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

この資料は、五大湖バイオエネルギー研究センター、米国エネルギー省、科学局、生物環境研究局が賞番号DE-S0018409およびDE-FC02-07ER64494の下で支援した研究に基づいています。レベッカ・オンは、ミシガン工科大学からの部分的な支援(スタートアップ資金)を認めています。シシル・チュンダワトは、米国国立科学財団CBET賞(1604421)、ORAUラルフE.パウ賞、ラトガース工科大学(スタートアップ資金)からの部分的な支援を認めています。ブルース・デールは、ミシガン州立大学AgBioResearch事務所とUSDA国立食糧農業研究所からの部分的な支援を認めています。ヴェンカテシュ・バランは、テキサス州とヒューストン大学(スタートアップ・ファンディング)からの部分的な支援を認めています。MBIの従業員は、米国エネルギー省とミシガン州立大学財団からの部分的な支援を認めています。最後に、この論文をメンター兼共著者のブルース・デール教授に捧げ、持続可能なセルロースバイオ燃料を作るという私たちの夢を共同で追求するよう促したいと思います。

1. バイオマス水分量の調整
<ol><li>カスタム構築された管状AFEX反応器を使用して、ベンチまたはラボスケールAFEX前処理を行うために必要なすべての主要な機器と材料の概要を説明する材料表を参照してください(図2)。</li>
	<li>水分分析装置、または105°Cに設定したオーブンを8時間使用して、バイオマスの総水分含有量を決定します。オーブン法の場合、乾燥前に水吸着を防ぐために冷却するために耐熱デシケータにサンプルを移します。重複または三重でプロセスを実行し、平均水分含有量を計算します。</li>
	<li>反応器内の所定の乾燥バイオマス負荷(ここでは、25gを保持)について、ステップ1.2で決定した水分含量を使用して、どのくらいの湿ったバイオマスをロードする必要があるかを計算する。 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq1.jpg">[1] m湿潤=バイオマスの総質量(湿重量基準)の場合;mドライ=乾燥重量ベースでバイオマスの質量;MCTWB = 総重量ベースでのバイオマス水分量</li>
	<li>プラスチック容器の中のこの量のバイオマス(m湿潤)を量る。</li>
	<li>所望の水分含有量を達成するために、どのくらいの水分を湿ったバイオマスと混合する必要があるかを計算します。コーンストーバーの場合、これは通常、乾燥バイオマスの1g当たり0.6gのH2Oである。 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq2.jpg">[2] ここで m水= (バイオマス中の水に加えて) 原子炉に添加された水の質量;x水= AFEX水負荷(g:g乾燥バイオマス)</li>
	<li>スプレーボトルを使用して、以前に計量したバイオマスにこの量の水(m水)をゆっくりと加え、手でよく混ぜます。</li>
</ol>2. リアクターをロードして組み立てる
<ol><li>原子炉の本体を、原子炉チューブの底にキャップとテフロンガスケットを置いて組み立てます。クランプを所定の位置に固定し、ラチェットを使用して両方のナットを均等に締めます。</li>
	<li>湿ったバイオマスを組み立てた原子炉ベースに移し、バイオマスの上部にグラスウールのプラグを置きます。</li>
	<li>原子炉の上部にテフロンガスケットを置きます。効果的なシールを防ぐことができるバイオマスとガラスウールが含まれないようにし、原子炉の頭を上に置き、ガラスウールとバイオマスを通して熱電対を操縦します。</li>
	<li>両側にラチェットを均等に使用して、クランプを原子炉の上部にボルトで固定します。</li>
	<li>原子炉(m反応器)の重量を量り、重量を記録する。</li>
</ol>3. 原子炉システムを設定し、アンモニア転写シリンダーを充填する
<ol><li>すべての機器が接続され、操作可能であることを確認します(温度コントローラ、温度モニター、シリンジポンプ、タイマー)。</li>
	<li>各リアクタとサンプルを実行するために、タイマーを所望の滞留時間に設定します。</li>
	<li>オンにして、プログラム可能なシリンジポンプを使用する場合は、シリンジポンプにアンモニア送達方法を設定します。 ステップ1:撤退。 ステップ2:15秒間待ちます(バルブを開閉する時間を与えます)。 ステップ3:注入(アンモニアを原子炉に移す)。<ol>
<li>簡単に再利用できるようにAFEXメソッドとして保存します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>小さなアンモニアシリンダーに出入りするすべてのバルブが閉じられていることを確認します。</li>
	<li>シリンダが以前に使用され、残留アンモニア/窒素が含まれている場合は、小さなアンモニアシリンダーの上部にあるバルブAをゆっくりと開いて窒素を出血させ、液体アンモニアがスパッタリングを開始したらバルブを閉じます。</li>
	<li>小さなアンモニアシリンダーを充填するには、アンモニアライン上の大きな無水アンモニアシリンダーとすべてのバルブを開きます。圧力が安定するまで、小さなアンモニアシリンダーの上部付近でゆっくりとバルブ(B)を開きます。5 分待ってから次の手順に進みます。この間、約120mLのアンモニアがメインシリンダーから転写シリンダーに充電されます。</li>
	<li>アンモニアタンクと小さなアンモニアシリンダーの間のすべてのバルブを閉じ、左から右に、小さなシリンダー(バルブB)から始まり、タンクの上部にあるメインバルブで仕上げます。</li>
	<li>窒素レギュレータを350 psiに設定します。窒素ボンベのバルブと、付属のレギュレータのバルブを開きます。小さなアンモニアシリンダーのバルブCを開いてゆっくりと窒素を加え、システムを過圧します。レギュレータの設定点を調整して、必要に応じて小さなシリンダーの圧力を350 psiに調整します。アンモニアを分配しながら窒素ラインを開いたままにします。</li>
</ol>4. 反応器を予熱する(反応温度は>100°C)
<ol><li>温度モニターを熱電対に、加熱テープを温度コントローラに差し込みます。</li>
	<li>温度コントローラを手動で調整して、リアクターを60°Cまで持ち込む。</li>
</ol>5. 原子炉にアンモニアを積み込む
<ol><li>まだオンにしていない場合は、注射器ポンプをオンにします。</li>
	<li>所望のアンモニア負荷(g:gの乾燥バイオマス)と以前に決定されたアンモニアの較正に基づいて、必要なアンモニアの量を計算します。 <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq3.jpg">[3] 注: アンモニアポンプはボリュームベースで負荷するため、最初に使用する場合は、必要な質量から体積に変換するようにキャリブレーションします。AFEXと同じ手順に従いますが、アンモニアをロードして原子炉の計量を行った直後に、実行を終了(原子炉を通気)します。リアクタをアンロードする場合も同じ手順に従います。</li>
	<li>正しい量のアンモニアをロードする方法を設定します。<ol>
<li>セクション 3.3 からAFEXメソッドを選択します。</li>
		<li>ステップ定義を押す|ステップ: 1 |ターゲットボリュームまたは時間を設定する。</li>
		<li>番号パッドを使用してmLに必要な音量をキー入力し、緑色のチェックマークを押します。</li>
		<li>85 mL を超える必要がある場合は、目標ボリュームをスプレッドシートで指定した半分の量として入力し、同じシリンジボリュームを使用してリアクタを 2 回充填します。</li>
		<li>「ステップ: 3」の手順 5.3.2 から 5.3.4 を繰り返します。</li>
		<li>戻るボタンを押します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>排気に向かって小さなアンモニアシリンダーの底部にバルブ(D)を開き、残ったアンモニアが出たら閉じます。</li>
	<li>開弁(E)は、発煙フードの前面に向かってシリンジポンプの端部にあり、次いで開弁(F)を開いて、残ったアンモニアを放出する。バルブ(E)と(F)を閉じます。</li>
	<li>温度モニターと温度コントローラからリアクターを取り外します。リアクタをクイック接続に取り付けます。</li>
	<li>小アンモニアシリンダーに向かって開いた弁(D)と開いた弁(E)小アンモニアシリンダーに向かって。</li>
	<li>ポンプの緑色の矢印を押してシーケンスを開始し、アンモニアをシリンジに引き込みます。</li>
	<li>シリンジが待機期間に自動的に停止したら、シリンジバルブ(E)を反応器に向け、反応器の入口弁を素早く接続するステムに向かわせるようにします。 遅延の後、シリンジは注入を開始し、設定点で自動的に停止します。</li>
	<li>85 mL 以上のアンモニアが必要な場合は、手順 5.7 ~ 5.9 を繰り返します。</li>
	<li>原子炉バルブとバルブ(D)を閉じます。開弁(F)を開いて、シリンジから残留アンモニアを放出し、次いで弁(F)と閉弁(E)を閉じる。</li>
	<li>排気に向かってバルブ(D)を開き、残留アンモニアが残ったら閉じます。</li>
	<li>極低温手袋を着用し、迅速な接続から反応器を取り外します。潜在的なアンモニアスプレーに注意してください。必要に応じて、リリースされたアンモニアを通すために象のトランクベントラインを使用してください。</li>
	<li>適切なリアクタのタイマーを開始します。</li>
	<li>リアクタユニットの重量を測って、スプレッドシートの計算に基づいてアンモニアの適切な重量が追加されたことを確認します。</li>
</ol>6.加熱を開始し、反応を監視します
<ol><li>温度モニターを熱電対に、加熱テープを温度コントローラに差し込みます。</li>
	<li>アンモニア添加後の反応器の初期温度と圧力(滞留時間の開始)を記録する。</li>
	<li>温度コントローラを手動で調整して、設定温度までリアクターを表示します。目標は、<5分で設定ポイントに到達することです。</li>
	<li>滞留時間の終わりまで3分毎に原子炉の圧力と温度を記録する。</li>
	<li>滞留時間の終わりに、温度コントローラと熱電対から原子炉を取り外し、スタンドから原子炉を取り外し、煙フードの内側のボール放出弁をゆっくりと開きます。 注: このステップでは必ずフェイスシールドを着用してください。</li>
</ol>7. システムをシャットダウンする
<ol><li>反応器を数分間冷却した後、ラチェットレンチを使用して原子炉のクランプを開きます。</li>
	<li>ヒュームフードの中の原子炉からバイオマスとガラスウールを降ろします。残留アンモニアが蒸発する際のバイオマスの空気中汚染を防ぐためには、換気された空間の中で密閉された乾燥箱の中で乾燥するのが最善です。</li>
	<li>水が透明になるまで蒸留水で原子炉をきれいにし、原子炉を乾燥させます。</li>
	<li>まだ開いている場合は、すべてのバルブを閉じて、アンモニアシリンダーに接続します。</li>
	<li>窒素ライン上のすべてのバルブを閉じます。</li>
	<li>温度コントローラ、温度モニタ、バランス、シリンジポンプ、タイマーをオフにします。 注意:より多くの反応を実行することを計画している場合は、小さなアンモニアシリンダーを通す必要はありません。しかし、より多くの実験を実行する計画がない場合は、安全のために、実験の最後にフードに小さなシリンダーを発散するのが最善です。これを行うとき、アンモニアの放出がいくつかのラインを妨がるかもしれない氷形成を引き起こす可能性があるため、バルブを開いたままにすることが重要です。ラインが解凍されると、追加のアンモニアを放出することができます。常にシステムが通気できるようにしながら、換気機能を持っていることを確認してください。アンモニア処理されたバイオマスはいずれも、使用を意図しない場合でも、残留アンモニアが蒸発できるようにフームフードで一晩乾燥させなければならない。ゴミの中ですぐに廃棄することはできません。</li>
</ol>

いくつかの著者(すなわち、シシルP Sチュンダワト、ティム・キャンベル、ファルザネ・テイモウリ、レオナルド・スーザ、ブルース・E・デール、ヴェンカテシュ・バラン)は、MSU/MBIのアンモニア前処理および原子炉設計に関する複数の特許に関する発明者/共同発明者です。

AFEXプロトコルは、無水アンモニアと高温での水の存在下で植物材料を処理し、セルロ分解酵素および/または微生物による前処理材料の消化性を高める方法を記述しています。AFEXは、これらの材料31に自然に豊富に存在するエステルリンケージを切断するプロセスの効率のために、グラミノイドモノコット種(例えば、コーンストーバー、スイッチグラス、ミスカンサス、稲わら、麦わら、サトウキビバガス)に対して非常に有効である。AFEXは、リグニンと炭水化物ベースのエステル結合の割合が小さいため、二コットや体育者(広葉樹、軟樹、天然のforbs)32、33に由来するバイオマスにはあまり効果がありません。32,しかし、植物バイオテクノロジーを用いてこれらのリンケージが木質細胞壁に導入されると、AFEX前処理プロセスははるかに効果的になる34.
エステル結合の切断は、ある種のバイオマス成分を材料から除去することを可能にするが、外細胞壁表面に抽出物として再堆積し、セルロ分解酵素6の浸透および作用を促進するナノスケールの穴の形成をもたらす。AFEX前処理コーンストーバーは、未処理の材料と比較して高固形分条件下で酵素加水分解後のグルコースおよびキシロース放出率の約3倍の増加を示した。アンモニア前処理はまた、希酸前処理35と比較して、より少なく、はるかに少ない阻害分解生成物を生成する。AFEXと希酸処理コーンストーバーの以前の比較では、希酸前処理は、316%以上の酸、142%以上の芳香族、および35,3,555%以上のフランアルデヒドを生成36することを示した。また、AFEXはドライツードライプロセスであるため、酵素加水分解の際に経済的に利用できない希薄液流として糖の損失もありません。しかし、これは、酵素加水分解中に細胞壁多糖をグルコースやキシロースなどの混合発酵糖に完全に分解するために、セルロース分解およびヘミセルロース分解能力の両方を有する酵素として合併症を引き起こす。ヘミセルロースオリゴマーはセルラーゼ活性38を阻害すると報告されており、高い最終糖収率を維持するためにより高い酵素負荷を必要とする可能性がある。しかし、適切な酵素カクテルの最適化は、AFEX,前処理バイオマス,,,39、40、41、42、43、44、45の糖化中の全体的な酵素使用量44を45減らすことができます。39,40414243AFEX前処理プロセス中にエステル結合の加水分解およびアンモノ分解は、前処理されたバイオマス中の酸およびアミド生成物(例えば、酢酸/アセトアミド、フェルル酸/フェルラミド、クマリン酸/クサリアミド)36に至る。アミドの形成は発酵プロセスを助けるために示されているが、前処理された原料中の非常に高い濃度での存在は、動物に前処理されたビオマを供給する場合に懸念される可能性がある。AFEX前処理の前にNaOHまたはCa(OH)2などのアルカリとのエステルリンケージの2 前加水分解は、問題に対処するために使用することができます。
AFEX プロセス中に無水アンモニアを使用する場合は、多くの安全性に注意してください。無水アンモニアは、銅、真鍮、アルミニウム、炭素鋼、およびシールに使用される一般的なフルオロエラストマーポリマー(例えばビトンなど)と反応する。アンモニアに接触するチューブまたは反応器コンポーネントはステンレス鋼製で、ガスケット、バルブシート、クイックコネクトシールは可能な場合はテフロンまたはカレズ製の必要があります。アンモニアは有毒な化学物質とは見なされませんが、吸湿性と極低温特性のために依然として危険です。それは容易に標的と目および呼吸器系の粘膜に深刻な損傷を与える。アンモニアは極低温液であり、アンモニア漏れはガス流または冷蔵機器との直接接触のために重度の凍傷を引き起こす可能性があります。アンモニアは、300ppmを超える濃度で生命と健康(IDLH)に直ちに危険です。集中力が50ppmを超えた場合は、直ちに避難する必要があります。オペレータは、その近くの危険な濃度を警告するために校正されたアンモニアモニターを着用することをお勧めします。メインの作業領域にアラーム付きセンサーを設置することもお勧めします。アンモニアを扱う作業員は、メチルアミンカートリッジを装着した脱出呼吸器、極低温および熱保護手袋などの保護具を適切に訓練し、緊急事態に対処する準備をする必要があります。無水アンモニアにさらされた場合、オペレータは安全に移動し、少なくとも15分間、患部を水で直ちに洗い流す必要があります。アンモニア前処理プロセスは、フュームフードの内部で行われるべきであり、アンモニアシリンダーは、ヒュームフードまたは換気キャビネットに格納する必要があります。実験の後、前処理されたバイオマスは残留性アンモニアを有し、夜間にフード内で乾燥するか、またはフォローアップ実験のために室温でビニール袋に保管する前にカスタム換気乾燥ボックスで乾燥させるべきである。他のいくつかの重要な安全上の考慮事項には、アンモニアを原子炉に正確に送達するのに役立つアンモニア送達システムと、前処理プロセスが受ける圧力の少なくとも1.5倍を処理するように設計された原子炉を設置することが含まれます(例えば、2 x 106 Pa圧力でAFEXプロセスを処理する場合、原子炉の最低圧力定格は3 x 106 Paでなければなりません)。
AFEX前処理は、動物飼料として、または燃料や化学物質を生成するための飼料として直接使用することができる高度に消化性の高い植物バイオマスを生成するための有望な方法です。これら2つの産業を超えて、AFEXはバイオマテリアルを製造するためのバイオ再生可能原料やバイオガスを生産するための原料として使用される可能性があります。実験室規模のプロセスは、適切な換気スペースと安全対策を備えた実験室で行うことができる、と我々の現在の研究は、このスケールダウンAFEXプロセスは、スケールアップおよび/またはパイロットAFEX反応器で生成された材料と同様の結果を示すことを確認します。ラボスケールのAFEXプロセスを使用すると、高スループット方式で原料、加工条件、アプリケーションをテストできる一方で、パイロットスケールや工業用スケールでのプロセスの実行方法を合理的に期待できます。

アンモニア繊維膨張(AFEX)は、揮発性アンモニアをセルロース系バイオマス前処理の主な反応物として使用する熱化学的前処理です。このプロセスは、もともと、糖質セルロース系バイオマスの再計算をコスト効率よく低減し、生物学的に触媒された前処理されたバイオマス分解を発酵糖11,22に増強するためにブルース・デールによって発明された。他のほとんどの水性熱化学前処理3とは異なり、AFEXは、バイオマス組成に大きな変化を引き起こさないドライからドライのプロセスであり、それに関連する廃棄物の生成と費用に伴う洗浄ステップを必要としません。パイロットスケールで過剰な揮発性アンモニアの回収が実証され、廃棄物発生や処理コストの削減が可能です。MBI(図1)が開発したパイロットスケールパックベッドAFEX原子炉システムは、蒸気ストリッピングを用いて残留アンモニアを回収し、高温の濃縮アンモニアを新しいパックベッド44,55に移す。AFEX前処理後、バイオマスに組み込まれた少量の窒素は、反芻動物および微生物によって非タンパク質窒素として使用できる。,10,11,さらに、様々な物理化学的メカニズム66、7、87,8を通してバイオマスの超構造を変えることで、AFEXはバイオマスの炭水化物活性酵素(CAZymes)へのアクセス性を高め、多糖加水分解率を数倍8,99に増加させ、また、それらの細胞分解性8微生物叢4011によって、その消化率を増加させる。4農家は長い間、低無水アンモニアローディング(<4%w/wベーシスの乾燥バイオマス)と周囲の圧力と温度10、11の存在下でプラスチックタープの下で数日または数週間バイオマスをインキュベートすることによって、反する人の消化率を高めるために、この方法のより簡単なバージョンを11採用してきました。
無水アンモニアは、1950年代に木材を解毒する可能性があり、1970年代初頭にパルプ薬として1970年代13、14、15、16、17、1814,15,16,17,で初めて調査されました。131980年代初頭、サブクリティカル条件下で加圧、高温、濃縮アンモニア(>30%NH4 OH)が、リグノセルロース系バイオマス19の酵素消化性および微生物発酵性を高めるためにデール研究所で最初に使用された。4このプロセスは、アンモニア凍結爆発、そしてアンモニア繊維爆発、そして最後にアンモニア繊維の膨張、または単にAFEXとして始まり、長年にわたっていくつかの名前の変更を受けました。同時期(1980年代半ば)頃、デュポン(現ダウデュポン)は、バイオマス,20、21、22,21の消化性を高めるために、超臨界およびほぼ臨界の無水アンモニアベースの前処理プロセスを使用して探求しました。22ここ数十年で、アンモニアリサイクル/パーコレーション23(ARP)、水性アンモニア(SAA)、またはアンモニアリサイクルなしのダウデュポンプロセスを含む前処理試薬として希釈水性アンモニア溶液を使用することに重点が置かれています。23いくつかの追加の方法は、無水アンモニア(低水分無水アンモニア(LMAA)、低液体アンモニア前処理25(LAA)の使用を見てきました25。 液体無水アンモニア26、27、27高液体から固体負荷へのアンモニア塩ベースの溶液28を利用した2つの26新しい高度な有機体ソルブ型前処理技術が、超低酵素負荷での前処理済みセルロース系の選択的リグニン分画と高効率酵素加水分解を可能にする開発が最近開発されました。最近のレビュー記事では、アンモニアベースの前処理の様々な形態の類似点と明確な違いを強調しています29.しかし、最近4年までは、アンモニアベースの前処理プロセス(AFEXなど)のパイロットスケールのデモンストレーションは、その過程で使用される濃縮アンモニアのクローズドループ化学リサイクルと効率的に結合されていませんでした。
本論文では、前処理されたバイオマスのグラムスケール(例えば、1〜数100g)を製造するために、実験室規模でセルロース系バイオマスを前処理するための最も一般的に使用されるAFEXプロトコルについて詳細に述べる。一般的に、バイオマスは水(0.1~2.0 gH2O/gの乾燥バイオマス)と混合され、カスタムメイドのステンレス製の管状またはパー型の原子炉に積み込まれます。次いで無水アンモニア(0.3~2.0 gNH3/g乾燥バイオマス)を反応器に加え、混合液を所望の反応温度(60~180°C)まで加熱します。1980年代から1990年代のAFEXプロセスに関する以前の出版物は、温度ランプの直後に前処理住居時間(例えば、5〜60分)を開始しました。しかし、アンモニアが反応器に添加されるとすぐに反応が起こるように、現在のAFEX手順は、アンモニア添加直後の滞留時間の監視を開始する。90°C以上の温度の場合、初期温度の上昇を最小期間(すなわち、<5分)に保つために、アンモニアをロードする前にバイオマスを予熱する必要がしばしばあります。滞留時間の完了時に、バルブを開いて圧力を迅速に放出し、ガス相内容物を適切な化学フュームフードにします。液体から気相へのアンモニアの急速な転換はまた、冷却する反応器を引き起こす。小さな原子炉(<100 mL原子炉量)は、多くの場合、煙のフードにすぐにアンロードすることができ、大きな原子炉(>100 mL原子炉量)は冷却するために追加の時間が必要な場合があります。ユーザーの安全のために、より大きなスケール(原子炉実行当たり100gアンモニア)で、窒素でパージすることは、容器からできるだけ多くの残留アンモニアを除去し、荷降ろし前に原子炉の内容物を冷却するのを助けることをお勧めします。通常、アンモニアのリサイクルおよび/または回復をラボスケールで試みることはしません。AFEX前処理プロセスのスケールアップに関する設計上の重要な課題の1つは、最小限の資本コストと運用コストでアンモニアをリサイクルすることです。また、バイオマスに液体アンモニアを添加すると、一般にバイオマスを冷却する液体の部分的な点滅が促進され、AFEX処理を開始する前にバイオマス・アンモニア混合物の加熱が必要となります。アンモニアを液体として添加するのではなく、バイオマスにアンモニア蒸気を加えることは2つの利点を提供する:まず、バルクバイオマスの高い空隙率はアンモニア蒸気を急速に輸送することができ、バイオマス全体にアンモニア分布さえも生じる。第2に、アンモニア蒸気は、湿ったバイオマスに浸潤した水に容易に、そして発熱して、バイオマスを急速かつ均一に加熱する発熱を生じさせる。これらの利点を活用するために、MSU DaleラボとMBIの両方がアンモニア蒸気を用いたAFEX処理方法を開発しました。デール研究室では、ガス状アンモニア前処理(GAP)プロセス30を開発し、MBIはパイロットスケールで実証されたパックベッドAFEX原子炉プロセス(図1)4を開発しました。4パックベッドAFEXの原子炉システムは蒸気のストリッピング方法44、55を使用してアンモニアの完全なリサイクルと半バッチモード動作が可能である。この新しいMBIパイロットスケールプロセスは、アンモニアの化学的および物理的特性を利用して、アンモニアを効率的にリサイクルしながらバイオマスを効率的に退避させます。
ここでは、カスタム構築された200 mL体積管状原子炉を使用して、ラボスケールでコーンストーバーのAFEX前処理を行うための詳細な概要を提示します(図2)。AFEX前処理サンプルを、市販のセルロ分解酵素カクテルを使用して発酵糖に消化し、前処理プロセスの有効性を実証した。実験室規模のAFEX反応器の酵素加水分解結果を、より大きなパイロットスケールのAFEX反応器生成サンプルと比較した。私たちの目標は、トウモロコシストーバーのようなセルロース系バイオマスに対してAFEX前処理を行うためのラボスケール加圧反応器の安全で一貫した動作のための標準的な操作手順を提供することです。このラボスケールのAFEX前処理プロセス(例えば、パイロットスケールパックベッドAFEXプロセス)のバリエーションに関する追加のサポート情報は、付属の補足pdfファイルでさらに強調されています。パックベッドAFEXプロセスの運用手順に関する詳細なレポートは、別の出版物で強調表示され、MBI-MSUからの要求に応じて利用可能です。

<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

リグノセルロース材料は、植物由来の原料であり、作物残渣(例えば、トウモロコシのストーバー、稲わら、サトウキビバガ)や、バイオ燃料、生化学、動物飼料を大量に生産するために入手可能な目的で栽培されたエネルギー作物(例えば、ミスカンサス、スイッチグラス)です。植物多糖類(すなわち、セルロース、ヘミセルロース、ペクチン)を細胞壁に埋め込み、有用な製品への変換に向けて非常に再計算します。アンモニア繊維膨張(AFEX)は、多糖類を発酵糖に加水分解するための酵素へのアクセス性を高める熱化学的前処理です。これらの放出された糖は、バイオリファイナリーの燃料および化学物質に変換することができる。ここでは、アンモニアリサイクルを行わずにグラムスケールで前処理されたバイオマスを製造するための実験室規模のバッチAFEXプロセスについて述べています。実験室規模のプロセスは、最適な前処理条件(例えば、アンモニアローディング、水負荷、バイオマスローディング、温度、圧力、滞留時間など)を特定するために使用することができ、詳細な物理化学的特性評価および酵素/微生物分析のための十分な量の前処理サンプルを生成します。実験室規模のAFEXプロセスを用いて前処理されたコーンストバーの酵素加水分解による発酵性糖の収率は、同様の前処理条件下でのパイロットスケールAFEXプロセスに匹敵する。本論文はリグノセルロース系バイオマスのAFEX前処理を行うための実験室規模の原子炉の安全で一貫した運転のための詳細な標準的な操作手順を提供することを目的としている。

AFEXの前処理後、バイオマスは色が濃いが、それ以外は視覚的に変化しない(図3)。AFEXプロセスは、このプロトコルで概説されている他に、様々なスケールで消化性の高い材料を生成します。ここでは、小さな200mL、パックベッド、ベンチスケールシステムで同じトウモロコシのストーバーサンプルを前処理しました。より大きな5ガロン、攪拌パー反応。そしてMBIのパイロット原子炉。2基の小型反応器(すなわち、200mLおよび5ガロンスケール)に使用した条件は、1.0gNH3:g乾燥バイオマス、0.6 gH2O:g乾燥バイオマス、100±5°Cで30分間、であった。パイロットスケールAFEX4は、同材を0.6gNH3:g3乾燥バイオマス、0.6gH2O:g2乾燥バイオマス、100±5°Cで30分間実施した。より大きなスケールで AFEX の前処理を行うために使用されるプロトコルに関する詳細は、サポート情報に記載されています (補足ファイル 1を参照)。AFEX前処理の目標温度に基づき、以下の「品質管理基準」が制定されました。設定点に達した後、反応器温度が設定点から±10°C外に出る場合、実験を中止しなければならない。アンモニアポンピング後5分以内に目標温度(5°C以内)に達しない場合は、実験を中止します。さらに、AFEXプロセスの前処理効果は、セルロ分解酵素カクテルを使用して、アクセス可能な多糖類を発酵可能な糖に加水分解して試験することができます。サンプルを、6%グルカンローディングで72時間、pH5.0、50°C、および250rpmの振盪インキュベーターで酵素的に加水分解した。60%セルラーゼ(CTec3):40%ヘミセルラーゼ(HTec3またはNS2246)を15mgの酵素/gグルカンでロードした固定総タンパク質負荷ベースで構成される酵素の市販カクテルを、すべての糖化アッセイに使用した。結果(図4)は、AFEX前処理が全ての場合において発酵性糖の収量を有意に増加することを示している。さらに、実験室規模のAFEXプロセスを使用して前処理されたバイオマスのセルロース/キシラン加水分解収量は、より大きな5ガロンパー反応器およびMBIのパイロットスケールパックベッドAFEXプロセスに匹敵する。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig1.jpg"> 図 1.効率的なアンモニアリサイクルと完全に統合されたリグノセルロース系バイオマスを前処理するためのMBIのAFEX反応器のパイロットスケール操作に関与するステップの概略図。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig1large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig2.jpg"> 図 2.A)アンモニア送達システムおよびB)小さい200 mL AFEX前処理反応器の実験室規模の概略は、ビデオプロトコルで概説されたAFEXプロセスを実行するために利用される。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig2large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig3.jpg"> 図 3.AFEX前処理バイオマスは、未処理バイオマスと比較して非常によく似たグロスモルフォロジーを有する。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig3large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig4.jpg"> 図 4.72時間後に得られたグルコース及びキシロース収率6%グルカン負荷AFEX処理トウモロコシストーバーの酵素加水分解が図示されている。全ての糖化アッセイは、ここで報告された平均値(m)を伴う重複で行った。標準偏差(1)は、ここで誤差範囲として報告されます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig4large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル1:追加のプロトコル<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/Supplementary_Information.pdf" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足表1:アンモニア配送システムと支柱フレーム<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/Supplemental_Table_1.xlsx" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

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Ammonia Fiber Expansion AFEX Pretreatment of Lignocellulosic Biomass

アンモニア繊維膨張(AFEX)は、リグノセルロース系バイオマス(トウモロコシストーバー、稲わら、サトウキビバガスなど)を、バイオ燃料および動物飼料用途の消化性の高い原料に変換できる熱化学前処理技術です。ここではリグノセルロース系バイオマスに対するAFEX前処理を行うための実験室規模の方法について述べている。

アンモニア繊維膨張(AFEX)リグノセルロース系バイオマスの前処理

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

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

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

リグノセルロース系バイオマス中の反抗バリエーションのハイスループットスクリーニング：総リグニン、リグニンモノマー、および酵素シュガーリリース

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

コマーシャルからの副産物としてアルケノンの単離とバイオディーゼル生産のための実験プロトコール<em&gt;イソクリシス</em&gt;藻類バイオマス

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

排水処理プロセスの有効性の評価のための化学的および生態毒性メソッドのバッテリーの使用は、エストロゲン効力を削除します

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

低コストのイオン液体でリグノセルロース系バイオマスの前処理

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

受粉エコロジーのフィールド実験：の事例<em&gt;ヒガンバナ属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

トコンの節間文化の中に内生オーキシンとサイトカイニンの定量化

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

ペントサン解析手法ジュート バイオマスと酸性イオン液体を用いた糖モノマーへの変換に存在

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

高い窒素-メソ孔炭素のバイオマス ベースの準備/電子レンジ前熱分解による銅 (ii) 酸素キレート吸着

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

腐食性煙道ガスを用いたベンチスケール光バイオリアクターにおける微細藻類栽培とバイオマス定量

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

木高分子複合物に及ぼす構造・解体廃プラスチック分率の影響

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