Name: fractionation of lignocellulosic biomass using the organocat process
Uploaded: 2021-06-05T13:00:00
Duration: 6 min 19 s
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Este trabajo se llevó a cabo como parte del Clúster de Excelencia "Combustibles a medida a partir de biomasa" y "Fuel Science Center", que están financiados por la Iniciativa de Excelencia de la Fundación Alemana de Investigación para promover la ciencia y la investigación en las universidades alemanas, así como parte del Centro de Ciencias de Bioeconomía (BioSC), apoyado en el proyecto AP³ Focus Lab. Las actividades científicas del Centro de Ciencias de Bioeconomía fueron apoyadas financieramente por el Ministerio de Innovación, Ciencia e Investigación en el marco del NRW Strategieprojekt BioSC (no. 313/323-400-002 13).

NOTA: El proceso puede detenerse en cualquier momento dejando las muestras a temperatura ambiente (durante unos días) o en el refrigerador (por períodos más largos). Consulte la Tabla de materiales para obtener detalles sobre los materiales utilizados en este protocolo.
1. Partículas de madera de haya
<ol><li>Genere el tamaño de partícula deseado de madera de haya(Fagus sp.) utilizando un molino de corte con un tamiz de 10 mm, y seque las partículas a 50 ° C a masa constante (~ 24 h), dejando un contenido de humedad residual de ~ 10% de agua.</li>
</ol>2. Fraccionamiento y cálculo lignocelulósico
<ol><li>Pretratamiento y fraccionamiento de lignocelulosa<ol>
<li>Suspender 500 mg de madera de haya (Fagus sp.) partículas y 78,0 mg (0,5 mmol, 0,1 M) de FDCA en 5 mL de agua ultrapura a temperatura ambiente en un reactor de alta presión de acero inoxidable de 25 mL. Agregue 5 ml de 2-MTHF y una barra de agitación a la suspensión, y cierre el reactor. Calentar el reactor a 160 °C en una placa calefactora a una velocidad de agitación de 1500 rpm durante 1 h.</li>
		<li>Deje que la reacción se enfríe a temperatura ambiente en agua helada durante un período de ~ 10 min. Abra el reactor, agregue 52,5 μL de solución de NaOH (50 % en peso de NaOH en agua destilada) y revuelva durante 15 minutos a temperatura ambiente y a 500 rpm en una placa de agitación.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Aislamiento de la fase orgánica y cuantificación de la lignina<ol>
<li>Centrifugar la mezcla (temperatura ambiente, 5 min, 1880 × g). Utilice una pipeta para transferir la fase orgánica (2-MTHF) a un matraz de fondo redondo de 50 ml.</li>
		<li>Evaporar la fase orgánica en un evaporador rotativo (40 °C, 200 rpm, 180 mbar) hasta obtener una fracción de lignina sólida y seca. Determine el rendimiento de lignina pesando con una balanza analítica. Guarde la lignina sólida a temperatura ambiente para un análisis más detallado.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Separación de pulpa sólida enriquecida con celulosa y fase acuosa<ol>
<li>Filtrar la fase acuosa utilizando un papel de filtro de celulosa (tamaño de poro de 17-30 μm) en un embudo para aislar la pulpa enriquecida con celulosa, y transferir la fase acuosa a un vial de 5 ml. Lave la pulpa hasta que tenga un pH neutro con 3 x 25 ml de agua y guarde la solución de lavado por separado en un beaker de 100 ml. Secar la pulpa a 80 °C a masa constante (~24 h).</li>
		<li>Determine el rendimiento de la pulpa seca pesando con una balanza analítica.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Recuperación de FDCA y aislamiento de la fase acuosa<ol>
<li>Ajuste el pH de la fase acuosa y la solución de lavado desde el paso 2.3 por separado bajo agitación constante hasta el pH 1 usando HCl concentrado mientras enfría la solución en un baño de hielo. Controle el pH con papel indicador universal.</li>
		<li>Filtrar el sólido precipitado (FDCA) de ambas soluciones, combinar los residuos y secar a 80 °C a masa constante (~24 h). Deseche los lavados. Determine el rendimiento de FDCA pesando con una balanza analítica.</li>
		<li>Transfiera la fase acuosa a un matraz de 25 ml y guárdelo a 4 °C para su análisis.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparación de muestras para la cuantificación furfural<ol>
<li>Realice un experimento separado para determinar la cantidad de furfural. Repita los pasos 2.1.1-2.2.1.</li>
		<li>Agregue 40 mg de n-decanocomo estándar interno a la fracción de disolvente orgánico recolectada y guárdelo para su análisis.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Análisis
<ol><li>Análisis de azúcar en fase acuosa mediante cromatografía de intercambio aniónico de alto rendimiento con detección amperométrica pulsada (HPAEC-PAD)<ol>
<li>Diluir 10 μL de la fase acuosa recogida en la etapa 2.4.3 con 190 μL de agua destilada. Añadir 10 μL de 2 mM de 2-desoxi-D-glucosa a la muestra diluida.</li>
		<li>Realizar la separación de monosacáridos en una columna separadora de monosacáridos con un caudal de 0,5 mL∙min-1, e inyectar la muestra después del equilibrio con 2 mM De NaOH durante 10 min. Separar los azúcares neutros con 2 mM de NaOH durante 18 min. Después, use 550 mM De NaOH durante 10 min para separar los ácidos urónicos. Enjuague la columna con 800 mM NaOH durante 10 min. NOTA: El software normaliza las cantidades de monosacáridos a la cantidad del estándar interno y las cuantifica mediante el uso de curvas de calibración estándar de los diferentes monosacáridos.</li>
	</ol></li>
	<li>Análisis de lignina através de resonancia magnética nuclear de correlación cuántica única heteronuclearH-13C (1H-13C-HSQC NMR)<ol>
<li>Disuelva ~ 50 mg de lignina en 0.5 ml de dimetilsulfóxido deuterado ([d6] DMSO) y transfiera la mezcla a un tubo de RMN. Realizar 1medición de RMNH-13C HSQC (tiempo de medición 220 min) utilizando un espectrómetro de 400 MHz.</li>
		<li>Determinar los tipos de enlaces presentes en la lignina utilizando el espectro.<ol>
<li>Referencia al desplazamiento químico del espectro a la señal DMSO (δ(1H) = 2.500 ppm; δ(13C) = 39.52 ppm).</li>
			<li>Realice una corrección de fase manual en ambos ejes hasta que todas las señales sean positivas, luego realice una corrección de línea de base.</li>
			<li>Integrar las señales de las unidades aromáticas y los enlaces de la lignina; véase el cuadro 1 para los cambios químicos.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Calcule la suma de las unidades aromáticas (arom.) utilizando la siguiente fórmula: Σ(arom.) = (S2,6 / 2) + ((G2 + G5) / 2) + (H2,6 / 2) (1) Siendo Si la integral sobre la señal correspondiente a los protones 2 y 6 siringilo, Gi siendo las integrales sobre las señales correspondientes a los protones 2 y 5 guayacil, y Hi siendo la integral sobre la señal correspondiente a los protones 2 y 6 p-hidroxifenilo. </li>
		<li>Calcula el porcentaje de cada unidad utilizando las siguientes 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) Siendo S, G y H los porcentajes de los respectivos monómeros-siringil- (S), guaiacil- (G) y p-hidroxifenilo (H)-monomer unidades por cada 100 unidades de monómero.</li>
		<li>Calcule el número de enlaces por cada 100 unidades utilizando las siguientes fórmulas: β-O-4 enlaces = α β-O-4 / Σ(arom.) × 100% (5) enlaces = (α β-β + β β-β + γ β-β) / Σ(arom.) × 100% (6) enlaces = (α β-5 + β β-5 + γ β-5) / Σ(arom.) × 100% (7) Siendo α, β y γ la integral sobre la señal correspondiente a las señales de α, β y γ protones de los correspondientesenlaces β-O-4-, β-β- y β-5. NOTA: Los enlaces se dan como enlace por cada 100 unidades de monómero. Debido a la superposición de picos,β-O-4 se calcula utilizando solo la señal de protones α. los enlaces β-β y β-5 se calculan utilizando todas las señales del enlace correspondiente.</li>
	</ol></li>
	<li>Análisis de cromatografía de permeación en gel (GPC)<ol>
<li>Disolver 10 mg de lignina seca y 1 mg de glucosa (como estándar interno) en 1 ml de una solución acuosa de NaOH de 0,1 M y NaN 3 en peso al0,01 % en peso en un vial de cromatografía de gases (GC) de 1,5 ml. Cierre el vial de GC con una tapa con tabique.</li>
		<li>Inyectar 100 μL de la muestra en un sistema de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) equipado con un detector ultravioleta y monitorizando una longitud de onda de λ = 280 nm. Utilice un sistema que consiste en un sistema inyector de división/splitless de temperatura programada de precolumna con sílice polar (8 mm x 50 mm) y tres columnas de gel (8 mm x 300 mm, diámetro de partícula: 5 μm, ancho de poro nominal: 1000 Å) a un caudal de 1 mL min-1. Referencia de los datos obtenidos a la señal del estándar interno (glucosa). Calcule la distribución de masa utilizando el software, referenciado a una calibración externa con poli(sulfonato de estireno) en un rango de 266 a 65000 Da.</li>
	</ol></li>
	<li>Cuantificación furfural vía GC<ol>
<li>Añadir 20 mg n-decanocomo estándar interno a la fase orgánica del pretratamiento de OrganoCat. Transfiera 1 ml de la fase orgánica a un vial de GC de 1,5 ml.</li>
		<li>Inyecte 1 μL de esta solución en un cromatógrafo de gases utilizando una columna de 30 m con una fase estacionaria de poliuretano glicol polar y helio como gas portador con un caudal de 1,5 mL min-1 y un detector de ionización de llama. Ajuste la temperatura inicial a 50 °C, luego eleve en 8 °C min-1 a 250 °C y manténgase a 250 °C durante 5 min.</li>
		<li>Cuantificar furfural utilizando las integrales (Int) dadas por el software y un factor de corrección calculado externamente (cf).<ol>
<li>Preparar una muestra de 1 mg de furfural y 5 mg de n-decanaen 1 mL de 2-MTHF, e inyectarla en el GC utilizando el procedimiento antes mencionado. Calcule el factor de corrección de la siguiente manera: cf = (Int(n-decane) / m(n-decane)) / (Int(furfural) / Int(furfural)) (8)</li>
			<li>Utilice el factor de corrección para calcular la cantidad de furfural en la muestra desconocida con la siguiente fórmula: m(furfural) = m(n-decane) / Int(n-decane) × cf × Int(furfural) (9)</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Hidrólisis de pulpa enriquecida con celulosa<ol>
<li>Realizar hidrólisis pulpar de residuos enriquecidos con celulosa obtenidos del pretratamiento de OrganoCat en un bloque calefactor con mezcla (ver la Tabla de Materiales)utilizando viales de 1,5 mL.</li>
		<li>Añadir 20 mg de pulpa enriquecida con celulosa y 10 μL de celulasa (60 unidades de papel de filtro (FPU) mL-1 y 82 unidades de celobiasa (CBU) mL-1) a 1 mL de tampón de citrato (pH = 4,5) en un vial de 1,5 ml, y agitar a 50 °C durante 0 h, 1 h o 72 h. Después, caliente las muestras a 99 °C durante 10 minutos para desnaturalizar las enzimas.</li>
		<li>Determine la concentración de glucosa utilizando un kit de ensayo de glucosa (hexoquinasa).</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. M. <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+catalytic+lignocellulose+fractionation:+a+fundamental+platform+for+the+future+biorefinery.">Lignin valorization through catalytic lignocellulose fractionation: a fundamental platform for the future biorefinery.</a> ChemSusChem. 9 (13), 1544-1558 (2016).</li><li>vom Stein, T., 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=From+biomass+to+feedstock:+one-step+fractionation+of+lignocellulose+components+by+the+selective+organic+acid-catalyzed+depolymerization+of+hemicellulose+in+a+biphasic+system.">From biomass to feedstock: one-step fractionation of lignocellulose components by the selective organic acid-catalyzed depolymerization of hemicellulose in a biphasic system.</a> Green Chemistry. 13 (7), 1772-1777 (2011).</li><li>Anastas, P. 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>

Los autores no tienen nada que revelar.

El fraccionamiento descrito de lignocelulosa muestra una compensación entre la eficiencia de hidrólisis de hemicelulosa y la selectividad para evitar la degradación del azúcar a furanos, dependiendo del tiempo de reacción y la temperatura(Figura 1). La extracción de lignina se vio afectada de manera similar por las condiciones más duras. Especialmente la reducción delos enlaces β-O-4 y la mejora del peso molecular promedio de la masa debido a la recondensación a mayor temperatura y tiempo de reacción subraya este compromiso que debe hacerse. La selección del tiempo de reacción y la temperatura es, por lo tanto, un paso crítico en este proceso de fraccionamiento de lignocelulosa. Como la eficiencia de la hidrólisis enzimática parece estar determinada principalmente por la deslignificación en el proceso OrganoCat catalizado por FDCA, las condiciones de procesamiento más duras permiten la pulpa más accesible. Otras variaciones del proceso9,11,18,22,por ejemplo, utilizando diferentes catalizadores, muestran que la fuerza del catalizador y el pH final en la solución reactiva tienen el efecto más fuerte en la eficiencia del proceso. Se ha demostrado que las modificaciones del procedimiento, por ejemplo,la preswelling con ácido fosfórico, también tienen un efecto beneficioso22. Sin embargo, debido a la variedad en la composición, el proceso necesita optimización, dependiendo de las diferentes materias primas21. Teniendo en cuenta el rendimiento general del proceso, se debe considerar la purificación aguas abajo de las fracciones separadas, por lo que la selectividad juega un papel importante. En comparación con otros procesos similares a organosolv, OrganoCat utiliza un sistema bifásico de agua / 2-MTHF, que ofrece los componentes principales en tres corrientes relativamente sencillas y separadas. De esta manera, se pueden reducir aún más los costos de energía y equipos aguas abajo y resultantes13,18.

El uso de los recursos fósiles ha traído consigo grandes avances tecnológicos, ya que forman la base de numerosos productos que son esenciales para la vida cotidiana. Sin embargo, la limitación de recursos como el petróleo y el gas en la tierra y los daños ambientales relacionados con su explotación crean una necesidad urgente de alternativas. La biomasa lignocelulósica es una fuente prometedora de productos químicos a base de carbono, ya que es renovable, versátil yneutra encarbono 1 . La lignocelulosa consiste básicamente en tres fracciones principales para hacer uso: hemicelulosas, celulosa y lignina. Su procesamiento industrial tiene una larga historia. Sin embargo, los procesos establecidos y generalizados, como los procesos de sulfito y Kraft de la industria del papel, se centran principalmente en la celulosa para su utilización en la industria de la celulosa y el papel2. Se necesita una valorización completa de las tres fracciones lignocelulósicas para hacer que el procesamiento de lignocelulosa hacia productos químicos sea más rentable desde perspectivas económicas y ambientales.
En muchas estrategias de valorización de lignocelulosa, la lignina es un mero subproducto que a menudo se quema para la recuperación de energía. Actualmente, solo el 1-2% de la lignina producida industrialmente se utiliza para producir productos de valor agregado como aditivos para concreto, tensioactivos y vainillina3. Sin embargo, es la mayor fuente renovable de aromáticos y, por lo tanto, tiene propiedades prometedoras para su aplicación como base para polímeros4,fibras de carbono5y combustible2. Los desafíos en la valorización de la lignina radican en su compleja estructura y diversidad, dependiendo del material de origen y las condiciones de extracción. Además, debido a sus condiciones de proceso, los procesos de fraccionamiento de lignocelulosa más frecuentes entregan lignina sulfonada con un alto número de enlaces C-C entre las unidades de monómero. Por lo tanto, la lignina disponible comercialmente es difícil de despolimerizar.
Se ha desarrollado una gama de enfoques diferentes, que se centran en la utilización holística de las tres fracciones, para el fraccionamiento de lignocelulosa. La mayoría de los procesos se basan en la hidrólisis de la hemicelulosa, ya sea con ácidos y bases diluidos o utilizando la autoprotólisis del agua a temperaturas elevadas. Como una de las opciones más exploradas, los procesos organosólvicos utilizan disolventes orgánicos de baja ebullición, generalmente en combinación con agua. Las variantes bien conocidas de este proceso incluyen el proceso Alcell, que utiliza etanol al 50%, y el proceso Organocell, que utiliza metanol en el primer paso y agrega NaOH en el segundo paso. También se describen procesos organosólvicos ácidos que utilizan ácido fórmico o acético2. Debido al reciente enfoque en la valorización de la lignina como un importante producto de biorrefinería, se han desarrollado nuevos enfoques, que combinan la extracción de lignina con pasos de conversión posteriores o integrados para producir compuestos de lignina más pequeños y productos más estables y valiosos6,7,8.
El proceso de fraccionamiento de lignocelulosa OrganoCat (OrganoCat) se basa en un sistema bifásico de agua y 2-metiltetrahidrofurán (2-MTHF)9. Además, se utiliza un ácido orgánico reciclable como catalizador, que hidroliza selectivamente las hemicelulosas a temperaturas suaves. Todos los productos químicos de proceso se pueden producir de una manera relativamente económica y biogénica, lo que reduce el impacto ambiental del proceso de acuerdo con los principios de la Química Verde10. El proceso entrega tres flujos de productos separados con lignina en la fase orgánica, azúcares de hemicelulosa despolimerizados en la fase acuosa y pulpa enriquecida con celulosa como residuo sólido. Como los flujos de productos se pueden separar fácilmente, los pasos posteriores, la demanda de energía y los costos de materiales se pueden reducir significativamente en comparación con, por ejemplo, los enfoques monofásicos. La lignina tiene un peso molecular relativamente bajo yun alto número de enlaces β-O-411. Los azúcares de hemicelulosa despolimerizados se pueden utilizar para la fermentación o la conversión en productos químicos finos12. La pulpa de celulosa es altamente accesible para la despolimerización enzimática9.
El proceso original de OrganoCat utiliza ácido oxálico como catalizador para fraccionar la lignocelulosa. El ácido oxálico se puede recuperar por cristalización9. Sin embargo, esto aumenta los costos de proceso para enfriar la reacción y la evaporación parcial del agua. La descomposición parcial del ácido oxálico disminuiría aún más los ingresos13. Por esta razón, se mejoró el proceso de OrganoCat mediante la introducción de ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA) como catalizador11. El FDCA no solo es lo suficientemente ácido como para catalizar la reacción, sino que también puede derivarse de la glucosa a través de la deshidratación a 5-hidroximetilfurfural y la posterior oxidación con catalizadores a base de metales o biocatalizadores14,15,16,17. Aunque la acidez de FDCA es ligeramente menor, tiene una mayor estabilidad térmica que el ácido oxálico. FDCA tiene una baja solubilidad en agua a temperatura ambiente, lo que permite su recuperación directa de la fase acuosa después de la reacción.
Se desarrolló con éxito una ampliación del proceso OrganoCat a un reactor de 3 L18. Estudios adicionales sobre la lignina OrganoCat encontraron que la precipitación antisolvente con n-hexanoo n-pentanopermiten una recuperación de lignina energéticamente eficiente19. Fue posible obtener fracciones de lignina con diferentes pesos moleculares20. Este artículo presenta el método de preparación completo para un proceso de fraccionamiento escalable de un solo paso de biomasa lignocelulósica utilizando FDCA como catalizador. Este proceso produce lignina extraída, hemicelulosas despolimerizadas y pulpa de celulosa en tres flujos de productos fácilmente separables.

<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

El cambio de una economía basada en el petróleo a una economía más sostenible y de base biológica requiere el desarrollo de nuevos conceptos de refinería para mantener el suministro de materias primas y energía. Para estos conceptos de biorrefinería novedosos y sostenibles, es importante utilizar catalizadores y disolventes que estén alineados con los principios de la Química Verde. Por lo tanto, la implementación de alternativas biogénicas puede ser una solución prometedora. El proceso de pretratamiento y fraccionamiento de lignocelulosa presentado aquí -OrganoCat- es un fraccionamiento integrado de lignocelulosa en sus componentes principales utilizando ácidos biogénicos como el ácido 2,5-furandicarboxílico como catalizador. Las hemicelulosas y otros polisacáridos no celulósicos se despolimerizan selectivamente por el ácido diluido y se disuelven, mientras que la celulosa cristalina permanece en la pulpa sólida. En presencia de una segunda fase orgánica que consiste en 2-metiltetrahidrofurrán biogénico, se extrae lignina desenredada in situ. El proceso permite el fraccionamiento eficiente de los tres componentes principales: lignina, celulosa y azúcares no celulósicos. Esto ayuda a centrarse en la calidad de la lignina, la mejora de la hidrólisis enzimática de la pulpa enriquecida con celulosa y la extracción suave de azúcar no celulósica con baja degradación.

Un conjunto típico de condiciones para el proceso de pretratamiento y fraccionamiento de lignocelulosa OrganoCat (OrganoCat) utiliza 0,1 M FDCA como catalizador, una carga de biomasa de 100 g L-1 (madera de haya, en comparación con la fase acuosa), 1 h de tiempo de reacción y 160 °C como temperatura de reacción. La composición de la madera de haya se ha publicado en otros lugares21 (~ 48% celulosa, 27% hemicelulosa, 26% lignina). La Figura 1 muestra el hidrolizado de hemicelulosa extraído con este conjunto de condiciones, así como un tiempo de reacción más largo (3 h) y una temperatura más baja (140 °C).
El uso de condiciones más duras, por ejemplo,una temperatura más alta y un tiempo de reacción más largo, podría conducir a mayores rendimientos de extracción, pero también conduce a una mayor degradación de los productos: furfural es un producto de degradación de la xilosa, mientras que 5-(hidroximetil)furfural (5-HMF) es el producto de degradación correspondiente de la glucosa. Se observó una mayor cantidad de furfural en los productos (distribuidos entre las fases acuosa y orgánica) con un tiempo de reacción de 3 h a 160 °C. Como los productos de degradación del azúcar son altamente reactivos y tienden a formar huminas, oligómeros de furanos y azúcares, el tiempo de reacción más corto a una temperatura más alta podría considerarse un buen compromiso entre la alta eficiencia de extracción y la baja degradación del azúcar.
La cantidad de lignina extraída también está directamente relacionada con la temperatura y el tiempo de reacción. La Figura 2 muestra la cantidad de lignina extraída, el contenido de enlaceβ-O-4y las masas molares promedio de masa de las ligninas extraídas. Mientras que el rendimiento de lignina extraído aumenta con un tiempode reacción más largo, el número de enlaces β-O-4 intactos disminuye aproximadamente a la mitad cuando se reacciona durante 3 h en lugar de 1 h. La reducción de la temperatura de reacción de 160 °C a 140 °C tiene un impacto mucho menor en lalignina, lo que resulta en un rendimiento ligeramente menor, menor masa molar promedio de masa y mayor contenido de β-O-4.
Como la hidrólisis enzimática de (lingo-)celulosa es un indicador común de la eficiencia de la pulpa, se aplicó un cóctel comercial de celulosa a las diferentes pulpas organocat resultantes de los conjuntos de condiciones de reacción OrganoCat mencionados anteriormente (Figura 3). Como la celulasa no está optimizada para los sustratos, la conversión general de celulosa no es comparable al rendimiento de última generación; sin embargo, permite la comparación de las diferentes pulpas entre sí. El tiempo de reacción más largo exhibe un impacto significativo en el tiempo de reacción inicial y el rendimiento de glucosa después de 72 h, mejorando en un factor de ~ 2.5. La disminución de la temperatura parece mostrar un impacto mucho menor, lo que implica que el principal factor que causa las diferencias en la digestibilidad enzimática dentro de este tratamiento es el grado de deslignificación.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61933/61933fig1v2.png"> Figura 1: Extracción de azúcar y producción furfural en proceso OrganoCat con 0,1 M de ácido 2,5-furandicarboxílico como catalizador y 100 g de madera de hayaL-1 (en comparación con la fase acuosa) a diferentes temperaturas y tiempos de reacción como se indica en el eje x11. Todos los experimentos se han realizado por triplicado. El promedio se muestra con la desviación estándar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61933/61933fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61933/61933fig2v2.png"> Figura 2: Cantidad y análisis de lignina extraída por proceso OrganoCat con 0,1 M de ácido 2,5-furandicarboxílico como catalizador y 100 g de madera de hayaL-1 (en comparación con la fase acuosa) a diferentes temperaturas y tiempos de reacción según lo indicado en el eje x11. Los rendimientos de lignina se han calculado por triplicado. El promedio se muestra con la desviación estándar. La masa molecular y los enlaces se derivaron de experimentos individuales representativos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61933/61933fig02large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61933/61933fig3v2.png"> Figura 3: Hidrólisis enzimática de pulpas. La glucosa cede después de 72 h (barras azules) y las velocidades de reacción dentro de la primera hora (barras grises) a partir de la hidrólisis de madera de haya no tratada y pulpas enriquecidas con celulosa obtenidas de OrganoCat con 0,1 M de ácido 2,5-furandicarboxílico como catalizador y 100 g de madera de hayaL-1 (en comparación con la fase acuosa) a diferentes temperaturas y tiempos de reacción según lo indicado en el eje x. La celulasa se aplicó a los diferentes sustratos a 50 °C durante un máximo de 72 h en tampón contrito (pH 4.5)11. Todos los experimentos se han realizado por triplicado. El promedio se muestra con la desviación estándar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61933/61933fig03large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Unidad</td>
			<td>Δ de cambio (1H) (13C)</td>
			<td>Ligamiento</td>
			<td>Δ de cambio (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>Tabla 1: Cambios químicos determinados por resonanciamagnética nuclear de correlación cuántica única heteronuclear H-13 C(RMN 1H-13 C-HSQC) para diferentes enlaces en lignina. Abreviaturas: S = unidad de siringilo, G = unidad de guaiacil, H = unidad de p-hidroxifenilo.

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Fractionation of Lignocellulosic Biomass using the OrganoCat Process

OrganoCat es un método para el pretratamiento y fraccionamiento de lignocelulosa en condiciones suaves en lignina, azúcares fermentables y pulpa de celulosa. En un sistema de disolvente bifásico biogénico de agua y 2-metiltetrahidrofurano con ácido 2,5-furancarboxílico como catalizador, los productos OrganoCat se separan in situ para una recuperación directa del producto.

Fraccionamiento de biomasa lignocelulósica mediante el proceso 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 ...

El fraccionamiento de celulosa de lignina utilizando la tecnología OrganoCat, permite la separación directa de lignina, celulosa y azúcares fermentables utilizando un sistema de reacción de dos fásicos de una olla. Debido a las condiciones de reacción suaves y compatible, se puede lograr una alta calidad del producto. Nuestro proceso facilita la separación directa de productos y el reciclaje de catalizadores y disolventes.También es 100% biogénico, por lo que los productos químicos utilizados en el proceso se pueden fabricar en la misma biorrefinería en la que se aplican. La lignina es conocida por su alto potencial, pero su valorización sigue siendo una lucha. Para nuestras condiciones de extracción de ácaros, entregamos lignanos más consistentes y valiosos.La separación del fraccionamiento de celulosa lignas puede ser un desafío dependiendo de la biomasa utilizada. Una mayor centrifugación para nosotros o la adición de sal a la mezcla puede facilitar el proceso de separación. Comience suspendiendo 500 miligramos de partículas de Beachwood y 78 miligramos de FDCA en cinco mililitros de agua ultrapura a temperatura ambiente en un reactor de alta presión de acero inoxidable.Luego, agregue cinco mililitros de dos MTHF y una barra de agitación a esta suspensión para calentar el reactor en una placa de calentamiento a 160 grados Celsius durante una hora con agitación a 1500 revoluciones por minuto. Al final de la incubación, deje que la reacción se enfríe a temperatura ambiente y un baño de agua helada durante 10 minutos, luego agregue 52.5 microlitros de hidróxido de sodio y coloque la reacción en una placa de agitación a 500 revoluciones por minuto durante 15 minutos a temperatura ambiente. Para aislar la fase orgánica de la mezcla de reacción, centrífuga la reacción durante cinco minutos a 1880 veces G a temperatura ambiente y usar una pipeta para transferir la fase orgánica separada a un matraz de fondo redondo de 50 mililitros, evapore la solución en un evaporador rotativo a 180 milibares, 40 grados Celsius y 200 revoluciones por minuto hasta obtener una fracción de lignina seca sólida, luego determine el rendimiento de lignina y almacene la lignina sólida a temperatura ambiente hasta un análisis adicional.Para aislar la pulpa enriquecida con celulosa, filtre la fase acuosa a través de un papel de filtro de celulosa de tamaño de poro de 1730 micras en un vil de cinco mililitros y lave el residuo de pulpa recolectado tres veces con 25 mililitros de agua por lavado hasta que el pH sea neutro. Guarde la solución de lavado en un beaker de 100 mililitros y seque la pulpa a 80 grados centígrados hasta que no haya más pérdida y masa antes de determinar el rendimiento en una balanza analítica. Para recolectar el FDCA de la fase acuosa y las soluciones de lavado, use ácido clorhídrico concentrado bajo agitación constante en un baño de hielo para ajustar el pH de cada solución a uno.Filtre el FDCA sólido precipitado de ambas soluciones y combine los residuos. Seque el producto a una masa constante a 80 grados centígrados durante aproximadamente 24 horas. Y para determinar el rendimiento en una balanza, luego transfiera la fase acuosa a un matraz de 25 mililitros para un almacenamiento de cuatro grados Celsius hasta un análisis adicional.En este análisis representativo, se estudiaron los efectos del tiempo de reacción y la temperatura en el rendimiento del hidrolizado de hemicelulosa, el uso de condiciones más duras, como temperaturas más altas y tiempos de reacción más largos, condujo a mayores rendimientos de extracción, pero también desencadenó una mayor degradación del producto. Del mismo modo, la cantidad de lignina extraída se relacionó directamente con la temperatura y el tiempo de reacción, mientras que el rendimiento de lignina extraído aumentó con tiempos de reacción más largos, el número de enlaces O-4 intactos disminuyó. La reducción de la temperatura de reacción mostró un impacto similar en la lignina que la reducción del tiempo de reacción, lo que resultó en un rendimiento ligeramente menor, una masa promedio de Masa de Mueller más pequeña y un contenido de O-4 ligeramente más bajo.Después de la hidrólisis enzimática, los tiempos de reacción más largos afectaron significativamente el tiempo de reacción inicial y el rendimiento de glucosa. Recuerde neutralizar la mezcla de reacción antes de separar las fases para garantizar que el catalizador permanezca principalmente en la fase acuosa, la cantidad de molienda alfa por deshidratación de celulosa se puede medir directamente en la fase orgánica. Y de esta manera se puede cuantificar la cantidad de hemicelulosa convertida a esta plataforma química.Nuestro sistema de reacción puede producir lignina a medida. Celulosa accesible y azúcares fermentables. Esto podría desencadenar una valorización más holística y sostenible de la biomasa vegetal.

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JoVE Journal

Chemistry

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