Name: fractionation of lignocellulosic biomass using the organocat process
Uploaded: 2021-06-05T13:00:00
Duration: 6 min 19 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fractionation of Lignocellulosic Biomass using the OrganoCat Process at JoVE.com

Questo lavoro è stato svolto nell'ambito del Cluster of Excellence "Tailor-Made Fuels from Biomass" e del "Fuel Science Center", che sono finanziati dall'Excellence Initiative della German Research Foundation per promuovere la scienza e la ricerca nelle università tedesche, nonché parte del Bioeconomy Science Center (BioSC), supportato nel progetto AP³ Focus Lab. Le attività scientifiche del Bioeconomy Science Center sono state sostenute finanziariamente dal Ministero dell'Innovazione, della Scienza e della Ricerca nell'ambito del NRW Strategieprojekt BioSC (n. 313/323-400-002 13).

NOTA: Il processo può essere sospeso in qualsiasi momento lasciando i campioni a temperatura ambiente (per alcuni giorni) o in frigorifero (per periodi più lunghi). Vedere la Tabella dei materiali per i dettagli sui materiali utilizzati in questo protocollo.
1. Particelle di legno di faggio
<ol><li>Generare la dimensione delle particelle desiderata del legno di faggio(Fagus sp.) utilizzando un mulino da taglio con un setaccio da 10 mm e asciugare le particelle a 50 °C a massa costante (~ 24 h), lasciando un contenuto di umidità residua di ~ 10% di acqua.</li>
</ol>2. Frazionamento lignocellulosico e workup
<ol><li>Pretrattamento e frazionamento della lignocellulosa<ol>
<li>Sospendere 500 mg di particelle di legno di faggio (Fagus sp.)e 78,0 mg (0,5 mmol, 0,1 M) di FDCA in 5 mL di acqua ultrapura a temperatura ambiente in un reattore ad alta pressione in acciaio inossidabile da 25 mL. Aggiungere 5 ml di 2-MTHF e una barra di agitazione alla sospensione e chiudere il reattore. Riscaldare il reattore a 160 °C su una piastra riscaldante ad una velocità di agitazione di 1500 giri/min per 1 ora.</li>
		<li>Lasciare raffreddare la reazione a temperatura ambiente in acqua ghiacciata per un periodo di ~ 10 minuti. Aprire il reattore, aggiungere 52,5 μL di soluzione di NaOH (50% in peso di NaOH in acqua distillata) e mescolare per 15 minuti a temperatura ambiente e 500 giri / min su una piastra di agitazione.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Isolamento della fase organica e quantificazione della lignina<ol>
<li>Centrifugare la miscela (temperatura ambiente, 5 min, 1880 × g). Utilizzare una pipetta per trasferire la fase organica (2-MTHF) in un pallone a fondo tondo da 50 ml.</li>
		<li>Evaporare la fase organica in un evaporatore rotativo (40 °C, 200 rpm, 180 mbar) fino ad ottenere una frazione di lignina solida e secca. Determinare la resa della lignina pesando con una bilancia analitica. Conservare la lignina solida a temperatura ambiente per ulteriori analisi.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Separazione della polpa arricchita di cellulosa solida e della fase acquosa<ol>
<li>Filtrare la fase acquosa utilizzando una carta da filtro di cellulosa (dimensione dei pori di 17-30 μm) in un imbuto per isolare la polpa arricchita di cellulosa e trasferire la fase acquosa in un flaconcino da 5 ml. Lavare la polpa fino a pH neutro con 3 x 25 mL di acqua e conservare la soluzione di lavaggio separatamente in un becher da 100 ml. Asciugare la polpa a 80 °C a massa costante (~24 h).</li>
		<li>Determinare la resa della polpa essiccata pesando con una bilancia analitica.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Recupero FDCA e isolamento della fase acquosa<ol>
<li>Regolare il pH della fase acquosa e della soluzione di lavaggio dal punto 2.3 separatamente a pH 1 a pH 1 utilizzando HCl concentrato mentre si raffredda la soluzione in un bagno di ghiaccio. Controllare il pH utilizzando carta indicatore universale.</li>
		<li>Filtrare il solido precipitato (FDCA) da entrambe le soluzioni, combinare i residui e asciugare a 80 °C a massa costante (~24 h). Scartare i lavaggi. Determinare la resa FDCA pesando con una bilancia analitica.</li>
		<li>Trasferire la fase acquosa in un matraccio da 25 mL e conservarla a 4 °C per l'analisi.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparazione del campione per la quantificazione furfurasa<ol>
<li>Eseguire un esperimento separato per determinare la quantità di furfurolo. Ripetere i passaggi 2.1.1-2.2.1.</li>
		<li>Aggiungere 40 mg di n-decane come standard interno alla frazione di solvente organico raccolta e conservare per l'analisi.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Analisi
<ol><li>Analisi dello zucchero in fase acquosa mediante cromatografia ad scambio anionico ad alte prestazioni con rivelazione amperometrica pulsata (HPAEC-PAD)<ol>
<li>Diluire 10 μL della fase acquosa raccolta nella fase 2.4.3 con 190 μL di acqua distillata. Aggiungere 10 μL di 2 mM 2-deossi-D-glucosio al campione diluito.</li>
		<li>Eseguire la separazione dei monosaccaridi su una colonna di separatore monosaccaridi con una portata di 0,5 ml∙min-1e iniettare il campione dopo l'equilibrio con 2 mM NaOH per 10 minuti. Separare gli zuccheri neutri con 2 mM NaOH per 18 min. Successivamente, utilizzare 550 mM NaOH per 10 minuti per separare gli acidi uronici. Risciacquare la colonna con 800 mM NaOH per 10 min. NOTA: Il software normalizza le quantità di monosaccaridi alla quantità dello standard interno e le quantifica utilizzando curve di calibrazione standard dei diversi monosaccaridi.</li>
	</ol></li>
	<li>Analisi della lignina tramite risonanza magnetica nucleare a correlazione quantistica singola eteronucleare 1H-13C (1H-13C-HSQC NMR)<ol>
<li>Sciogliere ~50 mg di lignina in 0,5 mL di dimetilsolfossido deuterato ([d6]DMSO) e trasferire la miscela in un tubo NMR. Eseguire misurazioni NMR HSQC (tempo di misurazione 220 min)H-13C utilizzando uno spettrometro a 400 MHz.</li>
		<li>Determinare i tipi di collegamenti presenti nella lignina utilizzando lo spettro.<ol>
<li>Fare riferimento allo spostamento chimico dello spettro al segnale DMSO (δ(1H) = 2.500 ppm; δ(13C) = 39.52 ppm).</li>
			<li>Eseguire una correzione di fase manuale su entrambi gli assi fino a quando tutti i segnali sono positivi, quindi eseguire una correzione di base.</li>
			<li>Integrare i segnali delle unità aromatiche e i collegamenti della lignina; cfr. tabella 1 per i turni chimici.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Calcola la somma delle unità aromatiche (arom.) usando la seguente formula: Σ(arom.) = (S2,6 / 2) + ((G2 + G5) / 2) + (H2,6 / 2) (1) Con Si che è l'integrale sul segnale corrispondente ai protoni siringilici 2 e 6, G i èl'integrale sui segnali corrispondenti ai protoni guaiacil 2 e 5 e Hi è l'integrale sul segnale corrispondente ai protoni 2 e 6 p-idrossifenile.</li>
		<li>Calcola la percentuale di ogni unità utilizzando le seguenti formule: S = (S2,6/ 2) / Σ(arom.) × 100% (2) G = ((G2 + G5) / 2) / Σ(arom.) × 100% (3) H = (H2,6 / 2) / Σ(arom.) × 100% (4) Con S, G e H che sono le percentuali delle rispettive unità monomeri-siringil- (S), guaiacil- (G) e p-idrossifenil (H)-monomero per 100 unità monomeriche.</li>
		<li>Calcolare il numero di collegamenti per 100 unità utilizzando le seguenti formule: β-O-4 collegamenti = α β-O-4 / Σ(arom.) × 100% (5) collegamenti = (α β-β + β β-β + γ β-β) / Σ(arom.) × 100% (6) collegamenti = (α β-5 + β β-5 + γ β-5) / Σ(arom.) × 100% (7) Con α, β e γ come integrale sul segnale corrispondente ai segnali α-, β- e γ-protoni dei corrispondenti collegamenti β-O-4-, β-β- e β-5. NOTA: i collegamenti sono indicati come leveraggio per 100 unità monomeriche. A causa della sovrapposizione di picchi, β-O-4 viene calcolato utilizzando solo il segnale protonico α. I collegamenti β-β e β-5 vengono calcolati utilizzando tutti i segnali del collegamento corrispondente.</li>
	</ol></li>
	<li>Analisi cromatografica a permeazione di gel (GPC)<ol>
<li>Sciogliere 10 mg di lignina essiccata e 1 mg di glucosio (come standard interno) in 1 mL di soluzione acquosa naOH da 0,1 m e 0,01% in peso di NaN3 in un flaconcino da 1,5 mL per gascromatografia (GC). Chiudere il flaconcino GC usando un cappuccio con setto.</li>
		<li>Iniettare 100 μL del campione in un sistema di cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC) dotato di un rivelatore ultravioletto e monitorare una lunghezza d'onda di λ = 280 nm. Utilizzare un sistema costituito da un sistema di iniettori split/splitless a temperatura programmata precolondo con silice polare (8 mm x 50 mm) e tre colonne di gel (8 mm x 300 mm, diametro delle particelle: 5 μm, larghezza nominale dei pori: 1000 Å) ad una portata di 1 mL min-1. Fare riferimento ai dati ottenuti al segnale dello standard interno (glucosio). Calcolare la distribuzione di massa utilizzando il software, riferito a una calibrazione esterna con poli(stirene solfonato) in un intervallo da 266 a 65000 Da.</li>
	</ol></li>
	<li>Quantificazione furfurasale tramite GC<ol>
<li>Aggiungere 20 mg di n-decane come standard interno alla fase organica del pretrattamento OrganoCat. Trasferire 1 mL della fase organica in un flaconcino GC da 1,5 mL.</li>
		<li>Iniettare 1 μL di questa soluzione in un gascromatografo utilizzando una colonna di 30 m con una fase stazionaria di glicole poliuretanico polare ed elio come gas vettore con una portata di 1,5 ml min-1 e un rivelatore a ionizzazione di fiamma. Impostare la temperatura iniziale a 50 °C, quindi aumentare di 8 °C min-1 a 250 °C e mantenere a 250 °C per 5 minuti.</li>
		<li>Quantificare il furfurolo utilizzando gli integrali (Int) dati dal software e un fattore di correzione calcolato esternamente (cf).<ol>
<li>Preparare un campione di 1 mg di furfurolo e 5 mg di n-decane in 1 mL di 2-MTHF e iniettarlo nel GC utilizzando la procedura di cui sopra. Calcola il fattore di correzione come segue: cf = (Int(n-decane) / m(n-decane)) / (Int(furfurolo) / Int(furfurolo)) (8)</li>
			<li>Utilizzare il fattore di correzione per calcolare la quantità di furfurolo nel campione sconosciuto con la seguente formula: m(furfurale) = m(n-decane) / Int(n-decane) × cf × Int(furfurolo) (9)</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Idrolisi della polpa arricchita di cellulosa<ol>
<li>Effettuare l'idrolisi della polpa del residuo arricchito di cellulosa ottenuto dal pretrattamento OrganoCat in un blocco riscaldante con miscelazione (vedi tabella dei materiali)utilizzando flaconcini da 1,5 ml.</li>
		<li>Aggiungere 20 mg di polpa arricchita di cellulosa e 10 μL di cellulasi (60 unità di carta da filtro (FPU) mL-1 e 82 unità di cellobiasi (CBU) mL-1) a 1 mL di tampone citrato (pH = 4,5) in un flaconcino da 1,5 mL e agitare a 50 °C per 0 ore, 1 ora o 72 ore. Successivamente, riscaldare i campioni a 99 °C per 10 minuti per denaturare gli enzimi.</li>
		<li>Determinare la concentrazione di glucosio utilizzando un kit di analisi del glucosio (esochinasi).</li>
	</ol></li>
</ol>

<ol>
	<li>Isikgor, F. H., Becer, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lignocellulosic+biomass:+a+sustainable+platform+for+the+production+of+bio-based+chemicals+and+polymers.">Lignocellulosic biomass: a sustainable platform for the production of bio-based chemicals and polymers.</a> Polymer Chemistry. 6 (25), 4497-4559 (2015).</li><li>Azadi, P., Inderwildi, O. R., Farnood, R., King, D. 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T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Meeting+the+challenges+to+sustainability+through+green+chemistry.">Meeting the challenges to sustainability through green chemistry.</a> Green Chemistry. 5 (2), 29-34 (2003).</li><li>Weidener, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One-step+lignocellulose+fractionation+by+using+2,5-furandicarboxylic+acid+as+a+biogenic+and+recyclable+catalyst.">One-step lignocellulose fractionation by using 2,5-furandicarboxylic acid as a biogenic and recyclable catalyst.</a> ChemSusChem. 11 (13), 2051-2056 (2018).</li><li>vom Stein, T., Grande, P. M., Leitner, W., Dom&#237;nguez de Mar&#237;a, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Iron-catalyzed+furfural+production+in+biobased+biphasic+systems:+from+pure+sugars+to+direct+use+of+crude+xylose+effluents+as+feedstock.">Iron-catalyzed furfural production in biobased biphasic systems: from pure sugars to direct use of crude xylose effluents as feedstock.</a> ChemSusChem. 4 (11), 1592-1594 (2011).</li><li>Viell, J., Harwardt, A., Seiler, J., Marquardt, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Is+biomass+fractionation+by+Organosolv-like+processes+economically+viable?+A+conceptual+design+study.">Is biomass fractionation by Organosolv-like processes economically viable? A conceptual design study.</a> Bioresource Technology. 150, 89-97 (2013).</li><li>Ait Rass, H., Essayem, N., Besson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+aerobic+oxidation+of+5-HMF+into+2,5-furandicarboxylic+acid+with+Pt+catalysts+supported+on+TiO2+-+and+ZrO2+-based+supports.">Selective aerobic oxidation of 5-HMF into 2,5-furandicarboxylic acid with Pt catalysts supported on TiO2 - and ZrO2 -based supports.</a> ChemSusChem. 8 (7), 1206-1217 (2015).</li><li>Yi, G., Teong, S. 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M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fractionation+of+lignocellulosic+biomass+using+the+OrganoCat+process.">Fractionation of lignocellulosic biomass using the OrganoCat process.</a> Green Chemistry. 17 (6), 3533-3539 (2015).</li><li>Holtz, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Process+development+for+separation+of+lignin+from+OrganoCat+lignocellulose+fractionation+using+antisolvent+precipitation.">Process development for separation of lignin from OrganoCat lignocellulose fractionation using antisolvent precipitation.</a> Separation and Purification Technology. 236, 116295 (2020).</li><li>Weidener, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lignin+precipitation+and+fractionation+from+OrganoCat+pulping+to+obtain+lignin+with+different+sizes+and+chemical+composition.">Lignin precipitation and fractionation from OrganoCat pulping to obtain lignin with different sizes and chemical composition.</a> Molecules. 25 (15), 3330 (2020).</li><li>Weidener, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiscale+analysis+of+lignocellulose+recalcitrance+towards+OrganoCat+pretreatment+and+fractionation.">Multiscale analysis of lignocellulose recalcitrance towards OrganoCat pretreatment and fractionation.</a> Biotechnology for Biofuels. 13 (1), 155 (2020).</li><li>Weidener, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lignocellulose+fractionation+using+recyclable+phosphoric+acid:+lignin,+cellulose,+and+furfural+production.">Lignocellulose fractionation using recyclable phosphoric acid: lignin, cellulose, and furfural production.</a> ChemSusChem. 14 (3), 909-916 (2020).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Il frazionamento descritto della lignocellulosa mostra un compromesso tra l'efficienza dell'idrolisi dell'emicellulosa e la selettività per evitare la degradazione dello zucchero in furani, a seconda del tempo di reazione e della temperatura (Figura 1). L'estrazione della lignina è stata influenzata in modo simile dalle condizioni più dure. Soprattutto la riduzione deicollegamenti β-O-4 e l'aumento del peso molecolare medio di massa dovuto alla recondensazione a temperature e tempi di reazione più elevati sottolinea questo compromesso che deve essere fatto. La selezione del tempo di reazione e della temperatura è quindi una fase critica in questo processo di frazionamento della lignocellulosa. Poiché l'efficienza dell'idrolisi enzimatica sembra essere determinata principalmente dalla delignificazione nel processo OrganoCat catalizzato da FDCA, le condizioni di lavorazione più difficili offrono la polpa più accessibile. Altre variazioni del processo9,11,18,22, ad esempio, utilizzando diversi catalizzatori, mostrano che la forza del catalizzatore e il pH finale nella soluzione reattiva hanno l'effetto più forte sull'efficienza del processo. Le modifiche della procedura, ad esempiola pre-presenza con acido fosforico, hanno dimostrato di avere anche un effetto benefico22. A causa della varietà nella composizione, tuttavia, il processo necessita di ottimizzazione, a seconda delle diverse materie prime21. Considerando le prestazioni complessive del processo, è necessario considerare la purificazione a valle delle frazioni separate, motivo per cui la selettività gioca un ruolo importante. Rispetto ad altri processi organosolv-like, OrganoCat utilizza un sistema bifasico acqua/2-MTHF, che offre i componenti principali in tre flussi separati relativamente semplici. In questo modo, più a valle e i conseguenti costi energetici e delle attrezzature possono essere ridotti13,18.

L'uso delle risorse fossili ha portato grandi progressi tecnologici in quanto costituiscono la base per numerosi prodotti essenziali per la vita di tutti i giorni. Tuttavia, la limitazione di risorse come il petrolio e il gas sulla terra e i danni ambientali connessi al loro sfruttamento creano un urgente bisogno di alternative. La biomassa lignocellulosica è una fonte promettente per le sostanze chimiche a base di carbonio, in quanto è rinnovabile, versatile e carbon neutral1. La lignocellulosa consiste fondamentalmente di tre frazioni principali da utilizzare: emicellulosi, cellulosa e lignina. La sua lavorazione industriale ha una lunga storia. Tuttavia, processi consolidati e diffusi, come i processi di solfito e Kraft dell'industria della carta, si concentrano principalmente sulla cellulosa per l'utilizzo nell'industria della cellulosa e della carta2. È necessaria una piena valorizzazione di tutte e tre le frazioni lignocellulosiche per rendere più redditizia la lavorazione della lignocellulosa verso prodotti chimici dal punto di vista economico e ambientale.
In molte strategie di valorizzazione della lignocellulosa, la lignina è un mero sottoprodotto che viene spesso bruciato per il recupero energetico. Attualmente, solo l'1-2% della lignina prodotta industrialmente viene utilizzata per produrre prodotti a valore aggiunto come additivi per calcestruzzo, tensioattivi e vanillina3. Tuttavia, è la più grande fonte rinnovabile di aromatici e quindi ha proprietà promettenti perl'applicazionecome base per polimeri 4 , fibre di carbonio5e carburante2. Le sfide nella valorizzazione della lignina risiedono nella sua complessa struttura e diversità, a seconda del materiale di origine e delle condizioni di estrazione. Inoltre, a causa delle loro condizioni di processo, i processi di frazionamento della lignocellulosa più diffusi forniscono lignina solfonata con un elevato numero di collegamenti C-C tra le unità monomeriche. Pertanto, la lignina disponibile in commercio è difficile da depolimerizzare.
Una serie di approcci diversi, che si concentrano sull'utilizzo olistico di tutte e tre le frazioni, sono stati sviluppati per il frazionamento della lignocellulosa. La maggior parte dei processi si basa sull'idrolisi dell'emicellulosa, sia con acidi e basi diluiti sia utilizzando l'autoprotolisi dell'acqua a temperature elevate. Come una delle opzioni più esplorate, i processi organosolv utilizzano solventi organici a bassa ebollizione, di solito in combinazione con acqua. Varianti ben note di questo processo includono il processo Alcell, che utilizza il 50% di etanolo, e il processo Organocell, che utilizza metanolo nella prima fase e aggiunge NaOH nella seconda fase. I processi organosolvi acidi che utilizzano acido formico o acetico sono anche descritti2. A causa della recente attenzione alla valorizzazione della lignina come importante prodotto di bioraffineria, sono stati sviluppati nuovi approcci, che combinano l'estrazione della lignina con fasi di conversione successive o integrate per produrre composti di lignina più piccoli e prodotti più stabili e preziosi6,7,8.
Il processo di frazionamento della lignocellulosa OrganoCat (OrganoCat) si basa su un sistema bifase di acqua e 2-metiltetraidrofurano (2-MTHF)9. Inoltre, un acido organico riciclabile viene utilizzato come catalizzatore, che idrolizza selettivamente le emicellulosi a temperature miti. Tutti i prodotti chimici di processo possono essere prodotti in modo relativamente economico e biogenico, il che riduce l'impatto ambientale del processo in conformità con i principi della chimica verde10. Il processo fornisce tre flussi di prodotto separati con lignina nella fase organica, zuccheri emicellulosio depolimerizzati nella fase acquosa e polpa arricchita di cellulosa come residuo solido. Poiché i flussi di prodotto possono essere facilmente separati, i passaggi a valle, la domanda di energia e i costi dei materiali possono essere ridotti in modo significativo rispetto, ad esempio, agli approcci monofasici. La lignina ha un peso molecolare relativamente basso eun elevato numero di collegamenti β- O-411. Gli zuccheri emicellulosio depolimerizzati possono essere utilizzati per la fermentazione o la conversione in prodotti chimici fini12. La polpa di cellulosa è altamente accessibile per la depolimerizzazione enzimatica9.
Il processo originale OrganoCat utilizza l'acido ossalico come catalizzatore per frazionare la lignocellulosa. L'acido ossalico può quindi essere recuperato mediantecristallizzazione 9. Tuttavia, ciò aumenta i costi di processo per il raffreddamento della reazione e l'evaporazione parziale dell'acqua. La parziale decomposizione dell'acido ossalico diminuirebbe ulteriormente i ricavi13. Per questo motivo, il processo OrganoCat è stato migliorato introducendo l'acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA) come catalizzatore11. FDCA non solo è sufficientemente acido per catalizzare la reazione, ma può anche essere derivato dal glucosio tramite disidratazione a 5-idrossimetilfurfurolo e successiva ossidazione con catalizzatori a base di metalli o biocatalizzatori14,15,16,17. Sebbene l'acidità di FDCA sia leggermente inferiore, ha una maggiore stabilità termica rispetto all'acido ossalico. FDCA ha una bassa solubilità in acqua a temperatura ambiente, che consente il suo semplice recupero dalla fase acquosa dopo la reazione.
Uno scale-up del processo OrganoCat è stato sviluppato con successo per un reattore da 3 L18. Ulteriori studi sulla lignina OrganoCat hanno rilevato che le precipitazioni antisolventi con n-esano o n-pentanoconsentono un recupero della lignina efficiente dal punto di vista energetico19. È stato possibile ottenere frazioni di lignina con diversi pesi molecolari20. Questo documento presenta il metodo preparativo completo per un processo di frazionamento scalabile e in una fase della biomassa lignocellulosica utilizzando FDCA come catalizzatore. Questo processo produce lignina estratta, emicellulosi depolimerizzate e polpa di cellulosa in tre flussi di prodotto facilmente separabili.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1200 HPLC system</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>was used for size exclusion chomatogaphy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2,5-furandicarboxylic acid</td>
			<td>TCI Deutschland GmbH</td>
			<td>F0710</td>
			<td>Purity:&#160;&#62;98.0%(T)(HPLC)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-methyltetrahydrofuran</td>
			<td>Carl Roth GmbH</td>
			<td>6845.4</td>
			<td>SOLVAGREEN&#160;&#8805;99 %, extra pure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Accellerase 1500</td>
			<td>Provided by Genencor (60&#160;FPU&#160;mL-1 and 82&#160;CBU&#160;mL-1; 2300 AE Leiden, Netherlands)</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>cellulase for pulp hydrolysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>beech wood (Fagus sp.)</td>
			<td>local supplier</td>
			<td>n.a.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BioTek Power Wave HT UV-Vis Spectrometer</td>
			<td>BioTek Germany, 74177 Bad Friedrichshall, Germany</td>
			<td>BT-RPRWI</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bruker AS400 (400&#160;MHz) Spectrometer</td>
			<td>Bruker, Billerica, MA 01821, USA</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>HSQC-NMR analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CarboPac PA20 column</td>
			<td>Dionex</td>
			<td>302747</td>
			<td>monosaccharide separator column for high-performance anion-exchange chromatography</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>centrifuge 5430 R</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>5428000610</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Focus GC</td>
			<td>Thermo Fischer</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>gas chromatograph</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glucose (hexokinase) assay kit</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>GAHK20-1KT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GPC- precolumn PSS PolarSil in DMAc</td>
			<td>PSS Polymer Strandards Service GmbH</td>
			<td>PSA080505</td>
			<td>precolumn with polar silica (8 x 50 mm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HP-INNOwax column 30 m</td>
			<td>Agilent J &#38; W</td>
			<td>19091N-213IE</td>
			<td>GC column with a polar polyethylene glycol stationary phase</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PSS MCX</td>
			<td>PSS Polymer Strandards Service GmbH</td>
			<td>&#160;MCA0830051E3</td>
			<td>gel columns (8 x 300 mm, particle diameter: 5 &#181;m, nominal pore width: 1000 &#197;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ThermoMixer</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>mixing and heating block</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>tinyclave steel Typ 3 / 25 mL</td>
			<td>B&#252;chi</td>
			<td>49,33,45,10,000</td>
			<td>100 bar, 200 &#176;C</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fractionation of lignocellulosic biomass using the organocat process

Il passaggio da un'economia basata sul petrolio a un'economia più sostenibile e biologica richiede lo sviluppo di nuovi concetti di raffineria per mantenere l'approvvigionamento di materie prime ed energia. Per questi concetti di bioraffineria nuovi e sostenibili, è importante utilizzare catalizzatori e solventi allineati con i principi della chimica verde. Pertanto, l'implementazione di alternative biogeniche può essere una soluzione promettente. Il processo di pretrattamento e frazionamento della lignocellulosa qui presentato -OrganoCat-è un frazionamento integrato della lignocellulosa nei suoi componenti principali utilizzando acidi biogenici come l'acido 2,5-furandicarbossilico come catalizzatore. Le emicellulosi e altri polisaccaridi non cellulosici sono selettivamente depolimerizzati dall'acido diluito e disciolti, mentre la cellulosa cristallina rimane nella polpa solida. In presenza di una seconda fase organica costituita da 2-metiltetraidrofurano biogenico, la lignina districata viene estratta in situ. Il processo consente il frazionamento efficiente dei tre componenti principali: lignina, cellulosa e zuccheri non cellulosici. Questo aiuta a concentrarsi sulla qualità della lignina, sul miglioramento dell'idrolisi enzimatica della polpa arricchita di cellulosa e sulla lieve estrazione di zucchero non cellulosico con bassa degradazione.

Un insieme tipico di condizioni per il processo di pretrattamento e frazionamento della lignocellulosa OrganoCat (OrganoCat) utilizza 0,1 M FDCA come catalizzatore, un carico di biomassa di 100 g L-1 (legno di faggio, rispetto alla fase acquosa), 1 ora di tempo di reazione e 160 °C come temperatura di reazione. La composizione del legno di faggio è stata pubblicata altrove21 (~ 48% cellulosa, 27% emicellulosa, 26% lignina). La Figura 1 mostra l'idrolizzato di emicellulosa estratto con questo insieme di condizioni, nonché un tempo di reazione più lungo (3 h) e una temperatura più bassa (140 °C).
L'uso di condizioni più difficili, ad esempiouna temperatura più elevata e tempi di reazione più lunghi, potrebbe portare a rese di estrazione più elevate, ma porta anche a una maggiore degradazione dei prodotti: il furfurolo è un prodotto di degradazione dello xilosio, mentre il 5-(idrossimetil)furfurolo (5-HMF) è il corrispondente prodotto di degradazione del glucosio. Una maggiore quantità di furfurolo è stata osservata nei prodotti (distribuiti tra la fase acquosa e quella organica) con un tempo di reazione di 3 ore a 160 °C. Poiché i prodotti di degradazione dello zucchero sono altamente reattivi e tendono a formare umini -oligomeri di furani e zuccheri- il tempo di reazione più breve a temperature più elevate potrebbe essere considerato un buon compromesso tra alta efficienza di estrazione e bassa degradazione dello zucchero.
La quantità di lignina estratta è direttamente correlata anche alla temperatura e al tempo di reazione. La Figura 2 mostra la quantità di lignina estratta, il contenuto di collegamento β-O-4 e le masse molari medie di massa delle lignine estratte. Mentre la resa di lignina estratta aumenta con un tempo di reazione più lungo, il numero di legami β-O-4 intatti diminuisce di circa la metà quando reagisce per 3 ore invece di 1 ora. L'abbassamento della temperatura di reazione da 160 °C a 140 °C ha un impatto molto più basso sulla lignina, con conseguente resa leggermente inferiore, massa molare media di massa più piccola e maggiore contenuto di β-O-4.
Poiché l'idrolisi enzimatica della (lingo-)cellulosa è un indicatore comune per l'efficienza della polpa, un cocktail di cellulosa commerciale è stato applicato alle diverse polpe organoCat risultanti dai suddetti set di condizioni di reazione OrganoCat (Figura 3). Poiché la cellulasi non è ottimizzata per i substrati, la conversione complessiva della cellulosa non è paragonabile alle prestazioni all'avanguardia; tuttavia, consente il confronto delle diverse polpe tra loro. Il tempo di reazione più lungo mostra un impatto significativo sul tempo di reazione iniziale e sulla resa in glucosio dopo 72 ore, migliorando di un fattore di ~ 2,5. L'abbassamento della temperatura sembra mostrare un impatto molto minore, il che implica che il fattore principale che causa le differenze nella digeribilità enzimatica all'interno di questo trattamento è il grado di delignificazione.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61933/61933fig1v2.png"> Figura 1: Estrazione dello zucchero e produzione di furfurolo nel processo OrganoCat con acido 0,1 M 2,5-furandicarbossilico come catalizzatore e 100 g di legno di faggioL-1 (rispetto alla fase acquosa) a diverse temperature e tempi di reazione come indicato sull'asse x11. Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti in triplice copia. La media è mostrata con la deviazione standard. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61933/61933fig01large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61933/61933fig2v2.png"> Figura 2: Quantità e analisi della lignina estratta mediante processo OrganoCat con acido 0,1 M 2,5-furandicarbossilico come catalizzatore e 100 g di legno di faggioL-1 (rispetto alla fase acquosa) a diverse temperature e tempi di reazione come indicato sull'asse x11. Le rese di lignina sono state calcolate in triplice copia. La media è mostrata con la deviazione standard. La massa molecolare e i collegamenti sono stati derivati da singoli esperimenti rappresentativi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61933/61933fig02large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61933/61933fig3v2.png"> Figura 3: Idrolisi enzimatica delle polpe. La glicemia produce dopo 72 h (barre blu) e le velocità di reazione entro la prima ora (barre grigie) dall'idrolisi del legno di faggio non trattato e delle polpe arricchite di cellulosa ottenute da OrganoCat con acido 0,1 M 2,5-furandicarbossilico come catalizzatore e 100 g di legno di faggioL-1 (rispetto alla fase acquosa) a diverse temperature e tempi di reazione come indicato sull'asse x. La cellulasi è stata applicata ai diversi substrati a 50 °C per un massimo di 72 ore in tampone contrito (pH 4,5)11. Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti in triplice copia. La media è mostrata con la deviazione standard. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61933/61933fig03large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Unità</td>
			<td>Δ di spostamento (1H)(13C)</td>
			<td>Collegamento</td>
			<td>Δ di spostamento (1H)(13C)</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>[ppm]</td>
			<td></td>
			<td>[ppm]</td>
		</tr>
<tr>
<td>S2,6
</td>
			<td>(6.95–6.46) (106.8–101.9)</td>
			<td>α β-O-4</td>
			<td>(5.08–4.69) (75.8–69.9)</td>
		</tr>
<tr>
<td>G2
</td>
			<td>(7.12–6.72) (113.4–108.7)</td>
			<td>α β-β</td>
			<td>(4.72–4.58) (87.46–84.0)</td>
		</tr>
<tr>
<td>G5
</td>
			<td>(7.04–6.51) (117.8–113.4)</td>
			<td>β β-β</td>
			<td>(3.35–3.11) (62.0–57.9)</td>
		</tr>
<tr>
<td>Ore2,6
</td>
			<td>(7.01–6.8) (129.1–123.2)</td>
			<td>γ β-β 1</td>
			<td>(4.26–4.09) (73.0–70.0)</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td></td>
			<td>γ β-β 2</td>
			<td>(3.87–3.71) (73.0–70.0)</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td></td>
			<td>α β-5</td>
			<td>(5.51–5.41) (88.8–86.6)</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td></td>
			<td>β β-5</td>
			<td>(3.52–3.42) (54.0–52.1)</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td></td>
			<td>γ β-5</td>
			<td>(3.80–3.67) (64.1–62.1)</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabella 1: Spostamenti chimici determinati da 1H-13 C correlazione quantistica singola correlazione nucleare risonanza magnetica nucleare(1H-13C-HSQC NMR) per diversi collegamenti in lignina. Abbreviazioni: S = unità siringilico, G = unità guaiacile, H = unità p-idrossifenile.

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Fractionation of Lignocellulosic Biomass using the OrganoCat Process

OrganoCat è un metodo per il pretrattamento e il frazionamento della lignocellulosa in condizioni lievi in lignina, zuccheri fermentabili e polpa di cellulosa. In un sistema di solventi biogenici e bifasici di acqua e 2-metiltetraidrofurano con acido 2,5-furarbossilico come catalizzatore, i prodotti OrganoCat vengono separati in situ per un semplice recupero del prodotto.

Frazionamento della Biomassa Lignocellulosica mediante il Processo OrganoCat

The shift from a petroleum-based to a more sustainable and bio-based economy requires the development of new refinery concepts to maintain the supply of ...

Il frazionamento della cellulosa di lignina utilizzando la tecnologia OrganoCat consente una separazione diretta di lignina, cellulosa e zuccheri fermentabili utilizzando un sistema di reazione a due fasi una pentola. A causa di condizioni di reazione amichevoli e lievi, è possibile ottenere un'elevata qualità del prodotto. Il nostro processo facilita la semplice separazione del prodotto e il riciclaggio di catalizzatori e solventi.È anche biogenico al 100%, quindi le sostanze chimiche utilizzate nel processo possono essere fabbricate nella stessa bioraffineria in cui vengono applicate. La lignina è nota per il suo alto potenziale, ma la sua valorizzazione è ancora una lotta. Per le nostre condizioni di estrazione degli acari, forniamo lignani più consistenti e preziosi.La separazione del frazionamento della cellulosa di lignas può essere difficile a seconda della biomassa utilizzata. Una centrifugazione più elevata per noi o l'aggiunta di sale alla miscela può facilitare il processo di separazione. Inizia sospendendo 500 milligrammi di particelle di Beachwood e 78 milligrammi di FDCA in cinque millilitri di acqua ultrapura a temperatura ambiente in un reattore ad alta pressione in acciaio inossidabile.Quindi, aggiungere cinque millilitri di due MTHF e una barra di agitazione a questa sospensione riscaldare il reattore su una piastra riscaldante a 160 gradi Celsius per un'ora con agitazione a 1500 giri al minuto. Alla fine dell'incubazione, lasciare raffreddare la reazione a temperatura ambiente e fare un bagno di acqua ghiacciata per 10 minuti, quindi aggiungere 52,5 microlitri di idrossido di sodio e posizionare la reazione su una piastra di agitazione a 500 giri al minuto per 15 minuti a temperatura ambiente. Per isolare la fase organica dalla miscela di reazione, centrifugare la reazione per cinque minuti a 1880 volte G a temperatura ambiente e utilizzare una pipetta per trasferire la fase organica separata in un pallone a fondo tondo da 50 millilitro evaporare la soluzione in un evaporatore rotante a 180 millibar, 40 gradi Celsius e 200 giri al minuto fino ad ottenere una frazione solida di lignina secca, quindi determinare la resa di lignina e conservare la lignina solida a temperatura ambiente fino a ulteriori analisi.Per isolare la polpa arricchita di cellulosa, filtrare la fase acquosa attraverso una carta da filtro di cellulosa di 1730 micron in un vile di cinque millilitri e lavare il residuo di polpa raccolto tre volte con 25 millilitri di acqua per lavaggio fino a quando il pH è neutro. Salvare la soluzione di lavaggio in un becher da 100 millilitro e asciugare la polpa a 80 gradi Celsius fino a quando non vi sono ulteriori perdite e massa prima di determinare la resa su una bilancia analitica. Per raccogliere l'FDCA dalla fase acquosa e dalle soluzioni di lavaggio, utilizzare acido cloridrico concentrato sotto costante agitazione in un bagno di ghiaccio per regolare il pH di ciascuna soluzione a uno.Filtrare il solido precipitato FDCA da entrambe le soluzioni e combinare i residui. Asciugare il prodotto a massa costante a 80 gradi Celsius per circa 24 ore. E per determinare la resa su una bilancia, quindi trasferire la fase acquosa in un pallone da 25 millilitro per lo stoccaggio di quattro gradi Celsius fino a ulteriori analisi.In questa analisi rappresentativa, sono stati studiati gli effetti del tempo e della temperatura di reazione sulla resa dell'idrolizzato di emicellulosa, l'uso di condizioni più difficili, come temperature più elevate e tempi di reazione più lunghi hanno portato a rese di estrazione più elevate, ma hanno anche innescato una maggiore degradazione del prodotto. Allo stesso modo, la quantità di lignina estratta era direttamente correlata alla temperatura e al tempo di reazione, mentre la resa di lignina estratta aumentava con tempi di reazione più lunghi, il numero di collegamenti O-4 intatti diminuiva. L'abbassamento della temperatura di reazione ha mostrato un impatto simile sulla lignina come riduzione del tempo di reazione, con conseguente resa leggermente inferiore, una massa media di Massa Più piccola di Mueller e un contenuto di O-4 leggermente inferiore.Dopo l'idrolisi enzimatica, i tempi di reazione più lunghi hanno avuto un impatto significativo sul tempo di reazione iniziale e sulla resa glicemica. Ricordarsi di neutralizzare la miscela di reazione prima di separare le fasi per garantire che il catalizzatore rimanga principalmente nella fase acquosa, la quantità di alfa macinata per disidratazione della cellulosa può essere misurata direttamente nella fase organica. E in questo modo è possibile quantificare la quantità di emicellulosa convertita in questa sostanza chimica della piattaforma.Il nostro sistema di reazione può produrre lignina su misura. Cellulosa accessibile e zuccheri fermentabili. Ciò potrebbe innescare una valorizzazione più olistica e sostenibile della biomassa vegetale.

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