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

Este trabalho foi realizado como parte do Cluster de Excelência "Combustíveis Sob medida da Biomassa" e "Centro de Ciência do Combustível", que são financiados pela Iniciativa excelência da Fundação Alemã de Pesquisa para promover a ciência e a pesquisa em universidades alemãs, bem como parte do Centro de Ciência da Bioeconomia (BioSC), apoiado no projeto AP³ Focus Lab. As atividades científicas do Centro de Ciência da Bioeconomia foram apoiadas financeiramente pelo Ministério da Inovação, Ciência e Pesquisa no âmbito da NRW Strategieprojekt BioSC (n. 313/323-400-002 13).

NOTA: O processo pode ser pausado a qualquer momento deixando as amostras em temperatura ambiente (por alguns dias) ou na geladeira (por períodos mais longos). Consulte a Tabela de Materiais para obter detalhes sobre os materiais utilizados neste protocolo.
1. Partículas de madeira de faia
<ol><li>Gere o tamanho de partículas desejada de madeira de faia(Fagus sp.) utilizando um moinho de corte com uma peneira de 10 mm, e seque as partículas a 50 °C até massa constante (~24 h), deixando um teor de umidade residual de ~10% de água.</li>
</ol>2. Fracionamento lignocelúsico e workup
<ol><li>Pré-tratamento e fracionamento de Lignocellulose<ol>
<li>Suspenda 500 mg de madeira de faia(Fagus sp.) partículas e 78,0 mgs (0,5 mmol, 0,1 M) de FDCA em 5 mL de água ultrauso à temperatura ambiente em um reator de alta pressão de aço inoxidável de 25 mL. Adicione 5 mL de 2-MTHF e uma barra de agitação à suspensão e feche o reator. Aqueça o reator a 160 °C em uma placa de aquecimento a uma velocidade de agitação de 1500 rpm por 1 h.</li>
		<li>Deixe a reação esfriar até a temperatura ambiente em água gelada durante um período de ~10 min. Abra o reator, adicione 52,5 μL de solução NaOH (50 wt% NaOH em água destilada) e mexa por 15 minutos à temperatura ambiente e 500 rpm em uma placa de agitação.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Isolamento da fase orgânica e quantificação da lignina<ol>
<li>Centrifugar a mistura (temperatura ambiente, 5 min, 1880 × g). Use uma pipeta para transferir a fase orgânica (2-MTHF) para um frasco de fundo redondo de 50 mL.</li>
		<li>Evaporar a fase orgânica em um evaporador rotativo (40 °C, 200 rpm, 180 mbar) até obter uma fração de lignina sólida e seca. Determine o rendimento da lignina pesando com um equilíbrio analítico. Armazene a lignina sólida à temperatura ambiente para análise suplementar.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Separação de polpa enriquecida com celulose sólida e fase aquosa<ol>
<li>Filtre a fase aquosa usando um papel filtro de celulose (tamanho de poros de 17-30 μm) em um funil para isolar a polpa enriquecida com celulose e transfira a fase aquosa para um frasco de 5 mL. Lave a polpa até que o pH neutro com 3 x 25 mL de água e armazene a solução de lavagem separadamente em um béquer de 100 mL. Seque a polpa a 80 °C até a massa constante (~24 h).</li>
		<li>Determine o rendimento da polpa seca pesando com um equilíbrio analítico.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Recuperação do FDCA e isolamento da fase aquosa<ol>
<li>Ajuste o pH da fase aquosa e a solução de lavagem da etapa 2.3 separadamente sob agitação constante ao pH 1 usando HCl concentrado enquanto esfria a solução em um banho de gelo. Controle o pH usando papel indicador universal.</li>
		<li>Filtre o sólido precipitado (FDCA) de ambas as soluções, combine os resíduos e seque a 80 °C até a massa constante (~24 h). Descarte as lavagens. Determine o rendimento do FDCA pesando com um equilíbrio analítico.</li>
		<li>Transfira a fase aquosa para um frasco de 25 mL e armazene-a a 4 °C para análise.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparação da amostra para quantificação furfural<ol>
<li>Realize um experimento separado para determinar a quantidade de furfural. Repetição de passos 2.1.1-2.2.1.</li>
		<li>Adicione 40 mg de n-decane como padrão interno à fração de solvente orgânico coletado e armazene para análise.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Análise
<ol><li>Análise do açúcar na fase aquosa por cromatografia de alta performance de troca de ânion com detecção amperométrica pulsada (HPAEC-PAD)<ol>
<li>Diluir 10 μL da fase aquosa coletada na etapa 2.4.3 com 190 μL de água destilada. Adicione 10 μL de 2 mM 2-desoxi-D-glicose à amostra diluída.</li>
		<li>Realize a separação de monossacarídeos em uma coluna separadora de monossacarídeos com uma taxa de fluxo de 0,5 mL∙min-1, e injete a amostra após o equilíbrio com 2 mM NaOH por 10 min. Separe os açúcares neutros com 2 mM NaOH acima de 18 min. Depois, use 550 mM NaOH por 10 minutos para separar os ácidos urônicos. Enxágüe a coluna com 800 mM NaOH por 10 minutos. NOTA: O software normaliza as quantidades de monossacarídeos à quantidade do padrão interno e as quantifica usando curvas de calibração padrão dos diferentes monossacarídeos.</li>
	</ol></li>
	<li>Análise de Lignina via 1H-13C ressonância magnética nuclear de correlação quântica única heteronuclear(1H-13C-HSQC NMR)<ol>
<li>Dissolva ~50 mg de lignina em 0,5 mL de dimetilsulfoxida desuterado ([d6] DMSO) e transfira a mistura para um tubo NMR. Realizar medições deNMR de1 H-13C (tempo de medição de 220 min) usando um espectrômetro de 400 MHz.</li>
		<li>Determine os tipos de ligações presentes na lignina usando o espectro.<ol>
<li>Refumo-se da mudança química do espectro para o sinal DMSO (δ(1H) = 2.500 ppm; δ(13C) = 39,52 ppm).</li>
			<li>Realize uma correção manual de fase em ambos os eixos até que todos os sinais estejam positivos e, em seguida, realize uma correção de linha de base.</li>
			<li>Integrar os sinais das unidades aromáticas e as ligações da lignina; ver Tabela 1 para as mudanças químicas.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Calcule a soma das unidades aromáticas (arom.) utilizando a seguinte fórmula: Σ(arom.) = (S2,6 / 2) + ((G2 + G5) / 2) + (H2,6 / 2) (1) Sendo Si a integral sobre o sinal correspondente aos prótons de seringa 2 e 6, Gi sendo as integrais sobre os sinais correspondentes aos prótons guaiacyl 2 e 5, sendo Hi a integral sobre o sinal correspondente aos prótons de 2 e 6 p-hidroxifenil.</li>
		<li>Calcule a porcentagem de cada unidade usando as seguintes fórmulas: S = (S2,6/ 2) / Σ(arom.) × 100% (2) G = ((G2 + G5) / 2) / Σ(arom.) × 100% (3) H = (H2,6 / 2) / Σ(arom.) × 100% (4) Com as unidades S, G e H sendo as porcentagens de monômeros-seringil- (S), guaiacyl- (G) e p-hidroxifenil (H)-monômeros unidades por 100 unidades monômeras.</li>
		<li>Calcule o número de ligações por 100 unidades usando as seguintes fórmulas: β-O-4 ligações = α β-O-4 / Σ(arom.) × 100%(5) vinculações = (α β-β + β β-β + γ β-β) / Σ(arom.) × 100% (6) vinculações = (α β-5 + β β-5 + γ β-5) / Σ(arom.) × 100% (7) Com α, β e γ sendo a integral sobre o sinal correspondente aos sinais de α, β e γ-prótons das ligações β-O-4-, β-β e β-5. NOTA: As ligações são dadas como linkage por 100 unidades monômeras. Devido à sobreposição de picos,β-O-4 é calculado usando apenas o sinal de próton α. β-β e β-5 são calculados usando todos os sinais da ligação correspondente.</li>
	</ol></li>
	<li>Análise cromatografia de permeação de gel (GPC)<ol>
<li>Dissolva 10 mg de lignina seca e 1 mg de glicose (como padrão interno) em 1 mL de um frasco de 0,1 M NaOH e 0,01 wt% NaN3 aqueous em uma cromatografia de gás de 1,5 mL (GC)-frasco. Feche o frasco GC usando uma tampa com septo.</li>
		<li>Injete 100 μL da amostra em um sistema de cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC) equipado com um detector ultravioleta e monitorando um comprimento de onda de λ = 280 nm. Use um sistema composto por um sistema injetor de temperatura programada pré-lombar/injetor sem divisão com sílica polar (8 mm x 50 mm) e três colunas de gel (8 mm x 300 mm, diâmetro de partículas: 5 μm, largura nominal do poros: 1000 Å) a uma taxa de fluxo de 1 mL min-1. Fazer referência aos dados obtidos ao sinal do padrão interno (glicose). Calcule a distribuição em massa usando o software, referenciada a uma calibração externa com sulfonato de poli (estireno) em uma faixa de 266 a 65000 Da.</li>
	</ol></li>
	<li>Quantificação furfural via GC<ol>
<li>Adicione 20 mg n-decane como padrão interno à fase orgânica do pré-tratamento OrganoCat. Transfira 1 mL da fase orgânica em um frasco GC-1,5 mL.</li>
		<li>Injete 1 μL desta solução em um cromatógrafo gasoso usando uma coluna de 30 m com uma fase estacionária de poliuretano polar e hélio como o gás portador com uma vazão de 1,5 mL min-1 e um detector de ionização de chamas. Defina a temperatura inicial para 50 °C, depois levante por 8 °C min-1 a 250 °C e mantenha a 250 °C por 5 min.</li>
		<li>Quantifique o furfural utilizando as integrais (Int) fornecidas pelo software e um fator de correção calculado externamente (cf).<ol>
<li>Prepare uma amostra de 1 mg de furfural e 5 mg de n-decana em 1 mL de 2-MTHF, e injete-a no GC usando o procedimento acima mencionado. Calcule o fator de correção da seguinte forma: cf = (Int(n-decane) / m(n-decane)) / (Int(furfural) / Int(furfural)) (8)</li>
			<li>Use o fator de correção para calcular a quantidade de furfural na amostra desconhecida com a seguinte fórmula: m(furfural) = m(n-decane) / Int(n-decane) × cf × Int(furfural) (9)</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Hidrólise de celulose enriquecida com celulose<ol>
<li>Realizar hidrólise de celulose de resíduo enriquecido com celulose obtida a partir do pré-tratamento OrganoCat em um bloco de aquecimento com mistura (ver a Tabela de Materiais) utilizando frascos de 1,5 mL.</li>
		<li>Adicione 20 mg de celulose enriquecida com celulose e 10 μL de celulase (60 unidades de papel filtro (FPU) mL-1 e 82 unidades de celobiase (CBU) mL-1) a 1 mL de tampão citrato (pH = 4,5) em um frasco de 1,5 mL, e agitar a 50 °C por 0h, 1 h ou 72 h. Em seguida, aqueça as amostras a 99 °C por 10 minutos para desnaturar as enzimas.</li>
		<li>Determine a concentração de glicose usando um kit de ensaio de glicose (hexokinase).</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. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+fuels,+hydrogen+and+chemicals+from+lignin:+A+critical+review.">Liquid fuels, hydrogen and chemicals from lignin: A critical review.</a> Renewable &amp; Sustainable Energy Reviews. 21, 506-523 (2013).</li><li>Aro, T., Fatehi, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+and+application+of+lignosulfonates+and+sulfonated+lignin.">Production and application of lignosulfonates and sulfonated lignin.</a> ChemSusChem. 10 (9), 1861-1877 (2017).</li><li>Kai, 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=Towards+lignin-based+functional+materials+in+a+sustainable+world.">Towards lignin-based functional materials in a sustainable world.</a> Green Chemistry. 18 (5), 1175-1200 (2016).</li><li>Fang, W., Yang, S., Wang, X. -. 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G., 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+valorization+through+integrated+biological+funneling+and+chemical+catalysis.">Lignin valorization through integrated biological funneling and chemical catalysis.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (33), 12013-12018 (2014).</li><li>Liao, Y., 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=A+sustainable+wood+biorefinery+for+low-carbon+footprint+chemicals+production.">A sustainable wood biorefinery for low-carbon footprint chemicals production.</a> Science. 367 (6484), 1385-1390 (2020).</li><li>Galkin, M. V., Samec, J. S. 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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. P., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Base-free+conversion+of+5-hydroxymethylfurfural+to+2,5-furandicarboxylic+acid+over+a+Ru/C+catalyst.">Base-free conversion of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-furandicarboxylic acid over a Ru/C catalyst.</a> Green Chemistry. 18 (4), 979-983 (2016).</li><li>Ardemani, L., 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=Solid+base+catalysed+5-HMF+oxidation+to+2,5-FDCA+over+Au/hydrotalcites:+fact+or+fiction.">Solid base catalysed 5-HMF oxidation to 2,5-FDCA over Au/hydrotalcites: fact or fiction.</a> Chemical Science. 6 (8), 4940-4945 (2015).</li><li>Dom&#237;nguez de Mar&#237;a, P., Guajardo, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biocatalytic+valorization+of+furans:+opportunities+for+inherently+unstable+substrates.">Biocatalytic valorization of furans: opportunities for inherently unstable substrates.</a> ChemSusChem. 10 (21), 4123-4134 (2017).</li><li>Grande, P. 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>

Os autores não têm nada a revelar.

O fracionamento descrito de lignocelulose mostra uma troca entre eficiência de hidrólise hemicellulose e seletividade para evitar a degradação do açúcar aos furanos, dependendo do tempo de reação e temperatura(Figura 1). A extração de lignina foi igualmente afetada pelas condições mais severas. Especialmente a redução deβ-O-4-ligações e o aumento do peso molecular médio em massa devido à recondensação em temperatura mais alta e tempo de reação sublinha este compromisso que deve ser feito. A seleção do tempo de reação e da temperatura é, portanto, um passo crítico neste processo de fracionamento lignocellulose. Como a eficiência da hidrólise enzimática parece ser principalmente determinada pela delignificação no processo OrganoCat catalisado pelo FDCA, as condições de processamento mais duras proporcionam a polpa mais acessível. Outras variações do processo9,11,18,22, por exemplo, utilizando diferentes catalisadores, mostram que a força do catalisador e o pH final na solução reativa têm o efeito mais forte sobre a eficiência do processo. Modificações do procedimento, por exemplo,preswelling com ácido fosfórico, têm mostrado ter um efeito benéfico, assim como22. Devido à variedade na composição, no entanto, o processo precisa de otimização, dependendo das diferentes matérias-primas21. Considerando o desempenho geral do processo, deve-se considerar a purificação a jusante das frações separadas, razão pela qual a seletividade desempenha um papel importante. Comparado com outros processos semelhantes a organosolv, organoCat usa um sistema de água bifásica/2-MTHF, que oferece os principais componentes em três fluxos relativamente simples e separados. Dessa forma, mais a jusante e consequentees custos de energia e equipamentos podem ser reduzidosem 13,18.

O uso de recursos fósseis trouxe grandes avanços tecnológicos, pois formam a base para inúmeros produtos essenciais para a vida cotidiana. No entanto, a limitação de recursos como petróleo e gás na Terra e os danos ambientais ligados à sua exploração criam uma necessidade urgente de alternativas. A biomassa lignocelulósica é uma fonte promissora para produtos químicos à base de carbono, pois é renovável, versátil e neutra em carbono1. Lignocelulose consiste basicamente em três frações principais para fazer uso: hemicelluloses, celulose e lignina. Seu processamento industrial tem uma longa história. Entretanto, processos estabelecidos e difundidos, como os processos de sulfite e Kraft da indústria de papel, focam principalmente na celulose para utilização na indústria de celulose e papel2. Uma valorização completa das três frações lignocelulósicas é necessária para tornar o processamento lignocelulose em relação a produtos químicos mais rentáveis das perspectivas econômicas e ambientais.
Em muitas estratégias de valorização lignocelulose, a lignina é um mero subproduto que muitas vezes é queimado para recuperação de energia. Atualmente, apenas 1-2% da lignina industrialmente produzida é usada para produzir produtos de valor agregado, como aditivos de concreto, surfactantes e vanillina3. No entanto, é a maior fonte renovável de aromáticos e, portanto, possui propriedades promissoras para aplicação como base para polímeros4, fibras de carbono5e combustível2. Os desafios na valorização da lignina residem em sua complexa estrutura e diversidade, dependendo do material de origem e das condições de extração. Além disso, devido às suas condições de processo, os processos de fracionamento lignocellulose mais prevalentes fornecem lignina sulfona com um alto número de ligações C-C entre as unidades monômeras. Portanto, a lignina comercialmente disponível é desafiadora para despolimerizar.
Uma gama de abordagens diferentes, que se concentram na utilização holística das três frações, foram desenvolvidas para fracionamento lignocellulose. A maioria dos processos depende da hidrólise da hemicelulose, seja com ácidos e bases diluídos ou utilizando a autoprotólise da água a temperaturas elevadas. Como uma das opções mais exploradas, os processos organosolv usam solventes orgânicos de baixa ebulição, geralmente em combinação com a água. Variantes bem conhecidas desse processo incluem o processo Alcell, que utiliza 50% de etanol, e o processo Organocell, que usa metanol na primeira etapa e adiciona NaOH na segunda etapa. Processos ácidos organosolv que usam ácido fórmico ou acético também são descritos2. Devido ao recente foco na valorização da lignina como um grande produto biorrefinal, novas abordagens foram desenvolvidas, que combinam extração de lignina com etapas de conversão subsequentes ou integradas para produzir compostos menores de lignina e produtos mais estáveis e valiosos6,7,8.
O processo de fracionamento organoCat lignocellulose (OrganoCat) é baseado em um sistema de água em duas fases e 2-metiltetrahidrofuran (2-MTHF)9. Além disso, um ácido orgânico reciclável é usado como catalisador, que hidrolisa seletivamente hemicelluloses a temperaturas amenas. Todos os produtos químicos de processo podem ser produzidos de forma relativamente barata e biogênica, o que reduz o impacto ambiental do processo de acordo com os princípios da Química Verde10. O processo fornece três fluxos de produtos separados com lignina na fase orgânica, açúcares despomerizados de hemicellulose na fase aquosa, e polpa enriquecida com celulose como resíduo sólido. Como os fluxos de produtos podem ser facilmente separados, as etapas a jusante, a demanda de energia e os custos materiais podem ser reduzidos significativamente em comparação com, por exemplo, abordagens monofásicas. A lignina tem um peso molecular relativamente baixo e um alto número de β-O-4 ligações11. Os açúcares despomerizados de hemicellulose podem ser usados para fermentação ou conversão em produtos químicos finos12. A polpa de celulose é altamente acessível para despolimerização enzimática9.
O processo organocat original usa ácido oxálico como catalisador para fracionar lignocelulose. O ácido oxálico pode então ser recuperado pela cristalização9. No entanto, isso aumenta os custos do processo para resfriar a reação e a evaporação parcial da água. A decomposição parcial do ácido oxálico diminuiria ainda mais13. Por essa razão, o processo OrganoCat foi melhorado introduzindo 2,5-furandicarboxílico ácido (FDCA) como catalisador11. O FDCA não só é suficientemente ácido para catalisar a reação, mas também pode ser derivado da glicose via desidratação para 5-hidroxietilfurfuraral e oxidação subsequente com catalisadores à base de metal ou biocatalisistas14,15,16,17. Embora a acidez do FDCA seja ligeiramente menor, ela tem uma estabilidade térmica maior que o ácido oxálico. O FDCA tem uma baixa solubilidade na água à temperatura ambiente, o que permite sua recuperação direta da fase aquosa após a reação.
Uma ampliação do processo OrganoCat foi desenvolvida com sucesso para um reator 3 L18. Estudos adicionais sobre a lignina OrganoCat descobriram que a precipitação antisolvente com n-hexano ou n-pentane permite uma recuperação de lignina eficiente em energia19. Foi possível obter frações de lignina com diferentes pesos moleculares20. Este artigo apresenta o método preparatório completo para um processo escalável de fracionamento de uma etapa da biomassa lignocelulósica utilizando fdca como catalisador. Este processo produz lignina extraída, hemicelluloses despomerizadas e polpa de celulose em três fluxos de produtos facilmente separáveis.

<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

A mudança de uma economia baseada em petróleo para uma economia mais sustentável e baseada em biomasse requer o desenvolvimento de novos conceitos de refinarias para manter o fornecimento de matérias-primas e energia. Para esses novos e sustentáveis conceitos biorreditórios, é importante utilizar catalisadores e solventes alinhados com os princípios da Química Verde. Portanto, a implementação de alternativas biogênicas pode ser uma solução promissora. O processo de tratamento e fracionamento lignocellulose apresentado aqui-OrganoCat-é um fracionamento integrado de lignocelulose em seus principais componentes usando ácidos biogênicos como ácido 2,5-furandicarboxílico como catalisador. Hemicelluloses e outros polissacarídeos não celulósicos são seletivamente despolammerizados pelo ácido diluído e dissolvido, enquanto a celulose cristalina permanece na polpa sólida. Na presença de uma segunda fase orgânica constituída por biogênico 2-metiltetrahidrofurano, a lignina desemaranhada é extraída in situ. O processo permite o fracionamento eficiente dos três principais componentes-lignina, celulose e açúcares não celulósicos. Isso ajuda a focar na qualidade da lignina, na melhoria da hidrólise enzimática da polpa enriquecida com celulose e na leve extração de açúcar não celulósico com baixa degradação.

Um conjunto típico de condições para o pré-tratamento e o processo de fracionamento de lignocelulose OrganoCat (OrganoCat) usa 0,1 M FDCA como catalisador, um carregamento de biomassa de 100 g L-1 (madeira de faia, em comparação com a fase aquosa), 1h de tempo de reação e 160 °C como temperatura de reação. A composição da madeira de faia foi publicada em outros lugares21 (~48% de celulose, 27% hemicellulose, 26% lignina). A Figura 1 mostra o hidrolise de hemicellulose extraído com este conjunto de condições, bem como maior tempo de reação (3 h) e temperatura mais baixa (140 °C).
O uso de condições mais duras, por exemplo,temperatura mais alta e maior tempo de reação, pode levar a maiores rendimentos de extração, mas também leva a mais degradação dos produtos-furfural é um produto de degradação da xilose, enquanto 5-(hidroximetila)furfural (5-HMF) é o produto de degradação correspondente da glicose. Observou-se maior quantidade de furfural nos produtos (distribuídos entre as fases aquosa e orgânica) com tempo de reação de 3h a 160 °C. Como os produtos de degradação do açúcar são altamente reativos e tendem a formar humins-oligômeros de furanos e açúcares - o menor tempo de reação em temperaturas mais altas pode ser considerado um bom compromisso entre alta eficiência de extração e baixa degradação do açúcar.
A quantidade de lignina extraída está diretamente relacionada com a temperatura de reação e o tempo também. A Figura 2 exibe a quantidade de lignina extraída, o teor de β-O-4-linkage, e as massas molares médias dos ligninos extraídos. Enquanto o rendimento extraído de lignina sobe com maior tempo de reação, o número de β intactas-O-4-linkages diminui aproximadamente metade quando reage por 3h em vez de 1 h. Reduzir a temperatura de reação de 160 °C para 140 °C tem um impacto muito menor sobre a lignina, resultando em um rendimento ligeiramente menor, massa molar média de massa menor e maior β-O-4-content.
Como a hidrólise enzimática da celulose (lingo-)é um indicador comum para a eficiência da polpa, um coquetel comercial de celulose foi aplicado às diferentes polpas OrganoCat resultantes dos conjuntos de condições de reação OrganoCat acima mencionados(Figura 3). Como a celulase não é otimizada para os substratos, a conversão global de celulose não é comparável ao desempenho de última geração; no entanto, permite a comparação das diferentes polpas entre si. O tempo de reação mais longo apresenta um impacto significativo no tempo inicial de reação e no rendimento da glicose após 72 h, melhorando por um fator de ~2,5. A redução da temperatura parece mostrar um impacto muito menor, implicando que o principal fator que causa as diferenças na digestibilidade enzimática dentro deste tratamento é o grau de designificação.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61933/61933fig1v2.png"> Figura 1: Extração de açúcar e produção de furfural no processo OrganoCat com ácido 0,1 M 2,5-furandicarboxílico como catalisador e 100 g L-1 beech wood (em comparação com a fase aquosa) em diferentes temperaturas de reação e vezes como indicado no eixo x11. Todos os experimentos foram realizados em triplicado. A média é mostrada com o desvio padrão. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61933/61933fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61933/61933fig2v2.png"> Figura 2: Quantidade e análise de lignina extraída pelo processo OrganoCat com ácido 0,1 M 2,5-furandicarboxílico como catalisador e 100 g L-1 beech wood (em comparação com a fase aquosa) em diferentes temperaturas de reação e horários como indicado no eixo x11. Os rendimentos da Lignina foram calculados em triplicado. A média é mostrada com o desvio padrão. A massa molecular e as ligações foram derivadas de experimentos únicos representativos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61933/61933fig02large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61933/61933fig3v2.png"> Figura 3: Hidrólise enzimática das polpas. A glicose produz após 72 h (barras azuis) e taxas de reação na primeira hora (barras cinzas) da hidrólise de madeira de faia não tratada e polpas enriquecidas com celulose obtidas do OrganoCat com 0,1 M 2,5-furandicarboxílico ácido como catalisador e 100 g L-1 madeira de faia (em comparação com a fase aquosa) em diferentes temperaturas de reação e horários como indicado no eixo x. A celulase foi aplicada aos diferentes substratos a 50 °C por até 72 h em tampão contrito (pH 4.5)11. Todos os experimentos foram realizados em triplicado. A média é mostrada com o desvio padrão. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61933/61933fig03large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Unidade</td>
			<td>Shift δ(1H)(13C)</td>
			<td>Ligação</td>
			<td>Shift δ(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>H2,6
</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>Tabela 1: Mudanças químicas determinadas por 1H-13 C ressonância magnética nuclear de correlação quântica única(1H-13C-HSQC NMR) para diferentes ligações em lignina. Abreviaturas: S = unidade de seringa, G = unidade guaiacyl, H = p-unidade de hidroxifenil.

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Fractionation of Lignocellulosic Biomass using the OrganoCat Process

OrganoCat é um método para o pré-tratamento e fracionamento da lignocelulose em condições leves em lignina, açúcares fermentáveis e polpa de celulose. Em um sistema de solvente biogênico e bifásico de água e 2-metiltetrahidrofuran com ácido 2,5-furancarboxílico como catalisador, os produtos OrganoCat são separados in situ para recuperação direta do produto.

Fracionamento da Biomassa Lignocelulósica utilizando o 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 ...

O fracionamento de celulose de lignina usando a tecnologia OrganoCat permite a separação direta de lignina, celulose e açúcares fermentáveis usando um sistema de reação de dois potes phasic. Devido a condições de reação leves e compaticamente, uma alta qualidade do produto pode ser alcançada. Nosso processo facilita a separação direta do produto e a reciclagem de catalisadores e solventes.Também é 100% biogênico para que os produtos químicos utilizados no processo possam ser fabricados na mesma bioin refinaria que são aplicados. A lignina é conhecida por seu alto potencial, mas sua valorização ainda é uma luta. Para nossas condições de extração de ácaros, entregamos lignans mais consistentes e valiosos.A separação do fracionamento de celulose lignas pode ser desafiadora dependendo da biomassa utilizada. Uma centrifugação maior para nós ou adicionar sal à mistura pode facilitar o processo de separação. Comece suspendendo 500 miligramas de partículas de Beachwood e 78 miligramas de FDCA em cinco mililitros de água ultrapura à temperatura ambiente em um reator de alta pressão de aço inoxidável.Em seguida, adicione cinco mililitros de dois MTHF e uma barra de agitação a esta suspensão aqueça o reator em uma placa de aquecimento a 160 graus Celsius por uma hora com agitação a 1500 rotações por minuto. No final da incubação, deixe a reação esfriar à temperatura ambiente e um banho de água gelada por 10 minutos, depois adicione 52,5 microliters de hidróxido de sódio e coloque a reação em uma placa de agitação a 500 revoluções por minuto durante 15 minutos em temperatura ambiente. Para isolar a fase orgânica da mistura de reação, centrifugar a reação por cinco minutos a 1880 vezes G à temperatura ambiente e usar uma pipeta para transferir a fase orgânica separada para um frasco de fundo redondo de 50 mililitros evaporar a solução em um evaporador rotativo a 180 milibarbares, 40 graus Celsius e 200 revoluções por minuto até que uma fração de lignina seca sólida seja obtida, em seguida, determine o rendimento da lignina e armazene a lignina sólida à temperatura ambiente até uma análise mais aprofundada.Para isolar a polpa enriquecida com celulose, filtrar a fase aquosa através de um papel filtro de celulose do tamanho de um poro de 1730 mícrons em uma vile de cinco mililitros e lavar o resíduo de polpa coletado três vezes com 25 mililitros de água por lavagem até que o pH seja neutro. Guarde a solução de lavagem em um béquer de 100 mililitros e seque a polpa a 80 graus Celsius até que não haja mais perdas e massa antes de determinar o rendimento em um equilíbrio analítico. Para coletar o FDCA a partir da fase aquosa e soluções de lavagem, use ácido clorídrico concentrado sob constante agitação em um banho de gelo para ajustar o pH de cada solução a uma.Filtre o FDCA sólido precipitado de ambas as soluções e combine os resíduos. Seque o produto a massa constante a 80 graus Celsius por aproximadamente 24 horas. E para determinar o rendimento de um equilíbrio, então transfira a fase aquosa para um frasco de 25 mililitros para quatro graus Celsius de armazenamento até uma análise mais aprofundada.Nesta análise representativa, foram estudados os efeitos do tempo de reação e da temperatura sobre o rendimento da hidrolyzate hemicellulose, o uso de condições mais duras, como temperaturas mais altas e tempos de reação mais longos, o que levou a maiores rendimentos de extração, mas também desencadeou maior degradação do produto. Da mesma forma, a quantidade de lignina extraída estava diretamente relacionada com a temperatura e o tempo de reação, enquanto o rendimento extraído de lignina aumentou com tempos de reação mais longos, o número de ligações O-4 intactas diminuiu. Reduzindo a temperatura de reação, mostrou um impacto semelhante na lignina como a redução do tempo de reação, resultando em um rendimento ligeiramente menor, uma massa média de massa menor mueller massa, e um conteúdo ligeiramente menor O-4.Após hidrólise enzimática, tempos de reação mais longos afetaram significativamente o tempo inicial de reação e o rendimento da glicose. Lembre-se de neutralizar a mistura de reação antes de separar as fases para garantir que o catalisador permaneça principalmente na fase aquosa, a quantidade de moagem alfa pela desidratação da celulose pode ser medida diretamente na fase orgânica. E assim a quantidade de hemicellulose convertida para este produto químico plataforma pode ser quantificada.Nosso sistema de reação pode produzir lignina sob medida. Celulose acessível e açúcares fermentáveis. Isso pode desencadear uma valorização mais holística e sustentável da biomassa vegetal.

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