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

Bu malzeme kısmen Great Lakes Bioenergy Araştırma Merkezi, ABD Enerji Bakanlığı, Bilim Dairesi, Biyolojik ve Çevresel Araştırmalar Ofisi tarafından Ödül Numaraları DE-SC0018409 ve DE-FC02-07ER64494 tarafından desteklenen çalışmalara dayanmaktadır. Rebecca Ong Michigan Teknoloji Üniversitesi (başlangıç finansman) kısmi destek kabul eder. Shishir Chundawat, ABD Ulusal Bilim Vakfı CBET ödülü (1604421), ORAU Ralph E. Powe Ödülü ve Rutgers Mühendislik Okulu'ndan (Başlangıç Fonu) kısmi destek kabul ediyor. Bruce Dale Michigan State University AgBioResearch ofis ve aynı zamanda USDA Ulusal Gıda ve Tarım Enstitüsü kısmi destek kabul eder. Venkatesh Balan Texas Eyaleti ve Houston Üniversitesi (Başlangıç Finansman) kısmi destek kabul eder. MBI çalışanları, ABD Enerji Bakanlığı ve Michigan State Üniversitesi vakfının kısmi desteğini kabul ediyor. Son olarak, bu makaleyi akıl hocamız ve ortak yazar ımız Prof. Bruce Dale'e, sürdürülebilir selülozik biyoyakıt yapma hayalimizi ortaklaşa sürdürmemiz için bize ilham kaynağı olarak adamak istiyoruz.

1. Biyokütle nem içeriğinin ayarlanması
<ol><li>Özel olarak inşa edilmiş borulu AFEX reaktörünü kullanarak tezgah veya laboratuvar ölçeği AFEX ön işlemesi gerçekleştirmek için gerekli tüm ana donanım ve malzemeleri özetleyen Malzeme Tablosuna bakın (Şekil 2).</li>
	<li>Bir nem analizörü veya 8 saat için 105 °C'de ayarlanmış bir fırın kullanarak biyokütlenin toplam nem içeriğini belirleyin. Fırın yöntemi için, kurutmadan önce su adsorpsiyonlanmasını önlemek için numuneleri ısıya dayanıklı bir kurutucuya aktarın. İşlemi yinelenen veya üç etekli olarak gerçekleştirin ve ortalama nem içeriğini hesaplayın.</li>
	<li>Reaktörde belirli bir kuru biyokütle yüklemeiçin (burada, 25 g tutar), ne kadar ıslak biyokütle yüklenmesi gerektiğini hesaplamak için, adım 1.2 belirlenen nem içeriğini kullanın. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq1.jpg">[1] Nerede mıslak = biyokütle toplam kütlesi (ıslak ağırlık bazında); mdry = kuru ağırlık bazında biyokütle kütlesi; MCTWB = toplam ağırlık bazında biyokütle nem içeriği</li>
	<li>Plastik bir kapta biyokütle (mıslak)bu miktarda tartmak.</li>
	<li>İstenilen nem içeriğini elde etmek için ıslak biyokütle ile karıştırılması gereken suyun ne kadar olması gerektiğini hesaplayın. Mısır stover için, bu genellikle 0.6 g H2O kuru biyokütle g başına g. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq2.jpg">[2] Msu = reaktöre eklenen su kütlesi (biyokütledeki suya ek olarak); xsu = AFEX su yükleme (g:g kuru biyokütle)</li>
	<li>Bir sprey şişesi kullanarak, yavaş yavaş daha önce tartılır olmuştu biyokütle ve elle iyice karıştırın su (msu)bu miktarda ekleyin.</li>
</ol>2. Reaktörü yükleyin ve monte edin
<ol><li>Reaktör tüpünün altına bir kapak ve Teflon conta yerleştirerek reaktör gövdesini monte edin. Bir kelepçeyi yerine sabittin, her iki somunda da rachet kullanarak eşit olarak sıkılaştırın.</li>
	<li>Islilmiş biyokütleyi monte edilmiş reaktör tabanına aktarın ve biyokütlenin üstüne bir cam yünü fişi yerleştirin.</li>
	<li>Reaktörün üstüne bir Teflon conta yerleştirin. Bölgenin biyokütle ve cam yününden arındırılmış olduğundan emin olun, bu da etkili bir mührün önüne geçebilir ve reaktör kafasını cam yünü ve biyokütle ile termokupl manevrayaparak en üste yerleştirin.</li>
	<li>Kelepçeyi her iki tarafta eşit bir şekilde bir çıngıraklı kullanarak reaktörün üst tarafına sabitle.</li>
	<li>Reaktörü tartın (mreaktörü)ve ağırlığı kaydedin.</li>
</ol>3. Reaktör sistemini kurmak ve amonya transfer silindirini doldurun
<ol><li>Tüm ekipmanların takılı ve çalışabilir (sıcaklık kontrol örüntüsü, sıcaklık monitörü, şırınga pompası, zamanlayıcılar) olduğunu onaylayın.</li>
	<li>Her reaktör ve numunenin çalıştırılması için zamanlayıcıları istenilen oturma süresine ayarlayın.</li>
	<li>Aç ve programlanabilir bir şırınga pompası kullanıyorsanız, şırınga pompası üzerinde amonyan dağıtım yöntemini ayarlayın. Adım 1: Çekilme. Adım 2: 15 saniye bekleyin (vanaları açmak ve kapatmak için zaman tanımak için). Adım 3: Aşılamak (reaktör içine amonya aktarmak için).<ol>
<li>Kolay yeniden kullanım için AFEX yöntemi olarak kaydedin.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Küçük amonya silindirinin içine ve dışına çıkan tüm vanaların kapalı olduğunu doğrulayın.</li>
	<li>Silindir daha önce kullanılmışsa ve artık amonyak/azot içeriyorsa, sıvı amonyak fışkırmaya başladığında herhangi bir nitrojeni kanaması ve vanayı kapatmak için küçük amonyak silindirinin üstündeki A valfi yavaşça açın.</li>
	<li>Küçük amonya silindirini doldurmak için, büyük susuz amonya silindirini ve amonya hattındaki tüm vanaları açın. Basınç stabilize olana kadar küçük amonyak silindirinin üst kısmında yavaşça açık valf (B). Bir sonraki adıma devam etmeden önce 5 dakika bekleyin. Bu süre zarfında ana silindirden transfer silindirine yaklaşık 120 mL amonyum yüklenir.</li>
	<li>Amonyak tankı ile küçük amonyak silindiri arasındaki tüm vanaları kapatın, soldan sağa doğru çalışarak, küçük silindirden başlayarak (B valf) ve tankın üstündeki ana valfte bitirin.</li>
	<li>Azot regülatörü 350 psi'ye ayarlayın. Azot silindirindeki valfı ve bağlı regülatördeki valfi açın. Küçük amonya silindirinde C valfi açın yavaş yavaş azot eklemek için, sistem aşırı basınç. Regülatörüzerindeki ayar noktasını ayarlayarak küçük silindirin basıncını gerektiği gibi 350 psi'ye ayarlayın. Amonya dağıtırken azot hatlarını açık tutun.</li>
</ol>4. Reaktörü önceden ısıtın (reaksiyon sıcaklıkları >100 °C)
<ol><li>Sıcaklık monitörünü termokupla ve ısıtma bandını sıcaklık kontrol cihazına takın.</li>
	<li>Reaktörü 60 °C'ye kadar getirmek için sıcaklık kontrol cihazını manuel olarak ayarlayın.</li>
</ol>5. Reaktörü amonya ile yükleyin
<ol><li>Şırınga pompasını açın.</li>
	<li>İstenilen amonyon yükleme (g:g kuru biyokütle) ve önceden belirlenmiş amonyan kalibrasyonuna göre gerekli amonyan hacmini hesaplayın. <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57488/57488eq3.jpg">[3] NOT: Amonya pompası yüklediği için, ilk kez kullandığınızda, gerekli kütleden hacme dönüştürmek için kalibre edin. AFEX için kullanılan prosedürü uygulayın, ancak amoniye yüklendikten ve reaktörü tarttıktan hemen sonra koşuyu (reaktörü havalandırma) sonlandırın. Reaktörü boşaltmak için de aynı prosedürü uygulayın.</li>
	<li>Doğru amonyan miktarını yüklemek için yöntemi ayarlayın:<ol>
<li>Bölüm 3.3'ten AFEX yöntemini seçin.</li>
		<li>Basın Adım Tanımı | Adım: 1 | Hedef Hacmi veya Saati Ayarlayın.</li>
		<li>Sayı pedini kullanarak mL'de gerekli olan hacimde anahtar ve yeşil onay işaretine basın.</li>
		<li>85 mL'den fazla gerekirse, hedef hacmi elektronik tabloda belirtilen miktarın yarısı olarak girin ve aynı şırınga hacmini kullanarak reaktörü iki kez doldurun.</li>
		<li>"Adım: 3" için 5.3.2 ile 5.3.4 adımlarını yineleyin.</li>
		<li>Arka düğmeye basın.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Açık valf (D) egzoz doğru küçük amonyak silindirin altında, ve sonra herhangi bir artık amonyak çıktıktan sonra kapatın.</li>
	<li>Açık vana (E) duman kaputunun önüne doğru şırınga pompası ucunda, ve sonra açık vana (F) herhangi bir artık amonya serbest bırakmak için. Kapak kapakları (E) ve (F).</li>
	<li>Reaktörün sıcaklık monitörü ve sıcaklık kontrol cihazını çıkar. Reaktörü hızlı bağlantıya bağlayın.</li>
	<li>Küçük amonya silindirine doğru açık valf (D) ve küçük amonya silindirine doğru açık valf (E).</li>
	<li>Sırayı başlatmak ve şırıngaiçine amonyak çizmek için pompa üzerinde yeşil ok basın.</li>
	<li>Şırınga bekleme süresi boyunca otomatik olarak durduğunda, şırınga valfini (E) reaktöre ve reaktör giriş valfine doğru çevirin, böylece hızlı bağlantı sapına doğru işaret edin. Gecikmeden sonra şırınga infüzyona başlar ve ayar noktasında otomatik olarak durur.</li>
	<li>85 mL'den fazla amonyya gerekiyorsa, 5,7 ile 5,9 arasında adımları yineleyin.</li>
	<li>Reaktör vanasını ve vanasını (D) kapatın. Açık valf (F) şırınga dan artık amonyak serbest bırakmak için, ve sonra kapak (F) ve yakın vana (E).</li>
	<li>Valf (D) egzoz doğru açın ve sonra artık amonyak sol sonra kapatın.</li>
	<li>Kriyojenik eldivenler giyerek, reaktörü hızlı bağlantıdan çıkarın. Potansiyel amonyan spreydikkatli olun. Gerekirse serbest bırakılan amonyumu havalandırmak için fil gövdesi havalandırma hattını kullanın.</li>
	<li>Uygun reaktör için zamanlayıcıyı çalıştırın.</li>
	<li>Elektronik tablo hesaplamalarına göre uygun amonya ağırlığının eklandığını doğrulamak için reaktör ünitesini tartın.</li>
</ol>6. Isıtmaya başlayın ve reaksiyonu izleyin
<ol><li>Sıcaklık monitörünü termokupla ve ısıtma bandını sıcaklık kontrol cihazına takın.</li>
	<li>Amonya ilavesini (oturma süresinin başlangıcı) takiben reaktörün başlangıç sıcaklığını ve basıncını kaydedin.</li>
	<li>Reaktörü ayarlanan sıcaklığa getirmek için sıcaklık kontrol cihazını manuel olarak ayarlayın. Amaç <5 dk'da belirlenen noktaya ulaşmaktır.</li>
	<li>İkamet basıncını ve sıcaklığını ikamet süresinin sonuna kadar her 3 dakikada bir kaydedin.</li>
	<li>İkamet süresinin sonunda, reaktörü sıcaklık kontrol örüntüsünden ve termokupldan ayırın, reaktörü standdan çıkarın ve duman kaputunun içindeki top serbest bırakma vanasını yavaşça açın. NOT: Bu adımda her zaman bir yüz kalkanı takın.</li>
</ol>7. Sistemi kapatın
<ol><li>Reaktörün birkaç dakika soğumasını sağladıktan sonra, reaktörün kelepçelerini açmak için bir çıngırak anahtarı kullanın.</li>
	<li>Biyokütleyi ve cam yünü reaktörden duman kaputunun içine boşaltın. Artık amonyağ buharlaşır gibi biyokütle havadan kontaminasyon önlemek için, havalandırmalı bir alan içinde kapalı bir kurutma kutusu içinde kurutmak için en iyisidir.</li>
	<li>Su temizlenene kadar reaktörü distile suyla temizleyin ve reaktörlerin kurumasını bekleyin.</li>
	<li>Hala açıksa, tüm vanaları açın ve amonyak silindirine bağlanın.</li>
	<li>Azot hattındaki tüm vanaları kapatın.</li>
	<li>Sıcaklık kontrol cihazını, sıcaklık monitörünü, dengeyi, şırınga pompasını ve zamanlayıcıyı kapatın. DİkKAT: Daha fazla reaksiyon çalıştırmayı planlıyorsanız, küçük amonya silindirini havalandırmaya gerek yoktur. Ancak, daha fazla deney çalıştırmak için bir plan varsa, güvenlik için deney sonunda kaputiçine küçük silindir havalandırmak en iyisidir. Bunu yaparken, amonya serbest bazı hatları engelleyebilir buz oluşumuna neden olabilir gibi vanalar açık bırakmak önemlidir. Çizgiler çözüldükçe, ek amonom serbest bırakılabilir. Her zaman sistemin havalandırma izin verirken havalandırma işleyişine sahip olun. Herhangi bir amonya ile tedavi biyokütle, kullanılmak üzere tasarlanmamış olsa bile, artık amonyağı buharlaşmasına izin vermek için bir gecede duman kaputunda kurutulmalıdır. Hemen çöpe atılamaz.</li>
</ol>

Birçok yazar (yani Shishir P S Chundawat, Tim Campbell, Farzaneh Teymouri, Leonardo Sousa, Bruce E Dale, Venkatesh Balan) mucitler / co-mucitler birden fazla patent amonyak önarıtma ve reaktör tasarımı msu / MBI de dosyalanmış vardır.

AFEX protokolü, selülolitik enzimler ve/veya mikroplar tarafından ön işlem öncesi malzemenin sindirilebilirliğini artırmak için yüksek sıcaklıklarda susuz amonyağ ve su varlığında bitki materyallerinin nasıl işlenirolduğunu açıklar. AFEX graminoid monocot türleri üzerinde son derece etkilidir (örneğin, mısır stover, switchgrass, miscanthus, pirinç saman, buğday saman, ve şeker kamışı bagasse) bu malzemelerin doğal olarak bol ester bağlantıları cleave sürecin verimliliği nedeniyle31. AFEX biyokütle dicots ve gymnosperms türetilen çok daha az etkilidir (sert ağaçlar, softwoods, ve yerli forbs)32,33 lignin-karbonhidrat bazlı ester bağlantılarının küçük oranda nedeniyle. Ancak, bu bağlantılar bitki biyoteknolojisi kullanılarak odunsu hücre duvarlarına getirildiğinde, AFEX ön işlem süreci çok daha etkili olur34.
Ester bağlantılarının bölünmesi bazı biyokütle bileşenlerinin malzemeden çıkarılmasını sağlar, ancak dış hücre duvar yüzeylerinde ekstraktif olarak yeniden depolanır, bu da selülolitikenzimlerinpenetrasyonunu ve eylemini kolaylaştıran nano ölçekli deliklerin oluşmasıyla sonuçlanır. AFEX önceden işlenmiş mısır stover işlenmemiş malzeme ile karşılaştırıldığında yüksek katı koşullar altında enzimatik hidroliz aşağıdaki glikoz ve ksiloz salınım hızında kabaca 3 kat artış gösterdi. Amonyağ ön tedaviler de seyreltik asit ön işleme göre daha az ve çok daha az inhibitör bozulma ürünleri üretmek35. AFEX ve seyreltik asit tedavi mısır stover bir önceki karşılaştırma seyreltik asit ön arıtma üretir gösterdi 316% daha fazla asit, 142% daha fazla aromatikler, ve 3,555% afex daha fazla furan aldehitler36, tüm bunlar mikroorganizmalar için inhibitör olabilir35,37. AFEX kuru-kuru bir süreç olduğundan, enzimatik hidroliz sırasında ekonomik olarak kullanılamayacak seyreltik sıvı akışı olarak şeker kaybı da yoktur. Ancak, bu enzimler hem selüloz-aşağılayıcı ve hemiselüloz-grading yeteneği ile enzimler tamamen glukoz ve ksiloz gibi karışık fermente şekerler içine enzimler enzimler enzimler enzimleri enzimler enzimler enzimleri yol açar enzimler enzimleri enzimler enzimleri tam olarak enzimhidromatik hidroliz sırasında hücre duvarı polisakkaritler yıkmak için gereklidir. Hemisselülozik oligomerler selülaz aktivitesiin inhibe bildirilmiştir38, yüksek bir nihai şeker verimi korumak için daha yüksek bir enzim yükleme gerektirebilir. Ancak, uygun enzim kokteylleroptimizasyonu AFEX ön işlem görmüş biyokütle sakarifikasyon sırasında genel enzim kullanımını azaltabilir39,40,41,42,43,44,45. AFEX ön işlem sürecinde ester bağlantılarının hidrolizi ve ammonolizi, işlem görmüş biyokütlede asit ve amid ürünlerinin oluşumuna yol açar (örn. asetik asit/ asetamid, ferulik asit/ferulamid, koumarik asit/kuumarlamid)36. Amidoluşumu fermantasyon sürecine yardımcı olduğu gösterilmiştir rağmen, önceden işlenmiş hammadde çok yüksek konsantrasyonlarda onların varlığı bir endişe olabilir eğer hayvanların beslenen biyomlar. AfEX ön işlemden önce NaOH veya Ca(OH)2 gibi alkali ile ester bağlantılarının ön hidrolizi sorunu gidermek için kullanılabilir.
AFEX işlemi sırasında susuz amonya ile çalışırken göz önünde bulundurulması gereken bir dizi güvenlik hususları vardır. Susuz amonya bakır, pirinç, alüminyum, karbon çeliği ve contalarda kullanılan yaygın floroelastomer polimerlerle reaksiyona girer (örn. Viton, vb.). Amonya ile temas eden herhangi bir boru veya reaktör bileşeni paslanmaz çelikten, contalar, valf koltukları ve hızlı bağlantı contaları mümkün olduğunda Teflon veya Kalrez'den yapılmalıdır. Amonyağ toksik bir kimyasal olarak kabul edilmez, ancak higroskopik ve kriyojenik özellikleri nedeniyle hala tehlikelidir. Bu kolayca hedefler ve ciddi göz ve solunum sisteminde mukoza zarar verebilir. Amonyoni kriyojenik bir sıvıdır ve amonya sızıntıları gaz akışı veya soğutulmuş ekipman ile doğrudan temas nedeniyle şiddetli donma neden olabilir. Amonyya 300 ppm'nin üzerindeki konsantrasyonlarda yaşam ve sağlık (IDLH) için hemen tehlikelidir. Konsantrasyonun 50 ppm'yi aşması durumunda işçiler derhal tahliye edilmelidir. Operatörlerin çevrelerindeki tehlikeli konsantrasyonları uyarmak için kalibre edilmiş amonyak monitörü takmaları önerilir. Ana çalışma alanına alarmlı sensörler inşamaları da tavsiye edilir. Amonyağ ile çalışan işçiler düzgün bir şekilde eğitilmeli ve metilamin kartuşları ile donatılmış kaçış solunum cihazları, kriyojenik ve ısı koruyucu eldivenler gibi koruyucu giysiler giymeli ve acil durumlarla başa çıkabilmek için hazırlıklı olmalıdır. Susuz amonyamaruz kalma durumunda, operatör güvenli hareket etmeli ve hemen en az 15 dakika su ile etkilenen alanı yıkamak. Amonya ön işlem süreci bir duman kaputu içinde yapılmalıdır, ve amonya silindirya ya bir duman başlık veya havalandırmalı dolap içinde saklanmalıdır. Deneyden sonra, önceden işlenmiş biyokütle bazı artık serbest amonya olacak ve ya kaputta bir gecede kurutulmuş ya da takip deneyleri için oda sıcaklığında plastik torbalarda depolama önce özel bir havalandırmalı kurutma kutusunda olmalıdır. Diğer bazı önemli güvenlik hususları reaktöre amonyanın tam olarak teslim edilmesine yardımcı olacak bir akış ölçerile amonya dağıtım sistemi ve ön işlem sürecinin geçireceği basıncın en az 1,5 katını işlemek üzere tasarlanmış bir reaktör (örneğin, AFEX işleminin 2 x 106 Pa basınçta işlenmesi için, reaktörün minimum basınç derecesi 3 x 106 Pa olmalıdır) kurulmasıdır.
AFEX ön işleme doğrudan hayvan yemi veya yakıt ve kimyasallar üretmek için bir hammadde olarak kullanılabilir son derece sindirilebilir bitki biyokütle üretmek için umut verici bir yöntemdir. Bu iki endüstrinin ötesinde, AFEX biyomalzemeler yapmak için biyo-yenilenebilir hammadde gibi diğer alanlarda veya biyogaz üretimi için bir hammadde olarak kullanmak bulabilirsiniz. Laboratuvar ölçeğindeki süreç uygun havalandırmalı alan ve güvenlik önlemleri ile donatılmış bir laboratuvarda yapılabilir ve mevcut çalışmalarımız bu küçültülmüş AFEX işleminin ölçekli ve/veya pilot AFEX reaktöründe üretilen malzemeye benzer sonuçlar gösterdiğini doğrulamaktadır. Laboratuvar ölçeğindeki AFEX işlemi, hammaddeleri, işleme koşullarını ve uygulamaları daha yüksek bir iş akışı yla test etmek için kullanılabilirken, sürecin pilot veya endüstriyel ölçeklerde nasıl performans göstereceğine dair makul bir beklenti sağlar.

Amonyağ lif genleşmesi (AFEX), selülozik biyokütle ön arıtmaiçin ana reaktan olarak uçucu amonyağ kullanan termokimyasal bir ön işlemdir. Bu süreç aslında Bruce Dale tarafından uygun maliyetli lignocellulosic biyokütle recalcitrance azaltmak ve fermente şekerler içine biyolojik olarak katalize önceden işlenmiş biyokütle yapısızlaştırma geliştirmek için icat edilmiştir1,2. Diğer birçok sulu bazlı termokimyasal ön işlemlerin aksine3, AFEX biyokütle bileşiminde önemli bir değişikliğe neden olmayan ve ilgili atık üretimi ve gideri ile yıkama adımı gerektirmeyan kuru-kuru bir süreçtir. Aşırı uçucu amonyağın geri kazanımı pilot ölçekte gösterilmiştir ve bu da atık üretimi ve işleme maliyetlerinin azalmasına yol açmıştır. MBI tarafından geliştirilen pilot ölçekli dolu yatak AFEX reaktör sistemi (Şekil 1) buhar sıyırma kullanarak artık amonya kurtarır ve yeni bir paketlenmiş yataksıcak,konsantre amonya aktarıyor 4,5. AFEX ön işlemden sonra, biyokütleye dahil olan küçük miktarda azot, geviş yanıcı hayvanlar ve mikroorganizmalar tarafından protein dışı azot olarak kullanılabilir. Ayrıca, çeşitli fizikokimyasal mekanizmalar aracılığıyla biyokütle ultrayapı değiştirerek6,7,8, AFEX karbonhidrat-aktif enzimler biyokütle erişilebilirliğini artırır (CAZymes) ve birkaç kat polisakkaritler hidroliz oranlarını artırır8,9, ayrıca onların selülolitik mikrobiyom 4 ile ruminant hayvanlar tarafından sindirilebilirliğini artırır4,10,11,12. Çiftçiler uzun düşük susuz amonya yüklemeleri varlığında plastik brandalar altında gün veya hafta için biyokütle kuluçka tarafından ruminant yemlerin sindirilebilirliğini artırmak için bu yöntemin basit bir sürümünü istihdam var (<4% kuru biyokütle w / w temeli) ve ortam basınçları ve sıcaklıklar10,11.
Susuz amonyya ilk 1950'lerde odun delignify potansiyeli için araştırıldı ve 1970'lerin başında bir hamur kimyasal ı olarak13,14,15,16,17,18. 1980'lerin başında, basınçlı, yüksek sıcaklık, konsantre amonyak (>30% NH4OH) alt kritik koşullar altında ilk olarak Dale laboratuvarında lignoselülozik biyokütlenin enzimatik sindirilebilirliğini ve mikrobiyal fermanferitliğini artırmak için kullanılmıştır19. Bu süreç yıllar içinde çeşitli isim değişiklikleri yapıldı, amonya dondurma patlama olarak başlayan, ve sonra amonya fiber patlama, ve son olarak, amonya lif genişleme, ya da sadece AFEX. Bu aynı zamanda (1980'lerin ortalarında), DuPont (şimdi Dow-DuPont) da biyokütle20,,21,,22sindirilebilirliğini artırmak için süperkritik ve yakın kritik susuz amonyak bazlı ön tedavi süreçleri kullanarak araştırdı . Son yıllarda, amonyak geri dönüşüm / percolation23 (ARP), sulu amonyak (SAA) veya amonyak geri dönüşüm olmadan Dow-DuPont süreci sırılsıklam dahil olmak üzere bir ön tedavi reaktif olarak seyreltik sulu amonyak çözümleri kullanarak vurgu artmıştır24. Birkaç ek yöntem susuz amonya kullanımı baktım (düşük nem susuz amoni (LMAA), ve düşük sıvı amonya pretreatment25 (LAA). Son birkaç yıl içinde, sıvı susuz amonyak26,,27 ve amonyak tuzu bazlı solüsyon28 yüksek sıvı katı yüklemeler kullanan iki yeni gelişmiş organosolv tipi ön arıtma teknolojileri son zamanlarda seçici lignin fraksiyonu ve ultra düşük enzim yüklemeleri ön işlemsel selülozik biyokütle yüksek verimlilik enzimhidroliz sağlayan geliştirilmiştir. Yakın tarihli bir inceleme makalesi amonyak tabanlı öntedaviler29çeşitli formları arasındaki benzerlikler ve farklı farklılıklar vurgulamıştır. Ancak, yakınzamanakadar 4 , amonyak tabanlı ön işlem süreçlerinin (AFEX gibi) verimli bir şekilde bu süreçte kullanılan konsantre amonyak kapalı döngü kimyasal geri dönüşüm ile birleştiğinde hiçbir pilot ölçekli gösteriler vardı.
Bu yazıda, laboratuvar ölçeğinde selülozik biyokütlenin ön işlem görmüş biyokütlenin gram pulu (örn. 1 ila 100 g) üretmek için en sık kullanılan AFEX protokolünü ayrıntılı olarak açıklıyoruz. Tipik olarak, biyokütle su ile karıştırılır (0.1-2.0 g H2O/g kuru biyokütle) ve özel olarak inşa paslanmaz çelik boru veya Parr tipi reaktörler içine yüklenir. Daha sonra reaktöre susuz amonya (0.3-2.0 g NH3/g kuru biyokütle) eklenir ve karışım istenilen reaksiyon sıcaklığına (60-180 °C) Kadar ısıtılır. 1980'lerden 1990'lara kadar AFEX süreci yle ilgili daha önceki yayınlar, sıcaklık rampasından hemen sonra tedavi öncesi ikamet süresini (örn. 5-60 dk) başlatmedı. Ancak, amonyak reaktöre eklenir eklenmez reaksiyonlar meydana geldiğinde, mevcut AFEX prosedürü reaktöre amonyak ilavesi sonrasında oturma süresini izlemeye başlamaktır. 90 °C veya daha büyük sıcaklıklarda, ilk sıcaklığıminimum bir süre (yani, <5 dk) düşük bir süre ye kadar yüksek tutmak için amonyağ yüklemeden önce biyokütlenin önceden ısıtılması genellikle gereklidir. İkamet süresinin bitiminde, basıncı hızla serbest bırakmak için bir vana açılır ve gaz fazı içeriği uygun bir kimyasal duman kaputuna dönüşür. Amonkarın sıvıdan gaz fazına hızlı bir şekilde dönüştürülmesi de reaktörün soğumasına neden olur. Küçük reaktörler (<100 mL reaktör hacmi) genellikle duman kaputuna hemen boşaltılabilirken, daha büyük reaktörlerin (>100 mL reaktör hacmi) soğuması için ek zamana ihtiyaç duyabilir. Kullanıcı güvenliği için, daha büyük ölçekte (>100 g amonya reaktör çalıştır, azot ile tasfiye gemiden mümkün olduğunca fazla amonyan çıkarmak ve boşaltmadan önce reaktör içeriğini soğutma yardımcı önerilir. Tipik olarak, amonigeri dönüştürmek ve/veya kurtarmak için laboratuvar ölçeğinde hiçbir girişimde bulunulmaz. AFEX ön işlem sürecinin ölçeklendirilmesi için en önemli tasarım zorluklarından biri, en az sermaye ve işletme maliyetleriyle amonyakların geri dönüştürülmesi olmuştur. Ayrıca, biyokütle sıvı amonya ekleyerek genellikle biyokütle soğur sıvı kısmi yanıp söner sürücüler, AFEX tedavi başlamadan önce biyokütle-amonya karışımı ısıtma gerektiren. Sıvı olarak amonyak eklemek yerine, biyokütleye amonyak buharı eklemek iki avantaj sunar: Birincisi, toplu biyokütlenin yüksek gözenekliliği amonyak buharının hızla taşınmasına izin verir ve biyokütle boyunca amonyak dağılımına bile yol açmaktadır. İkinci olarak, amonyağ buharı kolayca ve ekothermically nemli biyokütle entrained suya çözülür, hızlı ve eşit biyokütle ısıtır ısı üretimi ile sonuçlanan. Bu avantajlardan yararlanmak için hem MSU Dale laboratuvarı hem de MBI amonya buharı kullanarak AFEX tedavi yöntemleri geliştirmiştir. Dale laboratuvarı Gazlı Amonya Ön Arıtma (GAP) prosesi30geliştirdi ve MBI, pilot ölçekte gösterildiği paketlenmiş yatak AFEX reaktör prosesi(Şekil 1)4'ü geliştirdi. Paketlenmiş yatak AFEX reaktör sistemi bir buhar sıyırmayöntemi4 kullanarak amonya tam geri dönüşüm ile yarı toplu mod çalışma yeteneğine sahiptir 4,5. Bu yeni MBI pilot ölçekli süreç verimli amonyağ geri dönüşüm sırasında verimli bir şekilde biyokütle pretreat için amonyağ kimyasal ve fiziksel özellikleri yararlanır.
Burada, özel olarak inşa edilmiş 200 mL hacimli borurerererereretleri kullanarak laboratuvar ölçeğinde mısır stover AFEX ön işlem yapmak için ayrıntılı bir anahat salıyoruz(Şekil 2). AFEX önceden işlenmiş numuneler, ön işlem süreçlerinin etkinliğini göstermek için ticari olarak mevcut selülolitik enzim kokteylleri kullanılarak fermente edilebilir şekerlere sindirilmiştir. Laboratuvar ölçekli AFEX reaktörü için enzimatik hidroliz sonuçları daha büyük pilot ölçekli AFEX reaktör üretilen örneklerle karşılaştırıldı. Amacımız mısır stover gibi selülozik biyokütle üzerinde AFEX ön işlem gerçekleştirmek için laboratuvar ölçekli basınçlı reaktörlerin güvenli ve tutarlı çalışması için standart bir işletim prosedürü sağlamaktır. Bu laboratuvar ölçekli AFEX ön işlem sürecine ilişkin varyasyonlarla ilgili ek destekleyici bilgiler (örn. pilot ölçekli paketlenmiş yatak AFEX süreci) ek pdf dosyasında daha fazla vurgulanır. Paketlenmiş yatak AFEX süreci operasyonel adımlar hakkında ayrıntılı bir rapor ayrı bir yayında vurgulanır ve MBI-MSU'nun isteği üzerine kullanılabilir.

<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 malzemeler bitki kaynaklı hammaddeler, bitki kaynaklı hammaddeler, örneğin, mısır stover, pirinç saman ve şeker kamışı bagasse) ve amaca yetiştirilen enerji bitkileri (örneğin, miscanthus, ve switchgrass) biyoyakıt, biyokimyasallar ve hayvan yemi üretmek için büyük miktarlarda mevcuttur. Hücre duvarları nın içine gömülü bitki polisakkaritleri (yani selüloz, hemiselüloz ve pektin) yararlı ürünlere dönüştürmeye yönelik son derece inatçıdır. Amonyağ lif genişlemesi (AFEX), polisakkaritlerin hidroliz enzimlerine fermantatabi şekerlere erişilebilirliğini artıran termokimyasal bir ön işlemdir. Bu serbest bırakılan şekerler bir biyorafineri yakıtlar ve kimyasallar dönüştürülebilir. Burada, herhangi bir amonyon geri dönüşüm olmadan gram ölçeğinde önceden işlenmiş biyokütle üretmek için bir laboratuvar ölçekli toplu AFEX süreci açıklar. Laboratuvar ölçeğindeki süreç, optimum ön arıtma koşullarını (örneğin, amonyak yüklemesi, su yüklemesi, biyokütle yüklemesi, sıcaklık, basınç, oturma süresi, vb.) belirlemek için kullanılabilir ve ayrıntılı fizikokimyasal karakterizasyon ve enzimatik/mikrobiyal analiz için yeterli miktarda işlem görmüş numune üretir. Laboratuvar ölçekli AFEX prosesi kullanılarak ön işlem yapılan mısır stover enzimatik hidrolizinden fermente edilebilir şekerlerin verimi, benzer ön işlem koşullarında pilot ölçekli AFEX prosesi ile karşılaştırılabilir. Bu makale, lignoselülozik biyokütlenin AFEX ön işlemini gerçekleştirmek için laboratuvar ölçekli reaktörlerin güvenli ve tutarlı çalışması için ayrıntılı bir standart işletim prosedürü sağlamak için tasarlanmıştır.

AFEX ön işlemden sonra, biyokütle koyu renklidir, ancak görsel olarak değişmemiştir (Şekil 3). AFEX işlemi, bu protokolde belirtilenin yanı sıra çeşitli ölçeklerde son derece sindirilebilir bir malzeme üretir. Burada, küçük 200 mL, paketlenmiş yataklı, tezgah ölçekli sistemimizde aynı mısır stover örneğini önceden tedavi ettik; daha büyük bir 5 galon, Parr reaktör karıştırılır; ve MBI'nin pilot reaktörü. İki küçük reaktör için kullanılan koşullar (yani, 200 mL ve 5 galon ölçekli) 1.0 g NH3:g kuru biyokütle, 0.6 g H2O:g kuru biyokütle, 100 ± 5 °C'de 30 dakika idi. Pilot ölçekli AFEX4 aynı malzeme üzerinde 0,6 g NH3:g kuru biyokütle, 0,6 g H2O:g kuru biyokütle, 100 ± 5 °C'de 30 dakika süreyle gerçekleştirilmiştir. AFEX ön işlemesini daha büyük ölçeklerde yürütmek için kullanılan protokollerle ilgili ayrıntılar destekleyici bilgilerde verilmiştir (bkz. Ek Dosya 1). AFEX ön işleme için hedef sıcaklık esas alınaaşağıdaki 'Kalite Kontrol Kriterleri' oluşturulmuştur. Eğer ayar noktasına ulaştıktan sonra, reaktör sıcaklığı ± 10 °C'nin dışına çıkarsa, deney iptal edilmelidir. Amonya pompalamadan sonra hedef sıcaklığa (5 °C içinde) 5 dakika içinde ulaşılamazsa, deneyi iptal edin. Buna ek olarak, AFEX süreci için ön işlem etkinliği fermente şekerler içine erişilebilir polisakkaritler hidrolize için selülolitik enzim kokteylleri kullanılarak test edilebilir. Numuneler % 6 glukan yükleme, pH 5.0, 50 °C ve 250 rpm sallayarak inkübatörde 72 saat boyunca enzimatik olarak hidrolize edildi. Tüm sakkarizma tahlillerinde %60 selülaz (CTec3):%40 hemiselulase (HTec3 veya NS22246) içeren ticari bir protein kokteyli 15 mg enzim/g glukan yüklü sabit toplam protein yüklemesi esasalınarak kullanılmıştır. Sonuçlar(Şekil 4)AFEX ön arıtmanın her durumda fermente edilebilir şekerlerin verimini önemli ölçüde artırdığını göstermektedir. Ayrıca, laboratuvar ölçekli AFEX süreci kullanılarak biyokütle ön işlem için selüloz / ksilan hidroliz verimleri büyük 5 galon Parr reaktör ve MBI pilot ölçekli dolu yatak AFEX süreci ile karşılaştırılabilir.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig1.jpg"> Şekil 1. MBI'nin AFEX reaktörünün etkili amonyon geri dönüşümüyle tam entegre lignocellulosic biyokütle yedirme için pilot ölçekli operasyonunda yer alan adımların şematik anahatları. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig1large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig2.jpg"> Şekil 2. A) amonya dağıtım sistemi ve B) küçük 200 mL AFEX ön işlem reaktörünün laboratuvar ölçeğindeki şemaları video protokolünde belirtilen AFEX işlemini gerçekleştirmek için kullanılmıştır. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig2large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig3.jpg"> Şekil 3. AFEX önceden işlenmiş biyokütle, işlenmemiş biyokütleye göre çok benzer bir brüt morfolojiye sahiptir, bunun dışında biraz daha koyu renklidir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig3large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57488/57488fig4.jpg"> Şekil 4. %6 glukan yüklemeafex işlenmiş mısır stover 72 h enzimatik hidroliz sonra elde edilen glikoz ve ksiloz verimleri burada gösterilmiştir. Tüm sakarlaştırma tahlilleri burada bildirilen ortalama değerler (m) ile çoğaltılarak gerçekleştirilmiştir. Standart sapmalar (1s) burada hata çubukları olarak bildirilir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/57488fig4large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Ek Dosya 1: Ek protokoller <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/Supplementary_Information.pdf" target="_blank">Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.</a>
Ek Tablo 1: Amonya dağıtım sistemi ve payanda çerçevesi <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57488/Supplemental_Table_1.xlsx" target="_blank">Bu dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.</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

Amonyak elyaf genişletme (AFEX), lignocellulosic biyokütle (örneğin, mısır stover, pirinç saman ve şeker kamışı bagasse) hem biyoyakıt lar hem de hayvan yemi uygulamaları için son derece sindirilebilir bir hammaddeye dönüştürebilen termokimyasal bir ön işlem teknolojisidir. Burada, lignoselülozik biyokütle üzerinde AFEX ön işlem yapmak için laboratuvar ölçeğinde bir yöntem açıklanmaktadır.

Amonyya Lif Genleşme (AFEX) Lignoselülozik Biyokütle Ön Arıtma

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

Amonyak lif genişletme ön arıtma, ayrıca AFEX olarak bilinen, yenilenebilir yakıtlar üretmek için kullanılabilecek bir kimyasal işleme yöntemidir, kimyasallar, veya bitki hücre duvarlarından hayvan yemi, ayrıca lignocellulosic biyokütle olarak bilinen. AFEX çeşitli lignoselülozik malzemelerde kullanılmış olsa da, en çok otlar ve ot bazlı tarım artıkları üzerinde etkilidir. AFEX sırasında, son derece konsantre amonyum hidroksit bitki hücre duvarında ester bağlantıları kırmak ve mikro ölçekli gözenekleri nano tanıtmak için bir biyokütle ile reaksiyona girer.Bu hücre duvarı polisakkaritler enzimatik dekonstrüksiyon kolaylaştırır. Sonuç olarak, biyokimyasal olarak yakıtlara ve kimyasallara daha kolay dönüştürülen veya yüksek oranda sindirilebilir hayvan yemi olarak kullanılabilen bir bitki malzemesidir. AFEX'in diğer ön işlem süreçlerine kıyasla bir takım temel avantajları vardır.İlk olarak, AFEX düşük su kullanımı vardır ve yoğunlaşmış ve kolayca sevk edilebilir bir çoğunlukla kuru malzeme üretir oldukça benzersizdir. AFEX süreci aynı zamanda mikrobiyal fermantasyon süreçleri ile son derece uyumlu kılan furans gibi mikrobiyal inhibitörleri az miktarda üretir. Proses ekonomisini iyileştiren tedavi öncesi kimyasal amonyağın büyük bir kısmını kurtarmak da mümkündür.Pilot ölçekli AFEX ön işleme ve amonyya kurtarma Lansing, Michigan bulunan MBI pilot tesisi günde bir ton kapasite gösterilmiştir. Aşağıdaki protokol, AFEX sürecinin laboratuvar ölçeğinde çalışmasıyla ilgili adımları açıklayacaktır. Bu tekniği gösteren Jacob Aguado, bizim araştırma grubunda çalışan lisans öğrencilerinden biri olacaktır.Başlamak için, ilk bir nem analizörü kullanarak işlenmemiş biyokütlenin nem içeriğini belirlemek. Biyokütle 25 gram tartmak ve bir sprey şişesi kullanarak, hedef nem içeriğine ulaşmak için distile su kullanarak bitki biyokütle nem içeriğini ayarlayın. Mısır stover için, bu genellikle kuru biyokütle gram başına su 0.6 gram.Örneği elle karıştırın. Reaktör tüpünün altına bir kapak ve Teflon conta yerleştirerek reaktör gövdesini monte edin. Islilmiş biyokütleyi monte edilmiş reaktör tabanına aktarın ve biyokütlenin üstüne bir cam yünü fişi yerleştirin.Reaktörün üstüne bir Teflon conta yerleştirin. Bölgenin biyokütle ve cam yününden arındırılmış olduğundan emin olun, bu da etkili bir mührün önüne geçebilecek ve reaktör kafasını cam yünü ve biyokütle ile üst manevra termokuplunun üzerine yerleştirin. Kelepçeyi her iki tarafta eşit bir şekilde bir çıngıraklı kullanarak reaktörün üst tarafına sabitle.Reaktörü tartın ve ağırlığı kaydedin. Tüm ekipmanların takılı ve çalıştırılabilir olduğunu onaylayın, zamanlayıcıyı her reaktör ve çalışacak numune için istenilen oturma süresine ayarlayın. Programlanabilir şırınga pompasını açın ve amonya dağıtım yöntemini ayarlayın ve kolaylık sağlamak için kaydedin.Küçük amonya silindirinin içine ve dışına çıkan tüm vanaların kapalı olduğunu doğrulayın. Silindir daha önce kullanılmış sayılmalı ve artık amonyak veya azot içeriyorsa, sıvı amonyak fışkırmaya başladığında herhangi bir nitrojeni kanaması ve vanayı kapatmak için küçük amonyak silindirinin üstündeki A valfini yavaşça açın. Küçük amonya silindiri doldurmak için, büyük susuz amonya silindirve amonya hattındaki tüm vanaları açın.Basınç stabilize olana kadar küçük amonyak silindirinin üst kısmında b valfi yavaşça açın. Bir sonraki adıma devam etmeden önce beş dakika bekleyin. Amonyak tankı ile küçük silindir liyada b'den başlayarak soldan sağa doğru çalışan ve amonyak tankının üstündeki ana valfte bitiren küçük amonyak silindiri arasındaki tüm vanaları kapatın.Azot regülatörü 350 psi'ye ayarlayın. Azot silindirindeki valfı ve bağlı regülatördeki valfi açın. Küçük amonya silindirinde C valfi açın ve yavaş yavaş sisteme basınç üzerinde azot ekleyin.Regülatörüzerindeki ayar noktasını ayarlayarak küçük silindirin basıncını gerektiği gibi 350 psi'ye ayarlayın. Amonya dağıtırken azot hatlarını açık tutun. 100 santigrat dereceden daha yüksek reaksiyon sıcaklıkları için, amonyağ eklemeden önce biyokütle ve reaktörü önceden ısıtmanız gerekir.Sıcaklık monitörünü termokupla ve ısıtma bandını sıcaklık kontrol cihazına takın. Reaktörü 60 santigrat dereceye çıkarmak için sıcaklık kontrol cihazını manuel olarak ayarlayın. İstenilen amonyon yüklemeve önceden belirlenmiş amonyan kalibrasyonuna göre gerekli amonyan hacmini hesaplayın.Amonyonun doğru miktarda yüklemek için şırınga pompası yöntemini ayarlayın, sonra küçük amonya silindiri ve şırınga pompası arasındaki hatlardan egzoz ve şırınga pompası hattındaki vanaları amonya silindirinin altındaki vanaları açıp kapatarak artık amonyaya için ayarlayın. Reaktörün sıcaklık monitörü ve sıcaklık kontrol cihazını çıkar. Reaktörü hızlı bağlantıya bağlayın.Küçük amonya silindirine doğru D valfi açın ve E valfi küçük amonya silindirine doğru. Sırayı başlatmak ve şırıngaiçine amonyak çizmek için pompa üzerinde yeşil ok basın. Şırınga bekleme süresi boyunca otomatik olarak durduğunda, şırınga valfini reaktöre ve reaktör giriş vanasına doğru çevirin, böylece hızlı bağlantı sapına doğru işaret edin.Gecikmeden sonra şırınga infüzyona başlar ve ayar noktasında otomatik olarak durur. Reaktör vanasını ve vanasını kapatın D.Açık valf F şırıngadan artık amonyak serbest bırakmak için, sonra egzoza doğru f ve kapak E.Open valf D'yi kapatın, sonra artık amonyak gittikten sonra kapatın. Kriyojenik eldiven giyerken, reaktörü hızlı bağlantıdan çıkarın.Potansiyel amonyan spreydikkatli olun. Uygun reaktör için zamanlayıcıyı çalıştırın. Elektronik tablo hesaplamalarına göre uygun amonya ağırlığının eklandığını doğrulamak için reaktör ünitesini tartın.Sıcaklık monitörünü termokupla ve ısıtma bandını sıcaklık kontrol cihazına takın. Amonya ilavesini takiben reaktörün ilk sıcaklığını ve basıncını kaydedin. Reaktörü ayarlanan sıcaklığa getirmek için sıcaklık kontrol cihazını manuel olarak ayarlayın.Amaç, beş dakikadan kısa bir sürede belirlenen noktaya ulaşmaktır. İkamet süresinin sonuna kadar her üç dakikada bir reaktörün basıncını ve sıcaklığını kaydedin. İkamet süresinin sonunda, reaktörü sıcaklık kontrol örüntüsünden ve termokupldan ayırın, reaktörü standdan çıkarın ve duman kaputunun içindeki top serbest bırakma vanasını yavaşça açın.Bu adımda her zaman yüz kalkanı takın. Reaktörün birkaç dakika soğumasına izin vererek, reaktördeki kelepçeleri açmak için bir çıngırak anahtarı kullanın. Bir duman başlık içinde iken reaktörden biyokütle ve cam yünü boşaltın.Artık amonyağ buharlaşır gibi biyokütle havadan kontaminasyon önlemek için, havalandırılmış bir alan içinde kapalı bir kurutma kutusu içinde biyokütle kurutmak için en iyisidir. Hala açıksa, amonyak silindirine ve azot hattındaki tüm vanalara bağlanarak tüm vanaları açın. AFEX ön işlemden sonra, biyokütle renk koyu olacak, ama aksi takdirde görsel olarak değişmeden.AFEX, bu protokolde belirtilenin yanı sıra çeşitli ölçeklerde son derece sindirilebilir bir malzeme üretir. Biz günde biyokütle bir ton işlemek mümkün bizim 200 mililitre paketlenmiş yatak tezgah ölçek sistemi, beş galon karıştırılmış güç reaktörü ve MBI pilot reaktör kullanarak aynı mısır stover örnek önceden tedavi. İki küçük reaktör için kullanılan koşullar kuru biyokütlenin gramı başına bir gram amonya, 100 santigrat derecede 30 dakika boyunca kuru biyokütle gramı başına 0,6 gram su idi.Pilot ölçek AFEX, amonya yüklemesinin kuru biyokütlenin gramı başına 0,6 gram amonyya olması dışında aynı koşullarda aynı malzeme üzerinde gerçekleştirilmiştir. Numuneler % 6 glukan yükleme, pH beş, 50 santigrat derece ve 250 rpm sallayarak kuvözde 72 saat boyunca enzimatik hidrolize edildi. Glukan gramı başına enzim proteininin 15 miligramında %60 selülaz ve %40 hemi-selülasazdan oluşan ticari bir enzim kokteyli yüklendi.Sonuçlarımız, AFEX ön arıtmanın işlenmemiş biyokütleye kıyasla fermente edilebilir şekerlerin verimini önemli ölçüde artırdığını göstermektedir. Ayrıca, biyokütle için 72 saatlik hidroliz verimleri üç süreçleri kullanarak önişlem ile birbirlerine karşılaştırılabilir. AFEX işlemini takiben, önceden işlenmiş malzemeler kuru kaldığı ve yüksek katı enzimatik hidroliz ve fermantasyon, konsolide biyoişleme veya hayvan yemi testi gibi çeşitli dönüşüm deneyleri için kullanıldığı sürece süresiz olarak saklanabilir.Susuz amonyonun güvenli kullanımı üzerine AFEX merkezlerinin uygulanması sırasında önemli bir husus. AFEX deneyleri her zaman havalandırılan bir alan içinde yapılmalıdır ve araştırmacılar amonya maruzkalmaönlemek için uygun güvenlik önlemleri almalısınız ve acil bir durumda nasıl tepki hakkında bilgi. Sonuç olarak, amonyak lif genişletme ön arıtma biyokütle rekalsitrants azaltmak ve daha verimli yakıtlar, kimyasallar üretmek ve yenilenebilir bitki bazlı hammadde hayvan yemi son derece umut verici bir yöntemdir.

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

Toplam Lignin, lignin Monomer ve enzimatik Şeker Yayın: Lignocellulosic Biyokütle rekalsitrantların Varyasyonları yüksek verimlilik Taraması

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

Ticari dan Eş Çarpımların olarak Alkenones izolasyonu ile Biyodizel Üretimi için Deneysel Protokolü<em&gt; Isochrysis</em&gt; Alg Biyokütle

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

Atıksu Arıtma Süreçlerinin Etkinliğinin Değerlendirilmesi için Kimya ve Ekotoksikolojik Yöntemlerinin bir pil kullanılması östrojenik Potency çıkarmak

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

Düşük maliyetli İyonik Sıvılar ile Lignoselülozik Biyokütle tedavi öncesi

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

Tozlaşma Ekoloji Saha Deneyleri: Örneği<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

Ipecac düğümler arası kültür sırasında endojen Auxin ve Cytokinin miktar

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

Pentosan analizi için yeni bir yöntem mevcut Jüt biyokütle ve şeker monomerleri asidik iyonik sıvı kullanarak içine onun dönüşüm

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

Daha yüksek azot - biyokütle tabanlı karbon Mesoporous hazırlanması / oksijen şelat adsorpsiyon ile mikrodalga ön Pyrolysis Cu(II)

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

Korozif Baca Gazlı Tezgah Ölçekli Fotobiyoreaktörde Mikroalg Ekimi ve Biyokütle Kantifikasyonu

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

İnşaat ve Yıkım Atık Plastik Fraksiyonlarının Ahşap-Polimer Kompozit Özellikleri Üzerine Etkisi

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