen van ammoniak-gebaseerde voorbehandelingen29benadrukt. Tot voor kort waren er echter4, er waren geen proefschaaldemonstraties van ammoniakgebaseerde voorbehandelingsprocessen (zoals AFEX) die efficiënt werden gekoppeld aan kringloopchemische recycling van geconcentreerde ammoniak die in het proces werd gebruikt.
In dit artikel beschrijven we in detail het meest gebruikte AFEX-protocol voor het voorbehandelen van cellulosebiomassa op labschaal om gramschalen van voorbehandelde biomassa te produceren (bijvoorbeeld 1 tot enkele 100 g). Biomassa wordt meestal gemengd met water (0,1-2,0 g H2O/g droge biomassa) en geladen in een op maat gemaakte roestvrijstalen buisvormige of Parr-reactoren. Vervolgens wordt watervrije ammoniak (0,3-2,0 g NH3/g droge biomassa) aan de reactor toegevoegd en wordt het mengsel verwarmd tot de gewenste reactietemperatuur (60-180 °C). Eerdere publicaties over het AFEX-proces uit de jaren tachtig-1990 begonnen direct na de temperatuuropgang met de verblijfstijd voor de voorbehandeling (bijvoorbeeld 5-60 min). Echter, als de reacties optreden zodra de ammoniak wordt toegevoegd aan de reactor, de huidige AFEX procedure is om te beginnen met het toezicht op de woonplaats tijd onmiddellijk na ammoniak toevoeging aan de reactor. Voor temperaturen van 90 °C of hoger is het vaak noodzakelijk om de biomassa voor te verwarmen voordat de ammoniak wordt geladen om de initiële temperatuur op een minimale periode (d.w.z. <5 min) te houden. Bij de voltooiing van de verblijfstijd wordt een klep geopend om de druk en de gasfase-inhoud snel los te laten in een geschikte chemische rookkap. De snelle omzetting van ammoniak van vloeistof naar gasfase zorgt er ook voor dat de reactor afkoelt. Kleine reactoren (het reactorvolume van 100 mL) kunnen vaak onmiddellijk in de rookkap worden gelost, terwijl grotere reactoren (>100 mL reactorvolume) mogelijk extra tijd nodig hebben om af te koelen. Voor de veiligheid van de gebruiker wordt op grotere schaal (>100 g ammoniak per reactorrun) aanbevolen om zoveel mogelijk resterende ammoniak uit het vat te verwijderen en te helpen bij het koelen van de reactorinhoud voor het lossen. Meestal wordt er op labschaal niet geprobeerd om de ammoniak te recyclen en/of terug te winnen. Een van de belangrijkste ontwerpuitdagingen voor het opschalen van het AFEX-voorbehandelingsproces is het recyclen van ammoniak met minimale kapitaal- en bedrijfskosten. Ook het toevoegen van vloeibare ammoniak aan biomassa over het algemeen drijft gedeeltelijke knipperen van de vloeistof die de biomassa koelt, die verwarming van de biomassa-ammoniak mengsel voordat AFEX behandeling kan beginnen. In plaats van ammoniak toe te voegen als vloeistof, biedt het toevoegen van ammoniakdamp aan biomassa twee voordelen: Ten eerste maakt de hoge poreusheid van bulkbiomassa het mogelijk om ammoniakdamp snel te vervoeren, wat resulteert in een gelijkmatige ammoniakverdeling in de biomassa. Ten tweede lost ammoniakdamp gemakkelijk en exotherm op in het water dat is getraind in vochtige biomassa, wat resulteert in warmteopwekking die de biomassa snel en gelijkmatig verwarmt. Om deze voordelen te benutten, hebben zowel het MSU Dale-lab als MBI AFEX-behandelingsmethoden ontwikkeld met behulp van ammoniakdamp. Het Dale lab heeft het Gaseous Ammonia Pretreatment (GAP) proces30ontwikkeld , en MBI heeft het verpakte bed AFEX reactorproces (Figuur 1)4ontwikkeld, wat is aangetoond op de pilot schaal. Het verpakte bed AFEX-reactorsysteem is geschikt voor semi-batch-modus met volledige recycling van ammoniak met behulp van een stoomstripmethode4,5. Dit nieuwe MBI-proefschaalproces maakt gebruik van de chemische en fysische eigenschappen van ammoniak om biomassa efficiënt voor te behandelen en tegelijkertijd de ammoniak efficiënt te recyclen.
Hier presenteren we een gedetailleerd overzicht voor het uitvoeren van AFEX pretreatment van maïs stover op de lab-schaal met behulp van op maat gemaakte 200 mL volume buisvormige reactoren (Figuur 2). De AFEX voorbehandelde monsters werden verteerd tot fermenteerbare suikers met behulp van commercieel beschikbare cellulolytische enzymcocktails om de werkzaamheid van de voorbehandelingsprocessen aan te tonen. De enzymatische hydrolyseresultaten voor de afex-reactor op labschaal werden vergeleken met grotere door afex-reactorgegenereerde monsters op proefschaal. Ons doel is om een standaard operationele procedure voor de veilige en consistente werking van lab-schaal onder druk reactoren voor het uitvoeren van AFEX voorbehandeling op cellulose biomassa zoals maïs stover. Aanvullende ondersteunende informatie over variaties in dit lab-schaal AFEX voorbehandelingsproces (bijvoorbeeld pilot-scale verpakt bed AFEX proces) worden verder belicht in het bijbehorende aanvullende pdf-bestand. Een gedetailleerd rapport over het verpakte bed AFEX proces operationele stappen zal worden benadrukt in een aparte publicatie en is beschikbaar op verzoek van 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

Lignocellulosische materialen zijn plantaardige grondstoffen, zoals gewasresten (bijvoorbeeld maïsstover, rijststro en suikerrietbagasse) en speciaal geteelde energiegewassen (bijvoorbeeld miscanthus en switchgrass) die in grote hoeveelheden beschikbaar zijn voor de productie van biobrandstoffen, biochemicaliën en diervoeders. Plant polysachariden (d.w.z. cellulose, hemicellulose en pectine) ingebed in celwanden zijn zeer recalcitrant naar omzetting in nuttige producten. Ammoniak vezel expansie (AFEX) is een thermochemische voorbehandeling die de toegankelijkheid van polysachariden tot enzymen voor hydrolyse in fermenteerbare suikers verhoogt. Deze vrijgekomen suikers kunnen in een bioraffinaderij worden omgezet in brandstoffen en chemicaliën. Hier beschrijven we een laboratorium-schaal batch AFEX proces om voorbehandelde biomassa te produceren op de gram-schaal zonder ammoniak recycling. Het proces op laboratoriumschaal kan worden gebruikt om optimale voorbehandelingsomstandigheden te identificeren (bijvoorbeeld ammoniakbelasting, waterbelasting, biomassabelasting, temperatuur, druk, verblijfstijd, enz.) en genereert voldoende hoeveelheden voorbehandelde monsters voor gedetailleerde fysisch-chemische karakterisering en enzymatische/microbiële analyse. De opbrengst van fermenteerbare suikers uit enzymatische hydrolyse van maïsstover voorbehandeld met behulp van het afex-proces op laboratoriumschaal is vergelijkbaar met het AFEX-proces op proefschaal onder vergelijkbare voorbehandelingsomstandigheden. Dit document is bedoeld om een gedetailleerde standaardwerkwijze te bieden voor de veilige en consistente werking van laboratoriumreactoren voor het uitvoeren van AFEX-voorbehandeling van lignocellulosische biomassa.

Na AFEX-voorbehandeling is de biomassa donkerder van kleur, maar verder visueel ongewijzigd(figuur 3). AFEX proces genereert een zeer verteerbaar materiaal op verschillende schalen naast de ene beschreven in dit protocol. Hier hebben we hetzelfde maïsstovermonster voorbehandeld in ons kleine 200 mL, verpakt bed, bankweegschaalsysteem; een grotere 5 gallon, geroerde Parr reactor; en de proefreactor van MBI. De voorwaarden voor de twee kleinere reactoren (d.w.z. 200 mL en 5 gallon schaal) waren 1,0 g NH3:g droge biomassa, 0,6 g H2O:g droge biomassa, gedurende 30 min bij 100 ± 5 °C. Proefschaal AFEX4 werd uitgevoerd op hetzelfde materiaal bij 0,6 g NH3:g droge biomassa, 0,6 g H2O:g droge biomassa, gedurende 30 min bij 100 ± 5 °C. Details over de protocollen die worden gebruikt voor het uitvoeren van AFEX-voorbehandeling op grotere schalen zijn opgenomen in de ondersteunende informatie (zie Aanvullend Dossier 1). De volgende 'Kwaliteitscontrolecriteria' zijn vastgesteld op basis van de doeltemperatuur voor AFEX-voorbehandeling. Als na het bereiken van het ingestelde punt de reactortemperatuur vanaf het ingestelde punt naar buiten ± 10 °C gaat, moet het experiment worden afgebroken. Als de doeltemperatuur (binnen 5 °C) na ammoniakpompen niet binnen 5 min wordt bereikt, moet u het experiment afbreken. Bovendien kan de werkzaamheid van de voorbehandeling voor het AFEX-proces worden getest met behulp van cellulolytische enzymcocktails om de toegankelijke polysachariden te hydrolyseren tot fermenteerbare suikers. Monsters werden enzymatically hydrolyzed gedurende 72 uur bij 6% glucan laden, pH 5.0, 50 °C, en 250 rpm in een schudden incubator. Een commerciële cocktail van enzymen bestaande uit 60% cellulase (CTec3):40% hemicellulase (HTec3 of NS22246) op een vaste totale eiwitbelastingbasis geladen bij 15 mg enzym/g glucan werd gebruikt voor alle saccharificatietests. De resultaten (figuur 4) tonen aan dat AFEX-voorbehandeling de opbrengst van fermenteerbare suikers in alle gevallen aanzienlijk verhoogt. Bovendien is de opbrengst van cellulose/xylan hydrolyse voor biomassa voorbehandeld met behulp van het afex-proces op labschaal vergelijkbaar met de grotere 5-gallon Parr-reactor en het loodsgevulde bed AFEX-proces van MBI.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig1.jpg"> Figuur 1. Schematische schets van stappen die betrokken zijn bij de proefschaalwerking van de AFEX-reactor van MBI voor de voorbehandeling van lignocellulosische biomassa die volledig is geïntegreerd met efficiënte ammoniakrecycling. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig2.jpg"> Figuur 2. Schema's van lab-schaal van A) ammoniak leveringssysteem en B) kleine 200 mL AFEX voorbehandelingsreactor gebruikt om AFEX proces geschetst in het videoprotocol uit te voeren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig3.jpg"> Figuur 3. AFEX voorbehandelde biomassa heeft een zeer vergelijkbare bruto morfologie in vergelijking met onbehandelde biomassa, afgezien van het feit dat iets donkerder van kleur. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig4.jpg"> Figuur 4. Glucose en xylose opbrengsten verkregen na 72 h enzymatische hydrolyse van 6% glucan laden AFEX behandelde maïs stover wordt hier getoond. Alle saccharification tests werden uitgevoerd in tweevoud met gemiddelde waarden (m) hier gemeld. Standaardafwijkingen (1s) worden hier gerapporteerd als foutbalken. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
Aanvullend bestand 1: Aanvullende protocollen <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/Supplementary_Information.pdf" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullende tabel 1: Ammoniak leveringssysteem en strut frame <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/Supplemental_Table_1.xlsx" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</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

Ammoniakvezelexpansie (AFEX) is een thermochemische voorbehandelingstechnologie die lignocellulosische biomassa (bijvoorbeeld maïsstover, rijststro en suikerrietbagasse) kan omzetten in een zeer verteerbare grondstof voor zowel biobrandstoffen als toepassingen voor diervoeding. Hier beschrijven we een laboratoriummethode voor het uitvoeren van AFEX-voorbehandeling op lignocellulosische biomassa.

Ammoniak Fiber Expansion (AFEX) Voorbehandeling van Lignocellulosic Biomassa

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

Ammoniak vezel expansie pretreatment, ook bekend als AFEX, is een chemische verwerkingsmethode die kan worden gebruikt om hernieuwbare brandstoffen, chemicaliën, of diervoeder te genereren uit plantencelwanden, ook bekend als lignocellulosic biomassa. Hoewel AFEX is gebruikt op een verscheidenheid van lignocellulose materialen, het is het meest effectief op grassen en gras gebaseerde landbouwresten. Tijdens AFEX reageert sterk geconcentreerd ammoniumhydroxide met een biomassa om esterkoppelingen in de plantencelwand te breken en nano in microschaalporiën te introduceren.Dit vergemakkelijkt enzymatische deconstructie van de celwand polysaccharides. Het eindresultaat is een plantaardig materiaal dat gemakkelijker biochemisch wordt omgezet in brandstoffen en chemicaliën of dat kan worden gebruikt als een zeer verteerbaar diervoeder. AFEX heeft een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van andere voorbehandelingsprocessen.Ten eerste, AFEX heeft een laag waterverbruik en is vrij uniek in dat het genereert een meestal droog materiaal dat kan worden verdicht en gemakkelijk verzonden. Het AFEX-proces produceert ook minimale hoeveelheden microbiële remmers zoals furanen, waardoor het zeer compatibel is met microbiële fermentatieprocessen. Het is ook mogelijk om het grootste deel van de voorbehandeling chemische ammoniak die de proceseconomie verbetert terug te vorderen.Pilot schaal AFEX voorbehandeling en ammoniak terugwinning is aangetoond op een ton per dag capaciteit in de MBI pilot fabriek in Lansing, Michigan. Het volgende protocol beschrijft de stappen die betrokken zijn bij de laboratoriumoperatie van het AFEX-proces. Het aantonen van deze techniek zal Jacob Aguado, een van de undergraduate studenten die werkzaam zijn in onze onderzoeksgroep.Om te beginnen, eerst bepalen van het vochtgehalte van de onbehandelde biomassa met behulp van een vocht analyzer. Weeg 25 gram biomassa af en pas met behulp van een spuitfles het vochtgehalte van de biomassa van de plant aan met gedestilleerd water om het vochtgehalte van uw beoogde doelgroep te bereiken. Voor maïs stover, dit is meestal 0,6 gram water per gram droge biomassa.Meng het monster met de hand. Monteer de reactorbody door een dop en Teflon pakking op de bodem van de reactorbuis te plaatsen. Breng de natte biomassa over naar de geassembleerde reactorbasis en plaats een stekker glaswol aan de bovenkant van de biomassa.Plaats een Teflon pakking op de bovenkant van de reactor. Zorg ervoor dat de regio vrij is van biomassa en glaswol die een effectieve afdichting kunnen voorkomen en plaats de reactorkop bovenop het thermokoppel door de glaswol en biomassa. Bout de klem aan de bovenkant van de reactor met behulp van een ratel gelijkmatig aan beide zijden.Weeg de reactor af en leg het gewicht vast. Controleer of alle apparatuur is aangesloten en te kunnen worden, stel de timer in op de gewenste verblijfstijd voor elke reactor en het monster dat moet worden uitgevoerd. Zet de programmeerbare spuitpomp aan en stel de ammoniakleveringsmethode in en bespaar voor het gemak.Controleer of alle kleppen in en uit de kleine ammoniakcilinder gesloten zijn. Als de cilinder eerder is gebruikt en rest ammoniak of stikstof bevat, langzaam open klep A op de bovenkant van de kleine ammoniak cilinder te bloeden uit eventuele stikstof en sluit de klep zodra vloeibare ammoniak begint te sputteren uit. Om de kleine ammoniakcilinder te vullen, opent u de grote watervrije ammoniakcilinder en alle kleppen in de ammoniakleiding.Langzaam open klep B in de buurt van de bovenkant van de kleine ammoniakcilinder totdat de druk stabiliseert. Wacht vijf minuten voordat u doorgaat naar de volgende stap. Sluit alle kleppen tussen de ammoniaktank en de kleine ammoniakcilinder die van links naar rechts werkt vanaf de kleine cilinderklep B en afwerking bij de hoofdklep bovenop de ammoniaktank.Stel de stikstofregelaar in op 350 psi. Open de klep op de stikstofcilinder en de klep op de aangesloten regelaar. Open klep C op de kleine ammoniakcilinder om langzaam stikstof toe te voegen over het onder druk zetten van het systeem.Pas de druk van de kleine cilinder zo nodig aan op 350 psi door het ingestelde punt op de regelaar aan te passen. Houd stikstoflijnen open tijdens het uitdelen van ammoniak. Voor reactietemperaturen die hoger zijn dan 100 graden Celsius, moet u de biomassa en reactor voorverwarmen voordat u de ammoniak toevoegt.Sluit de temperatuurmonitor aan op het thermokoppel en de verwarmingstape op de temperatuurregelaar. Stel de temperatuurregelaar handmatig aan om de reactor tot 60 graden Celsius te brengen. Bereken het benodigde ammoniakvolume op basis van de gewenste ammoniakbelasting en een eerder bepaalde ammoniakkalibratie.Stel de methode in de spuitpomp in om de juiste hoeveelheid ammoniak te laden, dan naar rest ammoniak van de lijnen tussen de kleine ammoniakcilinder en de spuitpomp door de kleppen op de bodem van de ammoniakcilinder te openen en te sluiten naar de uitlaat en de kleppen op de spuitpomplijn. Koppel de reactor los aan de temperatuurmonitor en de temperatuurregelaar. Bevestig de reactor aan de snelle verbinding.Open klep D richting de kleine ammoniakcilinder en klep E richting de kleine ammoniakcilinder. Druk op de groene pijl op de pomp om de volgorde te starten en ammoniak in de spuit te trekken. Wanneer de spuit automatisch stopt voor de wachttijd, draait u de spuitklep naar de reactor en de reactorinlaatklep, zodat deze naar de snelbandsamer wijst.Na de vertraging begint de spuit te spuiten en stopt deze automatisch op het ingestelde punt. Sluit de reactorklep en klep D.Open klep F om rest ammoniak vrij te geven uit de spuit, sluit dan klep F en sluit klep E.Open klep D naar de uitlaat, sluit deze zodra de resterende ammoniak is vertrokken. Verwijder tijdens het dragen van cryogene handschoenen de reactor uit de snel connect.Wees voorzichtig met mogelijke ammoniakspray. Start de timer voor de juiste reactor. Weeg de reactoreenheid af om te controleren of het juiste gewicht van ammoniak is toegevoegd op basis van spreadsheetberekeningen.Sluit de temperatuurmonitor aan op het thermokoppel en de verwarmingstape op de temperatuurregelaar. Nota van de initiële temperatuur en druk van de reactor na toevoeging van ammoniak. Pas de temperatuurregelaar handmatig aan om de reactor op de ingestelde temperatuur te brengen.Het doel is om het ingestelde punt te bereiken in minder dan vijf minuten. Nota van de druk en temperatuur van de reactor om de drie minuten tot het einde van de verblijfstijd. Los aan het einde van de verblijfstijd de reactor los van de temperatuurregelaar en het thermokoppel, verwijder de reactor van de standaard en open de kogelklep langzaam in de rookkap.Draag altijd een gezichtsschild tijdens deze stap. Nadat u de reactor enkele minuten heeft laten afkoelen, gebruikt u een ratelsleutel om de klemmen in de reactor te openen. Ontlaad de biomassa en glaswol uit de reactor terwijl in een rookkap.Om luchtverontreiniging van de biomassa te voorkomen als rest ammoniak verdampt, is het het beste om de biomassa te drogen in een gesloten droogbox in een geventileerde ruimte. Indien nog open, sluit alle kleppen op en aansluiten op de ammoniak cilinder en alle kleppen op de stikstoflijn. Na afex voorbehandeling, zal de biomassa donkerder van kleur, maar anders visueel ongewijzigd.AFEX genereert een zeer verteerbaar materiaal op verschillende schalen naast het in dit protocol beschreven materiaal. We hebben hetzelfde maïsstovermonster voorbehandeld met behulp van ons 200 milliliter verpakte bedbankschaalsysteem, een vijf liter geroerde energiereactor en MBI's proefreactor die in staat is om een ton biomassa per dag te verwerken. De omstandigheden die voor de twee kleinere reactoren werden gebruikt waren een gram ammoniak per gram droge biomassa, 0,6 gram water per gram droge biomassa gedurende 30 minuten bij 100 graden Celsius.Proefschaal AFEX werd uitgevoerd op hetzelfde materiaal onder dezelfde omstandigheden, met uitzondering van dat de ammoniakbelasting 0,6 gram ammoniak per gram droge biomassa bedroeg. Monsters werden enzymatisch gehydrolyseerd gedurende 72 uur bij 6%glucan laden, pH van vijf, 50 graden Celsius, en 250 rpm in een schudden incubator. Een commerciële cocktail van enzymen werd geladen die bestond uit 60%cellulase en 40%hemi-cellulase bij 15 milligram enzymeiwit per gram glucan.Onze resultaten tonen aan dat AFEX voorbehandeling de opbrengst van fermenteerbare suikers aanzienlijk verhoogt in vergelijking met onbehandelde biomassa. Bovendien zijn de 72-uurs hydrolyseopbrengsten voor biomassa die met behulp van de drie processen is voorbehandeld, vergelijkbaar met elkaar. Na het AFEX-proces kunnen de voorbesteede materialen voor onbepaalde tijd worden opgeslagen zolang ze droog blijven en worden gebruikt voor verschillende conversie-experimenten, zoals enzymatische hydrolyse en fermentatie met hoge vaste stoffen, geconsolideerde bioverwerking of diervoedertesten.Een belangrijke overweging bij de implementatie van AFEX richt zich op het veilige gebruik van watervrije ammoniak. AFEX-experimenten moeten altijd worden uitgevoerd in een geventileerde ruimte en onderzoekers moeten passende veiligheidsmaatregelen nemen om blootstelling aan ammoniak te voorkomen en vertrouwd zijn met hoe te reageren in geval van nood. Tot slot, ammoniak vezel expansie pretreatment is een veelbelovende methode om biomassa recalcitranten te verminderen en efficiënter te produceren brandstoffen, chemicaliën, en diervoeders uit hernieuwbare plantaardige grondstoffen.

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 van weerspannigheid Variaties in lignocellulose: Total Lignine, Lignine monomeren, en enzymatische Sugar release

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

Experimenteel protocol voor de productie van biodiesel met Isolatie van Alkenones als coproducten van Commercial<em&gt; Isochrysis</em&gt; Algenbiomassa

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

Gebruik van een batterij van chemische en ecotoxicologische methoden voor de beoordeling van de werkzaamheid van Afvalwaterbehandeling processen te verwijderen Estrogenic Potentie

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

Voorbehandeling van lignocellulose met Low-cost ionische vloeistoffen

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

Veldexperimenten van Bestuiving Ecologie: De zaak van<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

Kwantificering van endogene auxine en cytokinine tijdens stengellid cultuur van 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

Een nieuwe methode voor de analyse van de Pentosan aanwezig in Jute biomassa en de omzetting in suiker monomeren met zure Ionische vloeistof

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

Voorbereiding van biomassa gebaseerde Mesoporous Carbon met hogere stikstof-/ zuurstof-chelaat adsorptie voor Cu(II) via pre pyrolyse magnetron

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

Microalgen teelt en biomassa kwantificering in een Fotobioreactor met een tafel schaal met corrosieve rookgas

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

Het effect van bouw- en sloopafval plastic fracties op hout-polymeer composiet eigenschappen

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