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Die tiefen eutektische lösungsmittelbasierte, mikrowellengestützte Vorbehandlung ist ein grünes, schnelles und effizientes Verfahren für die lignozellulosehaltige Fraktionierung und hochreine Ligninrückgewinnung.
Die Vorbehandlung ist nach wie vor der teuerste Schritt in lignozellulosehaltigen Bioraffinerieprozessen. Es muss kostengünstig gemacht werden, indem der chemische Bedarf sowie der Strom- und Wärmeverbrauch minimiert und umweltfreundliche Lösungsmittel verwendet werden. Tiefe eutektische Lösungsmittel (DESs) sind wichtige, grüne und kostengünstige Lösungsmittel in nachhaltigen Bioraffinerien. Es handelt sich um transparente Gemische, die sich durch niedrige Gefrierpunkte aus mindestens einem Wasserstoffbrückendonor und einem Wasserstoffbrückenabnahmer ergeben. Obwohl DES vielversprechende Lösungsmittel sind, ist es notwendig, sie mit einer wirtschaftlichen Heiztechnologie wie Mikrowellenbestrahlung zu kombinieren, um eine wettbewerbsfähige Rentabilität zu erreichen. Mikrowellenbestrahlung ist eine vielversprechende Strategie, um die Aufheizzeit zu verkürzen und die Fraktionierung zu steigern, da sie schnell die entsprechende Temperatur erreichen kann. Ziel dieser Studie war es, eine einstufige, schnelle Methode zur Biomassefraktionierung und Ligninextraktion unter Verwendung eines kostengünstigen und biologisch abbaubaren Lösungsmittels zu entwickeln.
In dieser Studie wurde eine mikrowellengestützte DES-Vorbehandlung für 60 s bei 800 W unter Verwendung von drei Arten von DES durchgeführt. Die DES-Mischungen wurden einfach aus Cholinchlorid (ChCl) und drei Wasserstoffbindungsdonatoren (HBDs) hergestellt: einer Monocarbonsäure (Milchsäure), einer Dicarbonsäure (Oxalsäure) und Harnstoff. Diese Vorbehandlung wurde für die Biomassefraktionierung und Die Rückgewinnung von Lignin aus marinen Rückständen (Posidonia-Blätter und Aegagropile), Agrar- und Lebensmittelnebenprodukten (Mandelschalen und Oliventrester), Waldresten (Tannenzapfen) und mehrjährigen Lignocellulosengräsern(Stipa tenacissima)verwendet. Weitere Analysen wurden durchgeführt, um die Ausbeute, Reinheit und Molekulargewichtsverteilung des zurückgewonnenen Lignins zu bestimmen. Zusätzlich wurde die Wirkung von DESs auf die chemischen funktionellen Gruppen im extrahierten Lignin mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) bestimmt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das ChCl-Oxalsäure-Gemisch die höchste Ligninreinheit und die geringste Ausbeute bietet. Die vorliegende Studie zeigt, dass das DES-Mikrowellenverfahren eine ultraschnelle, effiziente und kostengünstige Technologie für die lignozellulosehaltige Biomassefraktionierung ist.
Nachhaltige Bioraffinerieprozesse integrieren die Verarbeitung von Biomasse, ihre Fraktionierung in interessierende Moleküle und ihre Umwandlung in Mehrwertprodukte1. Bei der Bioraffination der zweiten Generation wird die Vorbehandlung als wesentlich für die Fraktionierung von Biomasse in ihre Hauptbestandteile angesehen2. Traditionelle Vorbehandlungsmethoden, die chemische, physikalische oder biologische Strategien verwenden, wurden weit verbreitet3. Eine solche Vorbehandlung gilt jedoch als der teuerste Schritt in der Bioraffinierung und hat weitere Nachteile wie lange Verarbeitungszeit, hohen Wärme- und Stromverbrauch sowie Lösungsmittelverunreinigungen4. In jüngster Zeit haben sich DESs, deren Eigenschaften denen ionischer Flüssigkeiten3ähneln, aufgrund von Vorteilen wie biologischer Abbaubarkeit, Umweltfreundlichkeit, einfacher Synthese und Rückgewinnung nach der Behandlung als grüne Lösungsmittel herauskristallisiert5.
DESs sind Mischungen aus mindestens einem HBD, wie Milchsäure, Apfelsäure oder Oxalsäure, und einem Wasserstoffbrückenakzeptor (HBA) wie Betain oder Cholinchlorid (ChCl)6. HBA-HBD-Wechselwirkungen ermöglichen einen katalytischen Mechanismus, der die Spaltung chemischer Bindungen ermöglicht, was zu Biomassefraktionierung und Lignintrennung führt. Viele Forscher haben über die DES-basierte Vorbehandlung von lignozellulosehaltigen Rohstoffen wie ChCl-Glycerin auf Maiskolben und Stover7,8,ChCl-Harnstoff und ChCl-Oxalsäure auf Weizenstroh9, ChCl-Milchsäure auf Eukalyptussägemehl 10und ChCl-Essigsäure11 und ChCl-Ethylenglykol auf Holz11berichtet. Um die DES-Effizienz zu verbessern, sollte die Vorbehandlung mit einer Mikrowellenbehandlung kombiniert werden, um die Biomassefraktionierung zu beschleunigen5. Viele Forscher haben über eine solche kombinierte Vorbehandlung (DES und Mikrowelle) von Holz 8 und von Maissover, Switchgrass und Miscanthus5berichtet, die neue Einblicke in die Kapazität von DESs für die Lignocellulosic-Fraktionierung und Ligninextraktion ineinem einfachen Schritt über einen kurzen Zeitraum liefert.
Lignin ist ein phenolisches Makromolekül, das als Rohstoff für die Herstellung von Biopolymeren verwertet wird und eine Alternative zur Herstellung von Chemikalien wie aromatischen Monomeren und Oligomerendarstellt 12. Darüber hinaus hat Lignin antioxidative und ultraviolette Absorptionsaktivitäten13. Mehrere Studien haben über Ligninanwendungen in kosmetischen Produktenberichtet 14,15. Seine Integration in kommerzielle Sonnenschutzprodukte hat den Lichtschutzfaktor (LSF) des Produkts von LSF 15 auf LSF 30 mit der Zugabe von nur 2 Gew.-% Lignin und bis zu LSF 50 mit Dem Zusatz von 10 Gew.-% Lignin16verbessert. Dieser Artikel beschreibt einen ultraschnellen Ansatz für die Lignin-Kohlenhydrat-Spaltung, unterstützt durch kombinierte DES-Mikrowellenvorbehandlung mediterraner Biomassen. Diese Biomassen bestehen aus Agrar- und Lebensmittelnebenprodukten, insbesondere Oliventrester und Mandelschalen. Andere Biomassen, die untersucht wurden, waren solche marinen Ursprungs (Posidonia-Blätter und Aegagropile) und solche, die aus einem Wald stammen (Tannenzapfen und Wildgräser). Der Fokus dieser Studie lag darauf, kostengünstige grüne Lösungsmittel zu testen, um die Auswirkungen dieser kombinierten Vorbehandlung auf die Rohstofffraktionierung zu bewerten, ihren Einfluss auf die Reinheit und Ausbeute von Lignin zu untersuchen und ihre Auswirkungen auf die Molekulargewichte und chemischen Funktionsgruppen im extrahierten Lignin zu untersuchen.
1. Aufbereitung von Biomassen
2. Mikrowellengestützte, ultraschnelle Ligninextraktion
3. Reinheitsbestimmung von extrahierten Lignin durch Klason
4. Stickstoffgehalt in extrahiertem Lignin
5. Aschegehalt in extrahierten Lignin
6. Kohlenhydratgehalt
7. Chemische Funktionen in extrahiertem Lignin (Fourier-transformiertes Infrarot)
8. Molekulargewicht des extrahierten Lignins (Gelpermeationschromatographie)
9. Datenverarbeitung und statistische Auswertungen
Abbildung 2A-C zeigt die Ligninausbeute der Extraktion aus den sechs Rohstoffen, die in Abbildung 1A-Fdargestellt sind, nach der kombinierten Mikrowellen-DES-Vorbehandlung. Die Ergebnisse zeigen, dass die mit DES1 (ChCl-Oxalsäure) erzielte Ligninausbeute (Abbildung 2A) niedriger war als die mit DES2 (ChCl-Milchsäure) und DES3 (ChCl-Harnstoff) erzielten Ausbeuten (Abbildung 2B,C). Darüber hinaus waren die Ligninerträge aus Tannenzapfen (PC) und Oliventrester (OP) mit 32,31% bzw. 26,04% für die DES1-Behandlung und 48,72% bzw. 43,76 für DES3 höher. Die Ligninausbeute aus Alfa-Blättern (A) war signifikant höher als die Ausbeute aller anderen mit DES2 extrahierten Lignine. Abbildung 3A-C zeigen, dass die Ligninreinheit bei den drei Vorbehandlungen der Biomassen 70% überstieg, mit Ausnahme der DES3-Vorbehandlung von Alfablättern (A), Aegagropilem (Ag) und Mandelschalen (AS) in der DES3(ChCl-Harnstoff)-Behandlung, die eine Ligninreinheit von 65% ergab. Die höchste Ligninreinheit (> 90%) wurde mit der DES1-Behandlung erhalten: Alfa-Blätter (A) 94%, Mandelschalen (AS) 93%, Tannenzapfen (PC) 90%, Posidonia-Blätter (PL) 92% und Oliventrester (OP) 91%.
Die Reinheits- und Ausbeutedaten von Lignin wurden einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) unter Berücksichtigung von zwei Parametern (Ausbeute und Reinheit) und 18 Behandlungen unterzogen. Abbildung 4 zeigt, dass der Korrelationskreis 100% der Gesamtvariation erklärt. Die erste Komponente, PCA1, erklärte 58,09% und die zweite Komponente, PCA2, erklärte 41,91% der Gesamtvariation. Die Reinheit von Lignin korrelierte positiv mit der BEHANDLUNG mit DES1 (Ox). Die Pearson-Korrelationskoeffizienten (R) waren alfa (A Ox) 0,32, Oliventrester (OP Ox) 0,27, Tannenzapfen (PC Ox) 0,2, Posidonia Blätter (PL Ox) 0,35, Mandelschalen (AS Ox) 0,32 und aegagropile (Ag Ox) 0,05. Die DES3-Behandlung war jedoch negativ mit der Ligninausbeute mit R-Werten korreliert, die zwischen −0,37 und −0,05 oszillierten. So bestätigten die PCA-Ergebnisse, dass lignin, das mit DES1 extrahiert wurde, das reinste mit dem niedrigsten Ertrag war.
Lignin wurde für seinen Zucker-, Stickstoff- und Aschegehalt charakterisiert (Abbildung 5A-C). Der Gesamtzuckergehalt wurde mittels Gaschromatographie (GC) bestimmt. Der Kohlenhydratgehalt in Lignin wurde mit DES3 (ChCl-Harnstoff) extrahiert und war der höchste (6-15%). Es folgte Lignin, das mit DES2 (ChCl-Milchsäure) extrahiert wurde und einen Kohlenhydratgehalt von 3-12% aufweist. Der niedrigste Kohlenhydratgehalt (1%) wurde für Lignin berichtet, das mit DES1 (ChCl-Oxalsäure) extrahiert wurde. Die Art der identifizierten Zucker unterschied sich signifikant (Abbildung 6A-C); D-Xylose und D-Glucose waren die am häufigsten vorkommenden Monosaccharide. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass DES1 bei der Extraktion von Lignin im Vergleich zu den beiden anderen DES, die nicht nur Lignin, sondern auch Kohlenhydrate extrahierten, äußerst selektiv war. Mit anderen Worten, die Reinheit von Lignin war nach der Extraktion mit den Milchsäure- und Harnstoff-DESs niedriger.
Die hohe Selektivität von DES1 zur Fraktionierung der Lignozellulosematrix und zur Extraktion von reinem Lignin ist wahrscheinlich auf den hohen Säuregehalt seiner Wasserstoffbrückenbindungen (alpha = 1,3) zu räumen. Cholinchlorid enthält Chloridionen, die die intramolekularen Wechselwirkungen von Wasserstoffbrückenbindungen aufbrechen, und die Carboxylatgruppen in Oxalsäure tragen dazu bei, die Ligninpolymere aufzulösen. In ähnlicher Weise war der Stickstoffgehalt von Lignin, das mit DES1 extrahiert wurde, niedriger als der Stickstoffgehalt von Lignin, das mit DES2 und DES3 extrahiert wurde, und erreichte bis zu 3% (Abbildung 5A-C). Lignin, das aus Alfa-Blättern extrahiert wurde, hatte den höchsten Stickstoffgehalt: 2,70, 3,84 und 3,40 für DES1, DES2 und DES3. Diese Ergebnisse belegen, dass stickstoffhaltige Verbindungen extrahiert und mit Lignin kozipitiert wurden. Darüber hinaus ergab die Ligninkalzinierung in allen Proben, dass Lignin, das mit DES2 und DES3 extrahiert wurde, eine höhere anorganische Komponente enthielt als Lignin, das mit DES1 extrahiert wurde.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass DES1 die Extraktion von Lignin mit hoher Reinheit, aber mit niedrigem Stickstoff-, Kohlenhydrat- und Aschegehalt förderte. Mit anderen Worten, Lignin, das mit DES1 (ChCl-Oxalsäure) extrahiert wurde, war reiner als das mit DES2 (ChCl-Milchsäure) und DES3 (ChCl-Harnstoff) extrahierte, das eine geringere Reinheit und einen hohen Stickstoff-, Kohlenhydrat- und Aschegehalt auf besitzt. Tabelle 1 fasst die molekulare Massenverteilung von Lignin zusammen, wie sie durch Gelpermeationschromatographie (GPC) analysiert und durch das zahlenmittelwerte Molekulargewicht (Mn), das gewichtsmitte Molekulargewicht (Mw) und den Polydispersitätsindex (PDI) dargestellt wird. DieM-w-Werte reichten von 48.123 bis 147.233 gmol-1. Das von DES2 aus Alfablättern, Mandelschalen und Aegagropile extrahierte Lignin hatte einen niedrigeren PDI als das von DES1, DES3 und Alkali extrahierte Lignin sowie rohes Lignin. Im Gegensatz dazu zeigte Lignin, das durch DES2 aus Tannenzapfen, Oliventrester und Posidoniablättern extrahiert wurde, einen höheren PDI. Der niedrigere PDI-Dikus des aus Aegagropile extrahierten Lignins deutet darauf hin, dass sein Molekulargewicht homogener ist als das der aus den anderen Biomassen extrahierten Lignine.
Die in extrahierten Lignin vorhandenen chemischen funktionellen Gruppen wurden mittels FTIR-Spektroskopie untersucht (Abbildung 7A-F). Das starke, breite Band zwischen 3.441 und 3.198cm-1 wurde auf OH-Dehnungsschwingungen der alkoholischen und phenolischen Hydroxylgruppen zurückgeführt, die an der Wasserstoffbindung beteiligt sind. Die Signale im Wellenzahlbereich 2.963-2.852cm-1 wurden Alkyl-C-H-Dehnungsschwingungen zugeordnet. Oliventrester, Alfa-Blätter und Mandelschalen zeigten intensivere Bänder als die anderen Biomassen. Es wurden keine Bänder von 2.800 bis 1.800 cm-1beobachtet. Das durch DES1- und DES2-Behandlung erhaltene Lignin hatte ein ansteigendes Band bei 1.708cm-1, was auf das Vorhandensein von unkonjugierten C = O-Gruppen hindeutete. Dieses Signal fehlte jedoch in den Lösungsmittelspektren (Abbildung 8B). Milch- und Oxalsäurespektren waren durch ein Band im Bereich von 1.737-1.723cm-1 gekennzeichnet, das auf das Vorhandensein von unkonjugierten C=O-Gruppen hindeutete, während das Harnstoffspektrum durch zwei Signale im Wellenzahlbereich von 1.660cm-1 und 1.604cm-1 gekennzeichnet war, die Amidgruppen zugeschrieben wurden. Die Bänder bei 1.606-1.618cm-1 wurden in Lignin beobachtet, das durch DES1- und DES2-Behandlung extrahiert wurde, assoziiert mit ringkonjugierter C = C-Dehnung.
Das Signal bei 1.640 cm-1 in Lignin, das von DES3 extrahiert wurde, zeigte das Vorhandensein von C = O-Dehnungsschwingungen in konjugierten Carbonylgruppen von Lignin an. Das Signal bei 1516 cm-1 entstand aus den Vibrationen der aromatischen Ringe, die in Lignin vorhanden sind, während das Band bei 1200 cm-1 das Vorhandensein von Ethergruppen anzeigte. Bänder im Wellenzahlbereich von 1.250-1.200 cm-1 wurden der C-O-Dehnung von nichtaromatischen Alkoholen zugeordnet. Das Band bei 953 cm-1 wurde Methylsubstituenten zugeordnet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass DES-Ligninfraktionen Spektren Signale bei 1.730-1.702cm-1 bzw. 1.643-1.635 cm-1zeigten, die der Dehnungsschwingung von unkonjugierten bzw. konjugierten Carbonylgruppen zugeordnet waren. Diese Bandbreitenbereiche fehlten jedoch in drei kommerziellen Ligninen: rohen, sodaverarbeiteten und alkaliextrahierten Ligninen (Abbildung 8A). Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass während seiner Extraktion und Solubilisierung einige funktionelle Gruppen von Lignin mit Oxal- und Milchsäure konjugiert wurden.
Abbildung 1: Untersuchte mediterrane Biomassen. (A) Mandelschalen, (B) Oliventrester, (C) Kegelkiefern, (D) Aegagropile (Posidoniakugeln), (E) Posidoniablätter, (F) Alfa-Blätter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Ligninausbeute. (A) Cholinchlorid + Oxalsäure (DES1), (B) Cholinchlorid + Milchsäure (DES2), (C) Cholinchlorid + Harnstoff (DES3). Signifikante Unterschiede wurden mit Einweg-ANOVA und Fishers Post-hoc-Test (*P < 0,05; **P < 0,01; ***P < 0,001) bestimmt. Abkürzungen: A = Alfa-Blätter, AS = Mandelschalen, PC = Tannenzapfen, PL = Posidoniablätter, OP = Oliventrester, Ag = Aegagropile; ns = nicht signifikant. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Lignin (%). (A) Cholinchlorid + Oxalsäure (DES1), (B) Cholinchlorid + Milchsäure (DES2), (C) Cholinchlorid + Harnstoff (DES3). Signifikante Unterschiede wurden mit Einweg-ANOVA und Fishers Post-hoc-Test (*P < 0,05; **P < 0,01; ***P < 0,001) bestimmt. Abkürzungen: A = Alfa-Blätter, AS = Mandelschalen, PC = Tannenzapfen, PL = Posidoniablätter, OP = Oliventrester, Ag = Aegagropile; ns = nicht signifikant. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Hauptkomponentenanalyse des Ertrags und der Reinheit von Lignin, das aus mediterranen Biomassen gewonnen wird. Wasserstoffbrücken-Akzeptor (HBA) ist Cholinchlorid (ChCl) und Wasserstoff-Bindungsdonatoren (HBD) sind Ox = Oxalsäure, Lac: Milchsäure und Harnstoff. PCA = Hauptkomponentenanalyse; A = Alfa-Blätter, AS = Mandelschalen, PC = Tannenzapfen, PL = Posidoniablätter, OP = Oliventrester, Ag = Aegagropile. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Gehalt an Kohlenhydraten (%), Stickstoff (%) und Asche (%) in Ligninproben. (A) Cholinchlorid + Oxalsäure (DES1), (B) Cholinchlorid + Milchsäure (DES2), (C) Cholinchlorid + Harnstoff (DES3). Signifikante Unterschiede wurden mit Einweg-ANOVA und Fishers Post-hoc-Test (*P < 0,05; **P < 0,01; ***P < 0,001) bestimmt. Abkürzungen: A = Alfa-Blätter, AS = Mandelschalen, PC = Tannenzapfen, PL = Posidoniablätter, OP = Oliventrester, Ag = Aegagropile; ns = nicht signifikant. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Identifizierung von Monosacchariden in Ligninproben (%). (A) Cholinchlorid + Oxalsäure (DES1), (B) Cholinchlorid + Milchsäure (DES2), (C) Cholinchlorid + Harnstoff (DES3). Signifikante Unterschiede wurden mit Einweg-ANOVA und Fishers Post-hoc-Test (*P < 0,05; **P < 0,01; ***P < 0,001) bestimmt. Abkürzungen: A = Alfa-Blätter, AS = Mandelschalen, PC = Tannenzapfen, PL = Posidoniablätter, OP = Oliventrester, Ag = Aegagropile; ns = nicht signifikant. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: Fourier-transformations-Infrarotspektren von Ligninproben. (A) Alfa-Blätter, (B) Mandelschalen, (C) Tannenzapfen, (D) Posidonia-Blätter, (E) Oliventrester, (F) Aegagropile. Abkürzungen: DES1 = Cholinchlorid + Oxalsäure, DES2 = Cholinchlorid + Milchsäure, DES3 = Cholinchlorid + Harnstoff. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8:Fourier-Transformations-Infrarotspektren. (A) Lignin-Kontrollen, (B) Wasserstoffbrücken-Bindungsspender. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Beispiel | Behandlung | Mn | Mw | Pdi |
Eine | Harnstoff | 47558 | 120141 | 2.5 |
Lac | 35241 | 73665 | 2.1 | |
Ox | 35793 | 84312 | 2.4 | |
Als | Harnstoff | 50181 | 105817 | 2.1 |
Lac | 60409 | 104915 | 1.7 | |
Ox | 83112 | 147233 | 1.8 | |
Pc | Harnstoff | 34013 | 65181 | 1.9 |
Lac | 55513 | 145963 | 2.6 | |
Ox | 46409 | 102298 | 2.2 | |
Pl | Harnstoff | 25696 | 50093 | 1.9 |
Lac | 45530 | 122900 | 2.7 | |
Ox | 28427 | 70726 | 2.5 | |
Op | Harnstoff | 29669 | 70424 | 2.4 |
Lac | 26735 | 66743 | 2.5 | |
Ox | 34161 | 75509 | 2.2 | |
Ag | Harnstoff | 30184 | 48123 | 1.6 |
Lac | 33835 | 52123 | 1.5 | |
Ox | 30025 | 49808 | 1.7 | |
Steuerung | Rohes Lignin | 23275.3 | 36496.5 | 1.6 |
Alkali-extrahiertes Lignin | 22792.6 | 43014.3 | 1.9 |
Tabelle 1: Molekulargewichte der Lignine. Abkürzungen: A = Alfa-Blätter, AS = Mandelschalen, PC = Tannenzapfen, PL = Posidoniablätter, OP = Oliventrester, Ag = Aegagropile; Mn = zahlenmittelwertes Molekulargewicht; Mw = gewichtsgemitteltes Molekulargewicht; PDI = Polydispersitätsindex; Ox = Oxalsäure; Lac = Milchsäure.
Abbildung S1: Lignin. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung S2: Proben nach autoklaviertem Autoklavieren (30 mg Lignin + 1 ml 72% Schwefelsäure + 28 ml destilliertes Wasser). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung S3: Ligninpellets. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung S4: Feste Rückstände, die viermal gewaschen wurden, um den maximalen Ligningehalt wiederherzustellen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung S5: Gelpermeationschromatogramme von Ligninkontrollen, rohen und alkaliextrahierten Ligninen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung S6: Gelpermeationschromatogramme von Ligninproben. Abkürzungen: A = Alfa-Blätter, AS = Mandelschalen, PC = Tannenzapfen, PL = Posidoniablätter, OP = Oliventrester, Ag = Aegagropile; DES1 = Cholinchlorid + Oxalsäure, DES2 = Cholinchlorid + Milchsäure, DES3 = Cholinchlorid + Harnstoff. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung S7: Fließbild des tiefen eutektischen Lösungsmittels (DES)-Mikrowellenverfahrens zur Ligninextraktion. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Diese Studie hatte viele Ziele; Die erste bestand darin, kostengünstige grüne Lösungsmittel mit den Eigenschaften sowohl ionischer Flüssigkeiten als auch organischer Lösungsmittel zuzubereiten und zu verwenden. Das zweite Ziel bestand darin, die Biomasse zu fraktionieren und Lignin in einem einzigen Schritt zu extrahieren, ohne dass vorbereitende Schritte wie die Extraktion von Extrahliables mit Soxhlet oder Hemicellulose mit alkalischen Lösungsmitteln, grundlegenden oder thermophysikalischen Techniken erforderlich waren. Das dritte Ziel war die Rückgewinnung von Lignin durch einfache Filtration nach der Behandlung, ohne Einstellung des pH-Werts, sondern einfach durch Zugabe von destilliertem Wasser. Die Ergebnisse der ultraschnellen Extraktion von Lignin aus sechs verschiedenen Quellen mittels des mikrowellengestützten, DES-basierten Verfahrens mit drei verschiedenen DESs deuten darauf hin, dass die Extraktionsausbeute je nach Biomasse und Art des DES variieren kann. Zum Beispiel war die höchste Ausbeute der Ligningewinnung unter allen drei DESs aus Oliventrester. Es folgten die Erträge aus Alfa-Blättern, Tannenzapfen und Mandelschalen. Die Extraktionserträge waren für die Blätter und Kugeln von Posidonia oceanicageringer.
Die Reinheit von Lignin wurde mit den Methoden Klason, Kjeldahl (Stickstoff), Kohlenhydrate (GC) und Asche bewertet. Wie in Abbildung 3 und Abbildung 5A-Cdargestellt, nahm die Reinheit von Lignin aufgrund der Co-Ausfällung von Stickstoff-, Kohlenhydrat- und Aschekomponenten mit Lignin ab. Die Bedingungen für die Ligninextraktion mit DES1 gewährleisteten eine hohe Reinheit, aber eine geringe Ausbeute, was darauf hindeutet, dass Prozessverbesserungen für die positive Korrelation zwischen der Ausbeute und Reinheit von Lignin notwendig sind. Die Ligninausbeute kann verbessert werden, wenn die Behandlungsdauer länger ist, die Mikrowellenleistung von 800 W auf 1200 W erhöht wird oder das Verhältnis fest:Lösungsmittel (1:10) reduziert wird. Lignin-Molekulargewichtsdaten geben einen Einblick in die Dissoziation oder Repolymerisation von Ligninfragmenten nach der Behandlung. Nach der Extraktion mit Mikrowellen-DES wurde ein Anstieg des Mw von Lignin für die Biomassen beobachtet, wie sich beispielsweise bei Posidonia-Blättern zeigt (das Mw beträgt 50093 für DES3 und ist 70726 für DES1), was zeigt, dass die Depolymerisation während der Extraktion von Lignin auftrat und eine schnelle Repolymerisation der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Intereinheit unter Einwirkung des DES folgte. Dies erfordert die Verwendung eines Abscheidemittels wie Formaldehyd, um den Einsatz zu stabilisieren.
In der DES-Vorbehandlung sind Lignindissoziation und Kondensation die beiden konkurrierenden Reaktionen. Der PDI-NDI der extrahierten Lignine ist niedriger als der von Buchenligngnin, das durch organische Lösungsmittel (Ethanol/Wasser/H2SO4)extrahiert wird und in der Literatur17beschrieben wird. Dies deutet darauf hin, dass die DES-Behandlung die Molekulargewichtshomogenität in Lignin im Vergleich zur Behandlung mit organischen Lösungsmitteln verbessert. Die FTIR-Spektren deuten darauf hin, dass Lignin-funktionelle Gruppen durch das verwendete DES-Lösungsmittel beeinflusst werden. Spektren zeigen Signale bei 1.730-1.702cm-1, die der Dehnungsschwingung unkonjugierter Carbonylgruppen zugeordnet sind, während Spitzen bei 1.643-1.635 cm-1 die Dehnungsschwingung konjugierter Carbonylgruppen anzeigen. Diese Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, hochwertiges Lignin mit Mehrwert aus mediterranen Biomassen zu extrahieren (das derzeit unterbewertet ist und entweder als Futtermittel oder als Bodenverbesserung verwendet wird) und kann dazu beitragen, das optimale DES-Lösungsmittel zu bestimmen und gleichzeitig die Reinheit von Lignin zu gewährleisten. Zum Beispiel zeigte DES1 die reinste Extraktion von Lignin, wenn auch mit einer geringeren Ausbeute als die, die mit den anderen beiden DES beobachtet wurde.
Die vorgeschlagene Methode kann aufgrund des kostengünstigen und grünen ChCl-Oxalsäure-Tiefeneuktikum-Lösungsmittelsystems leicht angewendet werden. Cholinchlorid ist ein organisches Salz und Oxalsäure ist als Naturprodukt von Pflanzen erhältlich, die reichlich mit niedrigen Kosten sind. Diese Technik (ein ultraschnelles Protokoll, das in einem Schritt Biomassefraktionierung und hochreine Ligninrückgewinnung ermöglicht) ist auf jede Art von lignozellulosehaltiger Biomasse anwendbar, die eine ähnliche chemische Zusammensetzung aufweist wie die, die hier im Labormaßstab mit dem Mikrowellen-DES-Verfahren oder im Pilotmaßstab mit dem DES-Ultraschallverfahren oder durch Konvektionserwärmung untersucht wurde.
Die Autoren berichten von keinem Interessenkonflikt.
MK und TB danken Haitham Ayeb für statistische Analysen und die Erstellung von Zahlen, Wallonische Region (European Regional Development-VERDIR) und Minister für Hochschulbildung und wissenschaftliche Forschung (Taoufik Bettaieb) für die Finanzierung.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
HPLC Gel Permeation Chromatography | Agilent 1200 series | ||
1 methylimadazole | Acros organics | ||
2-deoxy-D-glucose (internal standard) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Acetic acid | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Acetic anhydride | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Adjustables pipettors | |||
Alkali | alkali-extracted lignin | ||
Arabinose (99%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Autoclave | CERTO CLAV (Model CV-22-VAC-Pro) | ||
Water Bath at 70 °C | |||
Boric acid | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Bromocresol | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Catalyst | CTQ (coded A22) (1.5 g K2SO4 + 0.045 g CuSO4.5 H2O + 0.045 g TiO2) | Merck | |
Centrifugation container | |||
Centrifuge | BECKMAN COULTER | Avanti J-E centrifuge | |
Ceramic crucibles | |||
Choline chloride 99% | Acros organics | ||
Column | Agilent PLGel Mixed C (alpha 3,000 (4.6 × 250 mm, 5 µm) preceded by a guard column (TSK gel alpha guard column 4.6 mm × 50 mm, 5 µm) | ||
Column | HP1-methylsisoxane (30 m, 0.32 mm, 0.25 mm) | ||
Crucible porosity N°4 ( Filtering crucible) | Shott Duran Germany | boro 3.3 | |
Deonized water | |||
Dessicator | |||
Dimethylformamide | VWR BDH Chemicals | ||
Dimethylsulfoxide | Acros organics | ||
Erlenmeyer flask | |||
Ethanol | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
Filtering crucibles, procelain | |||
Filtration flasks | |||
Fourrier Transformed Inra- Red | Vertex 70 Bruker apparatus equipped with an attenuated total reflectance (ATR) module. Spectra were recorded in the 4,000–400 cm−1 range with 32 scans at a resolution of 4.0 cm−1 | ||
Galactose (98% | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Gaz Chromatography | Agilent (7890 series) | ||
Glass bottle 100 mL | |||
Glass tubes ( borosilicate) with teflon caps 10 mL | |||
Glucose (98% | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Golves | |||
Graduated cylinder 50 mL /100 mL | |||
H2SO4 Titrisol (0.1 N) | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
H2SO4 (95-98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | BUCHI R-114) | |
Hummer cutter equiped with 1 mm and 0.5 mm sieve | Mill Ttecator (Sweden) | Cyclotec 1093 | |
Indulin | Raw lignin control | ||
Kjeldahl distiller | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
Kjeldahl tube | FOSS | ||
Kjeldhal rack | |||
Kjeldhal digester | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
Kjeldhal suction system | |||
Lab Chem station Software | GC data analysis | ||
Lactic acid | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
Lithium chloride LiCl | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Mannose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Methyl red | |||
Microwave | START SYNTH MILESTONE Microwave laboratory system | ||
Microwave temperature probe | |||
Microwave container | |||
Muffle Furnace | |||
NaOH | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
Nitrogen free- paper | |||
Opus | spectroscopy software | ||
Oven | GmbH Memmert SNB100 | Memmert SNB100 | |
Oxalic acid | VWR BDH Chemicals | ||
P 1000 | Soda-processed lignin | ||
pH paper | |||
precision balance | |||
Infrared spectroscopy | |||
Quatz cuvette | |||
Rhamnose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Rotary vacuum evaporator | Bucher | ||
Round-bottom flask 500 mL | |||
sodium borohydride NaBH4 | |||
Schott bottle | glass bottle | ||
Sovirel tubes | sovirel | Borosilicate glass tubes | |
Spatule | |||
Special tube | |||
Spectophotometer | UV-1800 Shimadzu | ||
Sterilization indicator tape | |||
Stir bar in teflon | |||
Stirring plate | |||
Syringes | |||
Sodium borohydride | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
Titrisol | Merck | Merck 109984 | 0.1 N H2SO4 |
Urea | VWR BDH Chemicals | ||
Vials | |||
VolumetriC flask 2.5 L /5 L | Bucher | ||
Vortex | |||
Xylose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) |
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