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

Dette materialet er basert på arbeid støttet delvis av Great Lakes Bioenergy Research Center, Us Department of Energy, Office of Science, Office of Biological and Environmental Research under Award Numbers DE-SC0018409 og DE-FC02-07ER64494. Rebecca Ong anerkjenner delvis støtte fra Michigan Technological University (oppstartsfinansiering). Shishir Chundawat anerkjenner delvis støtte fra US National Science Foundation CBET award (1604421), ORAU Ralph E. Powe Award og Rutgers School of Engineering (Startup Funding). Bruce Dale anerkjenner delvis støtte fra Michigan State University AgBioResearch kontor og også USDA National Institute of Food and Agriculture. Venkatesh Balan erkjenner delvis støtte fra State of Texas og University of Houston (Startup Funding). MBI-ansatte anerkjenner delvis støtte fra det amerikanske energidepartementet og Michigan State University foundation. Til slutt ønsker vi å vie dette papiret til vår mentor og medforfatter Prof. Bruce Dale for å inspirere oss til å samarbeide forfølge vår drøm om å lage bærekraftigcellulosic biodrivstoff.

1. Justere biomassefuktighetsinnhold
<ol><li>Se materialtabellen som beskriver alt viktig utstyr og materialer som er nødvendige for å utføre AFEX-forbehandling på benk eller labskala ved hjelp av den spesialbygde rørformede AFEX-reaktoren (figur 2).</li>
	<li>Bestem det totale fuktighetsinnholdet i biomasse ved hjelp av en fuktighetsanalysator, eller en ovn satt til 105 °C i 8 timer. For ovnsmetoden overfører du prøvene til en varmebestandig tørkemiddel for å avkjøles for å forhindre vannadsorpsjon før tørking. Utfør prosessen i duplikat eller triplicate og beregn gjennomsnittlig fuktighetsinnhold.</li>
	<li>For en gitt tørr biomasselasting i reaktoren (her, det holder 25 g), bruk fuktighetsinnholdet som bestemmes i trinn 1.2, for å beregne hvor mye våt biomasse som må lastes. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq1.jpg">[1] Hvor mvåt = total masse biomasse (våt vekt basis); mtørr = masse biomasse på tørr vekt basis; MCTWB = biomasse fuktighetsinnhold på en total vekt basis</li>
	<li>Vei ut denne mengden biomasse (mvåt)i en plastbeholder.</li>
	<li>Beregn hvor mye vann som må blandes med den våte biomassen for å oppnå ønsket fuktighetsinnhold. For maisstover er dette vanligvis 0,6 g H2O per g tørr biomasse. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq2.jpg">[2] Hvor mvann = masse vann tilsatt reaktoren (i tillegg til vannet i biomassen); xvann = AFEX vannlasting (g: g tørr biomasse)</li>
	<li>Bruk en sprayflaske, tilsett sakte denne mengden vann (mvann)til biomassen som tidligere hadde blitt veid ut og bland godt for hånd.</li>
</ol>2. Last og monter reaktoren
<ol><li>Monter reaktorhuset ved å plassere en hette og Teflonpakning på bunnen av reaktorrøret. Skru en klemme på plass, stramme røttene jevnt ved hjelp av en rachet.</li>
	<li>Overfør den våte biomassen til den monterte reaktorbasen og plasser en plugg av glassull på toppen av biomassen.</li>
	<li>Plasser en Teflonpakning på toppen av reaktoren. Sørg for at regionen er fri for biomasse og glassull, noe som kan forhindre en effektiv forsegling, og plasser reaktorhodet på toppen, manøvrertermoelementet gjennom glassull og biomasse.</li>
	<li>Skru klemmen til toppen av reaktoren ved hjelp av en skralle jevnt på begge sider.</li>
	<li>Vei reaktoren (mreaktor) og registrer vekten.</li>
</ol>3. Sett opp reaktorsystemet og fyll ammoniakkoverføringssylinderen
<ol><li>Kontroller at alt utstyr er koblet til og kan brukes (temperaturregulator, temperaturmonitor, sprøytepumpe, tidtakere).</li>
	<li>Sett tidtakerne til ønsket oppholdstid for hver reaktor og prøve som skal kjøres.</li>
	<li>Slå på og, hvis du bruker en programmerbar sprøytepumpe, sett opp ammoniakkleveringsmetoden på sprøytepumpen. Trinn 1: Uttak. Trinn 2: Vent i 15 sekunder (for å gi tid til å åpne og lukke ventiler). Trinn 3: Infuse (for å overføre ammoniakk en reaktor).<ol>
<li>Lagre som AFEX-metoden for å tillate enkel gjenbruk.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Kontroller at alle ventiler inn og ut av den lille ammoniakksylinderen er lukket.</li>
	<li>Hvis sylinderen har blitt brukt tidligere og inneholder gjenværende ammoniakk/nitrogen, sakte åpen ventil A på toppen av den lille ammoniakksylinderen for å blø av nitrogen og lukke ventilen når flytende ammoniakk begynner å sputter ut.</li>
	<li>For å fylle den lille ammoniakksylinderen, åpne den store vannfri ammoniakksylinderen og alle ventiler på ammoniakklinjen. Åpne ventilen (B) langsomt nær toppen av den lille ammoniakksylinderen til trykket stabiliseres. Vent i 5 minutter før du fortsetter til neste trinn. Omtrent 120 ml ammoniakk blir ladet fra hovedsylinderen til overføringssylinderen i løpet av denne tiden.</li>
	<li>Lukk alle ventiler mellom ammoniakktanken og den lille ammoniakksylinderen, som arbeider fra venstre til høyre, fra den lille sylinderen (ventil B) og etterbehandling på hovedventilen på toppen av tanken.</li>
	<li>Sett nitrogenregulatoren til 350 psi. Åpne ventilen på nitrogensylinderen og ventilen på den vedlagte regulatoren. Åpen ventil C på den lille ammoniakksylinderen for sakte å legge til nitrogen, overpresser systemet. Juster trykket på den lille sylinderen til 350 psi, etter behov, ved å justere innstillingspunktet på regulatoren. Hold nitrogenlinjene åpne mens du dispenserer ammoniakk.</li>
</ol>4. Forvarm reaktoren (for reaksjonstemperaturer på > 100 °C)
<ol><li>Koble temperaturmonitoren til termoelementet og varmebåndet til temperaturregulatoren.</li>
	<li>Juster temperaturregulatoren manuelt for å bringe reaktoren opp til 60 °C.</li>
</ol>5. Last reaktoren med ammoniakk
<ol><li>Slå på sprøytepumpen hvis den ikke allerede er på.</li>
	<li>Beregn volumet av ammoniakk som kreves basert på ønsket ammoniakklasting (g:g tørr biomasse) og en tidligere bestemt ammoniakkkalibrering. <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq3.jpg">[3] MERK: Fordi ammoniakkpumpen lastes på volumbasis, kalibrer er det ved første gang du bruker den, å konvertere fra ønsket masse til volum. Følg samme prosedyre som brukes for AFEX, men avslutt kjøringen (luftreaktoren) umiddelbart etter at du har lastet ammoniakken og veiing av reaktoren. Følg samme fremgangsmåte for lossing av reaktoren.</li>
	<li>Definer metoden for å laste den riktige mengden ammoniakk:<ol>
<li>Velg AFEX-metoden fra avsnitt 3.3.</li>
		<li>Trykk på Step Definition | Trinn: 1 | Angi målvolum eller tid.</li>
		<li>Tast inn volumet som kreves i ml ved hjelp av talltastaturet, og trykk på den grønne haken.</li>
		<li>Hvis mer enn 85 ml er nødvendig, angir du målvolumet som halvparten av beløpet som er angitt i regnearket, og fyller reaktoren to ganger med samme sprøytevolum.</li>
		<li>Gjenta trinn 5.3.2 til og med 5.3.4 for "Trinn: 3".</li>
		<li>Trykk på tilbakeknappen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Åpen ventil (D) på bunnen av den lille ammoniakksylinderen mot eksosen, og lukk den deretter når eventuelle gjenværende ammoniakk er avsluttet.</li>
	<li>Åpen ventil (E) på enden av sprøytepumpen mot forsiden av røykhetten, og åpne deretter ventilen (F) for å frigjøre eventuell gjenværende ammoniakk. Lukk ventiler (E) og (F).</li>
	<li>Koble reaktoren fra temperaturmonitoren og temperaturregulatoren. Fest reaktoren til hurtigtilkobling.</li>
	<li>Åpen ventil (D) mot den lille ammoniakksylinderen og åpen ventil (E) mot den lille ammoniakksylinderen.</li>
	<li>Trykk den grønne pilen på pumpen for å starte sekvensen og trekke ammoniakk inn i sprøyten.</li>
	<li>Når sprøyten stopper automatisk i ventetiden, dreier du sprøyteventilen (E) mot reaktoren, og reaktorinnløpsventilen slik at den peker mot hurtigkoblingsstammen. Etter forsinkelsen vil sprøyten begynne å infusing, stopper automatisk på det innstilte punktet.</li>
	<li>Hvis det er behov for mer enn 85 ml ammoniakk, gjentar du trinn 5,7 til 5,9.</li>
	<li>Lukk reaktorventilen og ventilen (D). Åpne ventil (F) for å løsne gjenværende ammoniakk fra sprøyten, og lukk deretter ventilen (F) og lukke ventilen (E).</li>
	<li>Åpne ventilen (D) mot eksosen, og lukk den når den gjenværende ammoniakken er igjen.</li>
	<li>Bruk kryogenhansker, fjern reaktoren fra hurtigkoblingen. Vær forsiktig med potensiell ammoniakkspray. Bruk elefantstammens ventinglinje til å lufte den frigjorte ammoniakken om nødvendig.</li>
	<li>Start timeren for riktig reaktor.</li>
	<li>Vei reaktorenheten for å kontrollere at riktig vekt av ammoniakk ble lagt til basert på regnearkberegningene.</li>
</ol>6. Begynn å varme og overvåk reaksjonen
<ol><li>Koble temperaturmonitoren til termoelementet og varmebåndet til temperaturregulatoren.</li>
	<li>Registrer reaktorens første temperatur og trykk etter ammoniakktillegg (starten på oppholdstiden).</li>
	<li>Juster temperaturregulatoren manuelt for å bringe reaktoren opp til den innstilte temperaturen. Målet er å nå innstillingspunktet i <5 min.</li>
	<li>Registrer trykket og temperaturen på reaktoren hvert 3 min til slutten av oppholdstiden.</li>
	<li>På slutten av oppholdstiden kobler du reaktoren fra temperaturregulatoren og termoelementet, fjerner reaktoren fra stativet og åpner kuleutløserventilen langsomt inne i røykhetten. MERK: Bruk alltid ansiktsskjerm under dette trinnet.</li>
</ol>7. Slå av systemet
<ol><li>Etter at reaktoren avkjøles i noen minutter, bruk en skrallenøkkel for å åpne klemmene på reaktoren.</li>
	<li>Loss biomassen og glassullen fra reaktoren inne i en røykhette. For å forhindre luftbåren kontaminering av biomassen som gjenværende ammoniakk fordamper, er det best å tørke inne i en lukket tørkeboks inne i et ventilert rom.</li>
	<li>Rengjør reaktoren med destillert vann til vannet renner klart og la reaktorene tørke.</li>
	<li>Hvis de fortsatt er åpne, lukker du alle ventiler på og kobler til ammoniakksylinderen.</li>
	<li>Lukk alle ventiler på nitrogenledningen.</li>
	<li>Slå av temperaturregulatoren, temperaturmonitoren, balansen, sprøytepumpen og timeren. FORSIKTIG: Hvis du planlegger å kjøre flere reaksjoner, er det ikke nødvendig å lufte den lille ammoniakksylinderen. Men hvis det ikke er noen plan om å kjøre flere eksperimenter, er det best å lufte den lille sylinderen inn i panseret på slutten av eksperimentet. Når du gjør dette, er det viktig å la ventilene stå åpne da utslipp av ammoniakk kan forårsake isdannelse som kan blokkere noen linjer. Når linjene tiner, kan ytterligere ammoniakk frigjøres. Sørg alltid for at ventilasjonen fungerer samtidig som systemet kan lufte. Enhver ammoniakkbehandlet biomasse, selv om den ikke er ment å brukes, må tørkes i røykhetten over natten for å tillate gjenværende ammoniakk å fordampe. Det kan ikke umiddelbart kastes i søppelet.</li>
</ol>

Flere forfattere (nemlig Shishir P S Chundawat, Tim Campbell, Farzaneh Teymouri, Leonardo Sousa, Bruce E Dale, Venkatesh Balan) er oppfinnere / medoppfinnere på flere patenter arkivert på ammoniakk forbehandling og reaktordesign ved MSU / MBI.

AFEX-protokollen beskriver hvordan man behandler plantematerialer i nærvær av vannfri ammoniakk og vann ved forhøyede temperaturer for å øke fordøyeligheten av forbehandlingsmaterialet ved cellulolytiske enzymer og/eller mikrober. AFEX er svært effektiv på graminoid monocot arter (f.eks mais stover, switchgrass, miscanthus, ris halm, hvete halm, og sukkerrør bagasse) på grunn av effektiviteten av prosessen for å holde ester linkages som er naturlig rikelig i disse materialene31. AFEX er mye mindre effektiv på biomasse avledet fra dicots og gymnosperms (løvtre, bartre og innfødte forbs)32,33 på grunn av den mindre andelen av lignin-karbohydrat baserte ester linker. Men når disse koblingene innføres i trecellevegger ved hjelp av plantebioteknologi, blir AFEX-forbehandlingsprosessen mye mer effektiv34.
Cleavage av ester linkages tillater visse biomasse komponenter som skal fjernes fra materialet, men redeposited som ekstraktivpå den ytre cellen veggflater, noe som resulterer i dannelsen av nanoskala hull som letter penetrasjon og virkning av cellulolytic enzymer6. AFEX forbehandlet maisstover viste en omtrent 3 ganger økning i glukose og xylose frigjøringshastighet etter enzymatisk hydrolyse under høye faste forhold sammenlignet med det ubehandlede materialet. Ammoniakkforbehandling produserer også færre og langt mindre hemmende nedbrytningsprodukter sammenlignet med fortynnet syreforbehandling35. En tidligere sammenligning av AFEX og fortynnet syrebehandlet maisstover viste at fortynnet syreforbehandling produserer 316% flere syrer, 142% mer aromatika og 3555% flere furan aldehyder enn AFEX36, som alle kan være hemmende for mikroorganismer35,37. Siden AFEX er en tørr-til-tørr prosess, er det heller ikke tap av sukker som en fortynnet væskestrøm som ikke kan utnyttes økonomisk under enzymatisk hydrolyse. Dette fører imidlertid til komplikasjoner som enzymer med både cellulose-nedverdigende og hemicellulose-nedverdigende evne er nødvendig for å bryte ned celleveggen polysakkarider under enzymatisk hydrolyse til blandede fermenterbare sukkerarter som glukose og xylose. Hemicellulosic oligomers har blitt rapportert å hemme cellulase aktivitet38, noe som kan nødvendiggjøre et høyere enzym lasting for å opprettholde en høy endelig sukker utbytte. Optimalisering av egnede enzymcocktailer kan imidlertid redusere den totale bruken av enzym under sakkarinisering av AFEX forbehandlet biomasse39,40,41,42,43,44,45. Under AFEX forbehandling prosessen hydrolyser og ammonolysis av ester linkages fører til dannelse av syre og amide produkter i forbehandlet biomasse (f.eks eddiksyre / acetamid, ferulic syre / ferulamid, kumarinsyre / kumarin)36. Selv om dannelse av amider har vist seg å hjelpe gjæringsprosessen, kan deres tilstedeværelse ved svært høye konsentrasjoner i forbehandlet råstoff være en bekymring hvis fôring av dyr forbehandlet biomas. Pre-hydrolyser av ester linkages med alkali som NaOH eller Ca (OH)2 før AFEX forbehandling kan brukes til å løse problemet.
Det er en rekke sikkerhetshensyn å huske på når du arbeider med vannfri ammoniakk under AFEX-prosessen. Vannfri ammoniakk reagerer med kobber, messing, aluminium, karbonstål og vanlige fluoroelastomerpolymerer som brukes i sel (f.eks. Viton osv.). Eventuelle rør- eller reaktorkomponenter som kan komme i kontakt med ammoniakk, bør være laget av rustfritt stål, og pakninger, ventilseter og hurtigkoblingstetninger bør være laget av Teflon eller Kalrez når det er mulig. Ammoniakk regnes ikke som et giftig kjemikalie, men det er fortsatt farlig på grunn av sine hygroskopiske og kryogene egenskaper. Det lett retter seg mot og kan alvorlig skade slimhinner i øynene og luftveiene. Ammoniakk er en kryogen væske og ammoniakklekkasjer kan forårsake alvorlig frostskader på grunn av direkte kontakt med gassstrømmen eller kjølt utstyr. Ammoniakk er umiddelbart farlig for liv og helse (IDLH) ved konsentrasjoner over 300 ppm. Arbeidere bør evakuere umiddelbart i tilfelle konsentrasjonen overstiger 50 ppm. Det anbefales at operatørene bruker en kalibrert ammoniakkmonitor for å advare om farlige konsentrasjoner i nærheten. Det er også tilrådelig å installere sensorer med alarmer i hovedarbeidsområdet. Arbeidere som håndterer ammoniakk bør være riktig trent og bruke verneutstyr som rømningånder utstyrt med metylamin patroner, og kryogen og varme vernehansker, og være forberedt på å håndtere nødsituasjoner. Ved eksponering for vannfri ammoniakk bør operatøren bevege seg i sikkerhet og umiddelbart skylle det berørte området med vann i minst 15 min. Ammoniakkforbehandlingsprosessen skal utføres inne i en røykhette, og ammoniakksylinderen skal enten lagres i en røykhette eller ventilert skap. Etter eksperimentet vil forbehandlet biomasse ha noen gjenværende fri ammoniakk og bør enten tørkes i panseret over natten eller i en tilpasset ventilert tørkeboks før lagring i plastposer ved romtemperatur for oppfølgingseksperimenter. Noen andre viktige sikkerhetshensyn inkluderer installasjon av et ammoniakkleveringssystem med en strømningsmåler som vil bidra til å nøyaktig levere ammoniakk til reaktoren og en reaktor designet for å håndtere minst 1,5 ganger trykket som forbehandlingsprosessen vil gjennomgå (f.eks. for håndtering av AFEX-prosessen ved 2 x 106 Pa-trykk, bør den minste trykkvurderingen av reaktoren være 3 x 106 Pa).
AFEX forbehandling er en lovende metode for å produsere svært fordøyelig plantebiomasse som kan brukes direkte som dyrefôr eller som et råstoff for å generere drivstoff og kjemikalier. Utover disse to næringene kan AFEX finne bruk på andre områder, for eksempel et biofornybart råstoff for å lage biomaterialer, eller som et råstoff for produksjon av biogass. Laboratorieskalaprosessen kan utføres i et laboratorium utstyrt med riktig ventilert plass og sikkerhetsforanstaltninger, og vårt nåværende arbeid bekrefter at denne nedskalerte AFEX-prosessen viser lignende resultater på materiale generert i en oppskalert og/eller pilot AFEX-reaktor. Afex-prosessen i laboratorieskala kan brukes til å teste råstoff, behandlingsforhold og applikasjoner på en høyere gjennomstrømningsmåte, samtidig som den gir en rimelig forventning om hvordan prosessen ville fungere på pilot- eller industriskalaer.

Ammoniakkfiberutvidelse (AFEX) er en termokjemisk forbehandling som bruker flyktig ammoniakk som hovedrekuarisk for cellulosisk biomasseforbehandling. Denne prosessen ble opprinnelig oppfunnet av Bruce Dale for å kostnadseffektivt redusere recalcitrance av lignocellulosic biomasse og forbedre biologisk katalysert pretreated biomasse dekonstruksjon i fermenterbare sukker1,2. I motsetning til de fleste andre vandigbaserte termokjemiske forbehandlinger3,er AFEX en tørr-til-tørr prosess som ikke forårsaker noen signifikant endring i biomassesammensetning og krever ingen vasketrinn med tilhørende avfallsgenerering og utgifter. Gjenoppretting av overflødig flyktig ammoniakk har blitt demonstrert i pilotskalaen, noe som resulterer i redusert avfallsgenerering og behandlingskostnader. Den pilot-skala pakket seng AFEX reaktorsystem utviklet av MBI (Figur 1) gjenoppretter gjenværende ammoniakk ved hjelp av damp stripping og overfører den varme, konsentrertammoniakk til en ny pakket seng4,5. Etter AFEX-forbehandling kan de mindre mengdene nitrogen som er innlemmet i biomassen, brukes som ikke-proteinnitrogen av drøvtyggende dyr og mikroorganismer. I tillegg, ved å endre biomasse ultrastruktur gjennom ulike fysikokjemiske mekanismer6,7,8, AFEX øker tilgjengeligheten av biomassen til karbohydrataktive enzymer (CAZymes) og øker frekvensen av polysakkarider hydrolyser med flere ganger8,9, som også øker sin fordøyelighet av ruminant dyr via deres cellulolytiske mikrobiome4,10,11,12. Bønder har lenge ansatt en enklere versjon av denne metoden for å øke fordøyeligheten av drøvtyggere ved å inkubere biomassen i dager eller uker under plasttarps i nærvær av lav vannfri ammoniakkbelastninger (<4% w / w basis av tørr biomasse) og omgivelsestrykk og temperaturer10,11.
Vannfri ammoniakk ble først undersøkt for sitt potensial til å fordype tre virke på 1950-tallet og som en pulping kjemisk tidlig på 1970-tallet13,14,15,16,17,18. Tidlig på 1980-tallet ble trykksatt, høy temperatur, konsentrert ammoniakk (> 30% NH4OH) under subkritiske forhold først brukt i Dale-laboratoriet for å forbedre den enzymatiske fordøyeligheten og mikrobiell gjærbarhet av lignocellulosic biomasse19. Denne prosessen gjennomgikk flere navneendringer gjennom årene, og startet som ammoniakkfryseeksplosjon, og deretter ammoniakkfibereksplosjon, og til slutt ammoniakkfiberutvidelse, eller bare AFEX. Rundt samme tid (midten av slutten av 1980-tallet) utforsket DuPont (nå Dow-DuPont) også ved hjelp av superkritiske og nesten kritiske vannfri ammoniakkbaserte forbehandlingsprosesser for å øke fordøyeligheten av biomasse20,21,22. I de siste tiårene har det vært økt vekt på å bruke fortynnede vandige ammoniakkløsninger som en forbehandling reagens inkludert ammoniakkresirkulering /perkolering23 (ARP), soaking i vandig ammoniakk (SAA), eller Dow-DuPont-prosessen uten ammoniakkresirkulering24. Noen ekstra metoder har sett på bruk av vannfri ammoniakk (lav-fuktighet vannfri ammoniakk (LMAA), og lavflytende ammoniakk forbehandling25 (LAA). I de siste årene, to nye avanserte organosolv-type forbehandling teknologier utnytte flytende vannfri ammoniakk26,,27 og ammoniakk-salt baserte løsninger28 ved høy væske til faste belastninger ble nylig utviklet som muliggjør selektiv lignin fraksjon og høy effektivitet enzymatisk hydrolyse av forbehandlet cellulosic biomasse ved ultra-lave enzym belastninger. En fersk gjennomgang artikkel har fremhevet likheter og distinkte forskjeller mellom ulike former for ammoniakk-baserte forbehandling29. Men inntil nylig4var det ingen pilot-skala demonstrasjoner av ammoniakk-baserte forbehandling prosesser (som AFEX) som ble effektivt kombinert med lukket sløyfe kjemisk resirkulering av konsentrert ammoniakk som brukes i prosessen.
I dette papiret beskriver vi i detalj den mest brukte AFEX-protokollen for pretreating av cellulosisk biomasse på laboratorieskalaen for å produsere gramskalaer av forbehandlet biomasse (f.eks. 1 til flere 100 g). Biomassblandes vanligvis med vann (0,1–2,0 g H2O/g tørr biomasse) og lastes inn i en spesialbygd rørformet eller Parr-typereaktorer i rustfritt stål. Vannfri ammoniakk tilsettes deretter (0,3–2,0 g NH3/g tørr biomasse) til reaktoren og blandingen varmes opp til ønsket reaksjonstemperatur (60–180 °C). Tidligere publikasjoner om AFEX-prosessen fra 1980-1990-tallet startet forbehandlingstiden (f.eks. 5-60 min) umiddelbart etter temperaturrampen. Men etterhvert som reaksjonene oppstår så snart ammoniakken legges til reaktoren, er den nåværende AFEX-prosedyren å begynne å overvåke oppholdstiden umiddelbart etter ammoniakktillegg til reaktoren. For temperaturer på 90 °C eller høyere er det ofte nødvendig å forvarme biomassen før du laster ammoniakken for å holde den opprinnelige temperaturen ramping til en minimumsperiode (dvs. <5 min). Ved ferdigstillelse av oppholdstiden åpnes en ventil for raskt å frigjøre trykket, og gassfaseinnholdet i en egnet kjemisk røykhette. Den raske konverteringen av ammoniakk fra væske til gassfase fører også til at reaktoren avkjøles. Små reaktorer (<100 ml reaktorvolum) kan ofte lastes ut i røykhetten umiddelbart, mens større reaktorer (> 100 ml reaktorvolum) kanskje trenger ekstra tid til å kjøle seg ned. For brukerens sikkerhet, i større skala (> 100 g ammoniakk per reaktorløp), anbefales rensing med nitrogen for å fjerne så mye gjenværende ammoniakk som mulig fra fartøyet og bistå med kjøling av reaktorinnholdet før lossing. Vanligvis er det ikke gjort forsøk på laboratorieskalaen for å resirkulere og/ eller gjenopprette ammoniakken. En av de viktigste designutfordringene for oppskalering av AFEX-forbehandlingsprosessen har vært resirkulering av ammoniakk med minimalkapital og driftskostnader. Også tilsetning av flytende ammoniakk til biomasse driver vanligvis delvis blinkende væske som kjøler biomassen, som krever oppvarming av biomasse-ammoniakkblandingen før AFEX-behandling kan begynne. I stedet for å legge ammoniakk som væske, gir tilsetning av ammoniakkdamp til biomasse to fordeler: For det første gir den høye porøsiteten av bulkbiomasse ammoniakkdamp transporteres raskt, noe som resulterer i jevn ammoniakkfordeling gjennom biomassen. For det andre oppløses ammoniakkdamp lett og exothermically i vannet som er opplært i fuktig biomasse, noe som resulterer i varmegenerering som raskt og jevnt varmer biomassen. For å utnytte disse fordelene har både MSU Dale-laboratoriet og MBI utviklet AFEX-behandlingsmetoder ved hjelp av ammoniakkdamp. Dale-laboratoriet har utviklet gassammoniaforbehandlingsprosessen (GAP)30,og MBI har utviklet den pakkede SENGAFEX-reaktorprosessen (Figur 1)4, som er demonstrert i pilotskalaen. Det pakkede AFEX-reaktorsystemet er i stand til halvbatchmodusdrift med fullstendig resirkulering av ammoniakk ved hjelp av en dampstrippingsmetode4,,5. Denne nye MBI pilot-skala prosessen utnytter de kjemiske og fysiske egenskapene til ammoniakk å effektivt pretreat biomasse mens effektivt resirkulering ammoniakk.
Her presenterer vi en detaljert oversikt for gjennomføring av AFEX forbehandling av maisstover på laboratorieskalaen ved hjelp av spesialbygde 200 ml volumrørformede reaktorer (Figur 2). AFEX-forbehandlede prøver ble fordøyd til fermenterbare sukkerved hjelp av kommersielt tilgjengelige cellulolytiske enzymcocktailer for å demonstrere effekten av forbehandlingsprosessene. De enzymatiske hydrolysisresultatene for AFEX-reaktoren i laboratorieskala ble sammenlignet med større AFEX-reaktorgenererte prøver i pilotskala. Vårt mål er å gi en standard driftsprosedyre for sikker og konsekvent drift av laboratorieskala trykkreaktorer for å utføre AFEX forbehandling på cellulosisk biomasse som maisstover. Ytterligere støtteinformasjon om variasjoner i denne AFEX-forbehandlingsprosessen i laboratorieskala (f.eks. pilot-skala pakket seng AFEX-prosess) er ytterligere uthevet i den medfølgende supplerende pdf-filen. En detaljert rapport om de pakkede bed AFEX prosess operasjonelle trinnene vil bli uthevet i en egen publikasjon og er tilgjengelig på forespørsel fra MBI-MSU.

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

ammonia fiber expansion (afex) pretreatment of lignocellulosic biomass

Lignocellulosic materialer er planteavledede råstoff, som avlingrester (f.eks mais stover, ris halm, og sukkerrør bagasse) og formålsdyrkede energiavlinger (f.eks miscanthus, og switchgrass) som er tilgjengelig i store mengder for å produsere biodrivstoff, biokjemikalier og dyrefôr. Plantepolysakkarider (dvs. cellulose, hemicellulose og pektin) innebygd i cellevegger er svært rekalsitrant mot konvertering til nyttige produkter. Ammoniakkfiberutvidelse (AFEX) er en termokjemisk forbehandling som øker tilgjengeligheten av polysakkarider til enzymer for hydrolyse til fermenterbare sukkerarter. Disse frigitte sukkerene kan omdannes til drivstoff og kjemikalier i et bioraffineri. Her beskriver vi en afexprosess i laboratorieskala for å produsere forbehandlet biomasse på gramskalaen uten resirkulering av ammoniakk. Laboratorieskalaprosessen kan brukes til å identifisere optimale forbehandlingsforhold (f.eks. ammoniakklasting, vannbelastning, biomasselasting, temperatur, trykk, oppholdstid osv.) og genererer tilstrekkelige mengder forhåndsbehandlede prøver for detaljert fysikokjemisk karakterisering og enzymatisk/mikrobiell analyse. Utbyttet av fermenterbare sukkerarter fra enzymatisk hydrolyse av maisstover forbehandlet ved hjelp av laboratorieskala AFEX-prosessen kan sammenlignes med pilotskala AFEX-prosessen under lignende forbehandlingsforhold. Dette papiret er ment å gi en detaljert standard driftsprosedyre for sikker og konsekvent drift av laboratorieskalareaktorer for å utføre AFEX forbehandling av lignocellulosic biomasse.

Etter AFEX-forbehandling er biomassen mørkere i fargen, men ellers visuelt uendret (Figur 3). AFEX-prosessen genererer et svært fordøyelig materiale i en rekke skalaer i tillegg til det som er skissert i denne protokollen. Her forbehandlet vi den samme maisstoverprøven i vårt lille 200 ml, pakket seng, benkeskalasystem; en større 5 gallon, rørt Parr reaktor; og MBIs pilotreaktor. Forholdene som ble brukt for de to mindre reaktorene (dvs. 200 ml og 5 gallon skala) var 1,0 g NH3:gtørr biomasse, 0,6 g H2O:g tørr biomasse, i 30 min ved 100 ± 5 °C. Pilotskala AFEX4 ble utført på samme materiale ved 0,6 g NH3:gtørr biomasse, 0,6 g H2O:g tørr biomasse, i 30 min ved 100 ± 5 °C. Detaljer om protokollene som brukes til å gjennomføre AFEX-forbehandling i større skalaer, er gitt i støtteinformasjonen (se tilleggsfil 1). Følgende "Kvalitetskontrollkriterier" er etablert basert på måltemperatur for AFEX-forbehandling. Hvis reaktortemperaturen går utenfor ± 10 °C fra innstillingspunktet, må eksperimentet avbrytes etter å ha nådd innstillingspunktet. Hvis måltemperaturen (innen 5 °C) ikke nås innen 5 min etter ammoniakkpumping, må du avbryte forsøket. I tillegg kan forbehandling effekt for AFEX prosessen testes ved hjelp av cellulolytiske enzym cocktailer for å hydrolyze tilgjengeligpolysakkarider i fermenterbare sukker. Prøvene ble enzymatically hydrolysert i 72 timer ved 6% glukanlasting, pH 5.0, 50 °C og 250 rpm i en ristende inkubator. En kommersiell cocktail av enzymer bestående av 60% cellulase (CTec3): 40% hemicellulase (HTec3 eller NS22246) på en fast total proteinlastingsbasis lastet på 15 mg enzym/ g glukan ble ansatt for alle sakkarine analyser. Resultatene (Figur 4) viser at AFEX forbehandling øker utbyttet av fermenterbart sukker betydelig i alle tilfeller. Videre er cellulose /xylan hydrolyseren for biomasse forbehandlet ved hjelp av LAB-skala AFEX-prosessen sammenlignbar med den større 5-gallon Parr reaktoren og MBIs pilot-skala pakket seng AFEX prosess.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig1.jpg"> Figur 1. Skjematisk oversikt over trinn involvert i pilotskalaoperasjonen av MBIs AFEX-reaktor for pretreating lignocellulosic biomasse fullt integrert med effektiv ammoniakkresirkulering. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig1large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig2.jpg"> Figur 2. Skjemaer av lab-skala av A) ammoniakk leveringssystem og B) liten 200 ml AFEX forbehandling reaktor benyttet til å utføre AFEX prosess skissert i videoprotokollen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig2large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig3.jpg"> Figur 3. AFEX forbehandlet biomasse har en svært lik brutto morfologi sammenlignet med ubehandlet biomasse, bortsett fra å være litt mørkere i fargen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig3large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig4.jpg"> Figur 4. Glukose- og xyloseutbytter oppnådd etter 72 h enzymatisk hydrolysis på 6 % glukanlasting av AFEX-behandlet maisstover vises her. Alle sakkarinesanalyser ble utført i duplikat med gjennomsnittlige verdier (m) rapportert her. Standardavvik (1s) rapporteres her som feilfelt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig4large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
Tilleggsfil 1: Tilleggsprotokoller <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/Supplementary_Information.pdf" target="_blank">Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.</a>
Tilleggstabell 1: Ammoniakk leveringssystem og strut ramme <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/Supplemental_Table_1.xlsx" target="_blank">Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.</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

Ammoniafiberutvidelse (AFEX) er en termokjemisk forbehandlingsteknologi som kan konvertere lignocellulosic biomasse (f.eks. maisstover, rishalm og sukkerrørbagasse) til et svært fordøyelig råstoff for både biodrivstoff og dyrefôrapplikasjoner. Her beskriver vi en laboratorieskalametode for å gjennomføre AFEX-forbehandling på lignocellulosic biomasse.

Ammoniakk fiber ekspansjon (AFEX) Forbehandling av Lignocellulosic Biomass

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

Ammoniakk fiber ekspansjon forbehandling, også kjent som AFEX, er en kjemisk prosesseringsmetode som kan brukes til å generere fornybart brensel, kjemikalier, eller dyrefôr fra plantecellevegger, også kjent som lignocellulosic biomasse. Mens AFEX har blitt brukt på en rekke lignocellulosic materialer, er det mest effektivt på gress og gressbaserte landbruksrester. Under AFEX reagerer svært konsentrert ammoniumhydroksid med en biomasse for å bryte esterkoblinger i plantecelleveggen og introdusere nano til mikroskalaporer.Dette letter enzymatisk dekonstruksjon av celleveggen polysakkarider. Sluttresultatet er et plantemateriale som lettere omdannes til drivstoff og kjemikalier, eller som kan brukes som et svært fordøyelig dyrefôr. AFEX har en rekke viktige fordeler sammenlignet med andre forbehandlingsprosesser.For det første har AFEX lavt vannforbruk og er ganske unikt ved at det genererer et for det meste tørt materiale som kan tettes og enkelt sendes. AFEX-prosessen produserer også minimale mengder mikrobielle hemmere som furans som gjør den svært kompatibel med mikrobielle gjæringsprosesser. Det er også mulig å gjenopprette flertallet av forbehandling kjemisk ammoniakk som forbedrer prosessøkonomien.Pilotvekt AFEX forbehandling og ammoniakk utvinning har blitt demonstrert på ett tonn per dag kapasitet i MBI pilotanlegget ligger i Lansing, Michigan. Følgende protokoll vil beskrive trinnene som er involvert i laboratorieskaladrift av AFEX-prosessen. Viser denne teknikken vil være Jacob Aguado, en av de lavere studentene som arbeider i vår forskningsgruppe.Til å begynne, først bestemme fuktighetsinnholdet i den ubehandlede biomassen ved hjelp av en fuktighetsanalysator. Vei ut 25 gram biomasse og bruk en sprayflaske, juster fuktighetsinnholdet i plantebiomassen ved hjelp av destillert vann for å nå målet fuktighetsinnhold. For maisovn er dette vanligvis 0,6 gram vann per gram tørr biomasse.Bland prøven for hånd. Monter reaktoren ved å plassere en hette og Teflon pakning på bunnen av reaktorrøret. Overfør den våte biomassen til den monterte reaktorbasen og legg en plugg av glassull på toppen av biomassen.Plasser en Teflon pakning på toppen av reaktoren. Sørg for at regionen er fri for biomasse og glassull som kan forhindre en effektiv forsegling og plassere reaktorhodet på toppen manøvrering termoelement gjennom glassull og biomasse. Skru klemmen fast på toppen av reaktoren ved hjelp av en skralle jevnt på begge sider.Vei reaktoren og registrer vekten. Bekreft at alt utstyr er koblet til og kan brukes, sett timeren til ønsket oppholdstid for hver reaktor og prøven som skal kjøres. Slå på den programmerbare sprøytepumpen og sett opp ammoniakkleveringsmetoden og spar for enkelhets skyld.Kontroller at alle ventiler inn og ut av den lille ammoniakksylinderen er lukket. Hvis sylinderen har blitt brukt tidligere og inneholder gjenværende ammoniakk eller nitrogen, sakte åpne ventil A på toppen av den lille ammoniakk sylinderen for å blø av nitrogen og lukke ventilen når flytende ammoniakk begynner å sputter ut. For å fylle den lille ammoniakksylinderen, åpne den store vannfri ammoniakksylinderen og alle ventilene i ammoniakklinjen.Åpne sakte ventil B nær toppen av den lille ammoniakksylinderen til trykket stabiliserer seg. Vent i fem minutter før du fortsetter til neste trinn. Lukk alle ventiler mellom ammoniakktanken og den lille ammoniakksylinderen som arbeider fra venstre til høyre fra den lille sylinderventilen B og etterbehandling ved hovedventilen på toppen av ammoniakktanken.Sett nitrogenregulatoren til 350 psi. Åpne ventilen på nitrogensylinderen og ventilen på den vedlagte regulatoren. Åpne ventil C på den lille ammoniakksylinderen for å sakte tilsette nitrogen over trykking av systemet.Juster trykket på den lille sylinderen til 350 psi etter behov ved å justere innstillingspunktet på regulatoren. Hold nitrogenledningene åpne mens de dispenserer ammoniakk. For reaksjonstemperaturer som er større enn 100 grader Celsius, må du forvarme biomassen og reaktoren før du legger til ammoniakken.Koble temperaturmonitoren til termoelementet og varmebåndet til temperaturregulatoren. Juster temperaturregulatoren manuelt for å bringe reaktoren opp til 60 grader Celsius. Beregn volumet av ammoniakk som kreves basert på ønsket ammoniakkbelastning og en tidligere bestemt ammoniakkkalibrering.Sett opp metoden i sprøytepumpen for å laste riktig mengde ammoniakk, og deretter til gjenværende ammoniakk fra linjene mellom den lille ammoniakksylinderen og sprøytepumpen ved å åpne og lukke ventilene på bunnen av ammoniakksylinderen mot eksosen og ventilene på sprøytepumpelinjen. Koble reaktoren fra temperaturmonitoren og temperaturregulatoren. Fest reaktoren til hurtig tilkobling.Åpne ventil D mot den lille ammoniakksylinderen og ventil E mot den lille ammoniakksylinderen. Trykk den grønne pilen på pumpen for å starte sekvensen og trekke ammoniakk inn i sprøyten. Når sprøyten stopper automatisk i ventetiden, dreier du sprøyteventilen mot reaktoren og reaktorinntaksventilen slik at den peker mot hurtighetsstammen.Etter forsinkelsen vil sprøyten begynne å infusere, stoppe automatisk ved det innstilte punktet. Lukk reaktorventilen og ventilen D.Åpne ventil F for å frigjøre gjenværende ammoniakk fra sprøyten, lukk deretter ventil F og lukk ventil E.Åpne ventil D mot eksosen, og lukk den når gjenværende ammoniakk har forlatt. Fjern reaktoren fra hurtig koble til mens du bruker kryogene hansker.Vær forsiktig med potensiell ammoniakkspray. Start timeren for den aktuelle reaktoren. Vei reaktorenheten for å kontrollere at den riktige vekten av ammoniakk ble lagt til basert på regnearkberegninger.Koble temperaturmonitoren til termoelementet og varmebåndet til temperaturregulatoren. Registrer reaktorens opprinnelige temperatur og trykk etter ammoniakktillegg. Juster temperaturregulatoren manuelt for å bringe reaktoren opp til den innstilte temperaturen.Målet er å nå det angitte punktet på mindre enn fem minutter. Registrer trykket og temperaturen på reaktoren hvert tredje minutt til slutten av oppholdstiden. På slutten av oppholdstiden kobler du reaktoren fra temperaturregulatoren og termoelementet, fjerner reaktoren fra stativet og åpner langsomt kuleutløsningsventilen inne i røykhetten.Bruk alltid ansiktsskjerm i løpet av dette trinnet. Etter at reaktoren har avkjøles i noen minutter, bruk en skrallenøkkel til å åpne klemmene i reaktoren. Loss biomassen og glassullen fra reaktoren mens du er inne i en røykhette.For å forhindre luftbåren forurensning av biomassen som gjenværende ammoniakk fordamper, er det best å tørke biomassen inne i en lukket tørkeboks inne i et ventilert rom. Hvis de fortsatt er åpne, lukker du alle ventilene på og kobler til ammoniakksylinderen og alle ventilene på nitrogenlinjen. Etter AFEX-forbehandling vil biomassen bli mørkere i fargen, men ellers visuelt uendret.AFEX genererer et svært fordøyelig materiale på en rekke skalaer i tillegg til det som er skissert i denne protokollen. Vi forbehandlet den samme maisovnsprøven ved hjelp av vårt 200 milliliter pakkede sengebenkvektsystem, en fem gallon rørt kraftreaktor og MBI pilotreaktor som er i stand til å behandle ett tonn biomasse per dag. Forholdene som ble brukt for de to mindre reaktorene var ett gram ammoniakk per gram tørr biomasse, 0,6 gram vann per gram tørr biomasse i 30 minutter ved 100 grader Celsius.Pilotskala AFEX ble utført på samme materiale på samme forhold med unntak av at ammoniakklastingen var 0,6 gram ammoniakk per gram tørr biomasse. Prøvene ble enzymatisk hydrolysert i 72 timer ved 6% glukan lasting, pH på fem, 50 grader Celsius, og 250 rpm i en risting inkubator. En kommersiell cocktail av enzymer ble lastet som besto av 60% cellulase og 40% hemi-cellulase ved 15 milligram enzymprotein per gram glukan.Våre resultater viser at AFEX forbehandling øker utbyttet av fermenterbare sukkerer betydelig sammenlignet med ubehandlet biomasse. Videre er de 72-timers hydrolyseavlingene for biomasse som er forbehandlet ved hjelp av de tre prosessene sammenlignbare med hverandre. Etter AFEX-prosessen kan de forbehandlede materialene lagres på ubestemt tid så lenge de forblir tørre og brukes til ulike konverteringseksperimenter som høyfaste enzymatisk hydrolyse og gjæring, konsolidert bioprosessering eller testing av dyrefôr.En viktig vurdering under implementeringen av AFEX sentrerer om sikker bruk av vannfri ammoniakk. AFEX-eksperimenter bør alltid utføres inne i et ventilert rom, og forskere bør ta nødvendige sikkerhetsforanstaltninger for å forhindre ammoniakkeksponering og være kjent med hvordan de skal reagere i nødstilfeller. Til slutt er ammoniakkfiberutvidelsesforbehandling en svært lovende metode for å redusere biomasse recalcitrants og mer effektivt produsere drivstoff, kjemikalier og dyrefôr fra fornybare plantebaserte råvarer.

Research

JoVE Journal

Environment

Ammonia Fiber Expansion (AFEX) Pretreatment of Lignocellulosic Biomass

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

Høy gjennomstrømming Screening av recalcitrance Variasjoner i lignocellulose Biomasse: Total Lignin, lignin Monomers, og Enzymatisk Sugar Slipp

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

Forsøksprotokoll for biodiesel produksjon med Isolering av Alkenones som biprodukter fra Commercial<em&gt; Isochrysis</em&gt; Alge Biomasse

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

Bruk av et batteri av kjemiske og økotoksikologiske metoder for vurdering av effekt av renseprosesser for å fjerne estrogenic Potens

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

Pretreatment of Lignocellulosic Biomass with Low-cost Ionic Liquids

Forbehandling av lignocellulose biomasse med Lavpris ioniske væsker

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

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

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

Feltforsøk av Pollinering Økologi: tilfelle av<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

Kvantifisering av endogene Auxin og Cytokinin under Internode kultur Ipecac

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

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

En ny metode for Pentosan analyse i Jute biomasse og konvertering sin inn sukker monomerer med surt ioniske flytende

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

Utarbeidelse av biomasse-basert Mesoporous karbon med høyere Nitrogen-/ oksygen-chelaterande adsorpsjon for Cu(II) gjennom mikrobølgeovn pre pyrolyse

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

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

Mikroalger dyrking og biomasse kvantifisering i en benk-skala Photobioreactor med etsende røyk gasser

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

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

Effekten av konstruksjon og riving avfall plast fraksjoner på trepolymer kompositt egenskaper

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