Gli autori ringraziano Melanie Frank, Pia Griesheimer, Jessica Henrich, Petra Janke, Jessica Maier, e Norbert Sickinger per il supporto tecnico e analitico di questo lavoro. Il sostegno finanziario fornito nell&#39;ambito del progetto BioBOOST è fortemente riconosciuta. BioBOOST è un progetto D cofinanziato sotto contratto 282.873 nell&#39;ambito del settimo programma quadro della Commissione Europea (www.bioboost.eu) R &amp; europea.

1. Messa in funzione <ol><li> Attivare l&#39;intero pirolisi e sistema di condensazione avviando il ausiliaria N 2 ed il ventilatore gas di pirolisi. Lavare il banco di prova di pirolisi con 500 L hr -1 di azoto durante lo standby. Regolare la ventola aprendo il menu del ventilatore nel controllo di processo e regolando la portata nominale volumetrica tale che la pressione nel reattore è 3-8 mbar sopra della pressione ambiente. Attenzione: Specialmente in fase di avviamento, vi è un aumento del rischio di formazione di atmosfere esplosive. Il sistema deve essere completamente inerte al fine di mitigare questo rischio. </li><li> Riempire il ciclo bio-olio (cioè organica ricca condensa) con una quantità appropriata di glicole etilenico come mezzo di inizio del sistema di raffreddamento per consentire il funzionamento sicuro della pompa e omogeneizzatore (ad esempio, 15 kg nell&#39;esempio dato). Registrare il peso del materiale di partenza. </li><li> Riempire il ciclo di condensa acquosa con una adeguata Amount di acqua per permettere un funzionamento sicuro della pompa (ad esempio, 7 kg nell&#39;esempio dato). Registrare il peso del materiale di partenza. </li><li> Riscaldare il sistema, compreso il riscaldatore termovettore e tutti i riscaldatori ausiliari, aprendo loro menu nel controllo di processo e inserendo i valori desiderati (ad esempio, circa 500 ° C). Riscaldamento ausiliario è raccomandato per il reattore stesso e dei tubi di collegamento fino al primo condensatore al fine di evitare la condensazione dei vapori incontrollata. </li><li> Avviare il ciclo di raffreddamento per gli scambiatori di calore in entrambi i cicli di condensazione accendendo il dispositivo di raffreddamento. </li><li> Avviare le pompe di entrambi i cicli di condensazione aprendo loro menu nel controllo di processo e cliccare su Attiva. Utilizzare gli stessi menu per regolare il flusso di massa per fornire energia sufficiente raffreddamento. Ad esempio, ricircolare il bio-olio ad una velocità di circa 350 kg hr -1 e raffreddarlo a 80 ° C prima di spruzzare nel recipiente tempra. Ricircolare il conde acquosansate ad una velocità di circa 600 kg hr -1 e, inoltre, la fornitura di acqua di raffreddamento ad una velocità di 300 kg hr -1 a 8 ° C. </li><li> Accendere il precipitatore elettrostatico. </li><li> Dopo entrambi i cicli di condensazione hanno una durata di 10-20 minuti, controllare gli ugelli del sistema di raffreddamento per bloccare e rimuovere il blocco attuale. </li><li> Inizia il ciclo termovettore aprendo il menu del elevatore a tazze e la coclea termovettore nel controllo di processo e cliccare su Attiva. Impostare la temperatura vettore termico ad un valore superiore alla temperatura del reattore desiderata in modo da consentire un avviamento agevole dai contabilità per i requisiti di calore per la reazione di pirolisi. Ad esempio, fornire il vettore di calore con un flusso di massa di 1.000 kg hr -1 ad una temperatura di 520 ° C durante il funzionamento, ma il calore a 545 ° C prima di iniziare l&#39;alimentazione biomassa. Attenzione: Assicurarsi che le gemelle viti del reattore vengono avviati automaticamente una volta che l&#39;alimentazione termovettorevite è attivato. Altrimenti c&#39;è il rischio di bloccare e addirittura danni al sistema di alimentazione. </li><li> Dopo che il sistema (cioè, tutte le temperature) ha raggiunto i valori impostati, avviare l&#39;alimentazione biomassa riempiendo lo stoccaggio della biomassa con la carica desiderata. Successivamente, aprire la tramoggia di blocco e avviare la coclea biomassa cliccando su Attiva nei loro menu nel controllo di processo. Lentamente aumentare la velocità di avanzamento per impedire fluttuazioni di pressione eccessiva. </li></ol> 2. Fasi e osservazioni continuamente richiesti durante l&#39;operazione <ol><li> Registrare la quantità di biomassa alimentata al fine di tenere conto di bilanciamento e prelevare campioni appropriati. </li><li> Controllare la (temperatura di uscita del vettore di calore) temperatura del reattore desiderata e regolare il riscaldamento del circuito termovettore conseguenza. </li><li> Regolare la ventola regolando la sua portata nominale volumetrico per mantenere la pressione del reattore desiderato. </li><li> Controllare il blocco negli ugellidel sistema di tempra (diminuzione del flusso di massa e / o aumento della temperatura quenching). </li><li> Osservare la caduta di pressione attraverso i cicloni e il sistema di raffreddamento per rilevare eccessiva desquamazione sufficiente anticipo. Installare misure adeguate per essere in grado di rimuovere scalatura eccessiva durante il funzionamento, in particolare nel punto della prima goccia temperatura dei vapori di pirolisi (di solito all&#39;ingresso del sistema di quenching). <ol><li> Ad esempio, pulire la sezione trasversale del tubo utilizzando una bacchetta per rimuovere scala meccanica. Sigillare l&#39;asta con una guarnizione per impedire l&#39;ingresso di aria nel sistema di raffreddamento. Installare una valvola a sfera in corrispondenza del punto di ingresso della barra per ridurre ulteriormente le perdite d&#39;aria se la pulizia non è in funzione. Attenzione: Pulizia all&#39;ingresso del sistema di quenching inserendo un&#39;asta porta al blocco temporaneo del rimozione del gas dal reattore. alimentazione biomassa deve essere fermato se non può essere assicurato che la pulizia viene effettuata in &lt;10 sec. </li></ol></li><li> Monitorare le temperature di condensazione di entrambi i cicli di condensazione e adattare la temperatura set-point dei termostati di processo, se necessario. </li><li> Rimuovere condensa dai cicli non appena è stato raggiunto l&#39;80% del livello massimo ammissibile di riempimento (a seconda delle dimensioni dei serbatoi tampone e la quantità e il tipo di biomassa alimentato). </li><li> Effettuare misure della fase gassosa. Misurare la quantità di gas, nonché la sua composizione (vedi dettagli nella fase 4.5). NOTA: composti gassosi primari includono N 2, CO, CO 2, CH 4, O 2 e H 2. Sono attese ulteriori composti, come ad esempio C 2 H 4, C 2 H 6 e C 3 H 8. Un esempio di un sistema di misura di gas è descritto di seguito (vedi passo 4.5). Attenzione: Se parti dell&#39;unità di pirolisi vengono azionati sotto pressione, perdita di aria può portare allo sviluppo di un&#39;atmosfera esplosiva. Si consiglia vivamente di ob da vicinoservire la quantità di ossigeno nel gas di pirolisi. </li></ol> 3. Spegnimento <ol><li> Per interrompere l&#39;esperimento, è sufficiente spegnere l&#39;alimentazione biomassa e regolare il ventilatore per mantenere la pressione del reattore desiderato. </li><li> Consentire il sistema (loop vettore di calore e cicli di condensazione) per funzionare per altri 30-40 minuti per garantire che tutti i residui vengono pirolizzati ei prodotti recuperati. </li><li> Spegnere il riscaldamento del circuito termovettore. </li><li> Spegnere le pompe di entrambi i cicli di condensazione e il precipitatore elettrostatico. </li><li> cicli vuoti sia condensa e registrare il peso di ogni condensa. Sottrarre la quantità di materiale di partenza (Vedere i punti 1.2 e 1.3) prima di impostare i saldi. </li><li> Lasciare i contenitori per la raccolta char raffreddare fino a temperatura ambiente in atmosfera inerte. Pesare la quantità di carbone. Attenzione: il char può presentare caratteristiche piroforiche, e la cura specifica dovrebbe essere presa durante la manipolazione di questo materiale. </li><li> Clean il ciclo bio-olio con glicole etilenico fresco e il ciclo di condensa acquosa con una miscela 1: 1 di acqua ed etanolo. Riempire con quantità appropriate (vedere i passi 1.2 e 1.3) e lasciar correre per 30-40 minuti. </li></ol> 4. Le analisi necessari per creare saldi &#39;a secco&#39; e &#39;Elemental Carbon&#39; <ol><li> Eseguire le seguenti analisi delle materie prime (esempi per gli standard applicabili sono indicati tra parentesi): <ol><li> Determinare il contenuto d&#39;acqua 17. </li><li> Determinare il tenore di ceneri 18. </li><li> Determinare il carbonio elementare, idrogeno, e contenuto di azoto 19. NOTA: Si consiglia di analizzare il contenuto di acqua ogni giorno sperimentale a causa delle differenze di condizioni meteorologiche possono influenzare il contenuto di umidità della materia prima. A seconda della dimensione del lotto, diversi campioni sono necessari per caratterizzare affidabile la materia prima. Ulteriori analisi come l&#39;analisi delle fibre e più elevato potere calorifico sonoconsigliato ma non obbligatorio per l&#39;impostazione dei bilanci di cui sopra. </li></ol></li><li> Eseguire le seguenti analisi polvere char (esempi di norme applicabili sono presentati nei riferimenti bibliografici): <ol><li> Determinare il contenuto d&#39;acqua 17. </li><li> Determinare il tenore di ceneri 18. </li><li> Determinare il carbonio elementare, idrogeno, e contenuto di azoto 19. NOTA: Si presume che char non ha un contenuto di umidità al momento di lasciare il processo per la creazione di saldi. Umidità assorbimento può verificarsi nel corso di analisi, e il contenuto di acqua è necessaria per la correzione degli altri due analisi. </li></ol></li><li> Eseguire le seguenti analisi bio-olio (esempi di norme applicabili o altri metodi consigliati sono dati tra parentesi): <ol><li> Determinare il contenuto d&#39;acqua volumetrico da Karl-Fischer titolazione secondo protocolli standard. Sciogliere un campione in metanolo secco e titolare con una miscela di una base, SO 2, E una concentrazione di I 2 (esempi dettagliati dei materiali sono indicati nella lista materiale). Ogni mole di acqua reagisce con una mole di I 2. </li><li> Determinare il contenuto di solidi procedendo a 3.040 g campione di FPBO e sciogliere in metanolo ad un volume soluzione finale di circa 100 ml. Agitare la soluzione per 10 minuti a temperatura ambiente. Filtrare la soluzione attraverso il filtro di cellulosa a ritenzione delle particelle di 2,5 micron e lavare il residuo con metanolo fino ad ottenere un filtrato limpido. Essiccare il residuo solido a 105 ° C per una notte e determinare il peso residuo. </li><li> Determinare il carbonio elementare, idrogeno, e contenuto di azoto 19. </li><li> Determinare il etilenico contenuto di glicole da 1 H NMR secondo protocolli standard. Sciogliere un campione FPBO in una soluzione di metanolo deuterato con 3- (trimetilsilil) propionico-2,2,3,3-d 4 sale sodico dell&#39;acido (TMSP) come materiale di riferimento (circa 0,1g FPBO in 0,8 soluzione g). Ad esempio, la soluzione può contenere 44 g di metanolo e 0,1 g TMSP. Centrifugare il campione disciolto per rimuovere i solidi. Analizzare il campione da 1 H spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). I gruppi idrossilici di etilene glicole mostrano un picco a 3,55-3,65 ppm. Il picco di riferimento di TMSP appare circa 0 ppm e viene utilizzato per quantificare il contenuto di etilene glicole. NOTA: Avviamento con glicole etilenico puro porta ad una diluizione della condensa nel primo condensatore. Questo deve essere considerato nel calcolo dei bilanci di materia e di energia e per la presentazione dei risultati. E &#39;altamente auspicabile identificare singoli composti chimici. Tale metodo analitico è molto complessa a causa del gran numero di diversi composti e la natura della matrice condensa. Una descrizione di tali analisi è al di fuori del campo di applicazione del presente documento. Va inoltre rilevato che le analisi di cui sopra vengono semplicemente tenuti per impostaresaldi e non sono sufficienti per descrivere il bio-olio come prodotto. Norme che coprono applicazioni FPBO sono in preparazione. </li></ol></li><li> Eseguire le seguenti analisi condensa acquose (esempi di norme applicabili sono riportati tra parentesi): <ol><li> Determinare il contenuto d&#39;acqua da volumetrico Karl-Fischer titolazione (vedi 4.3.1). </li><li> Determinare il carbonio organico totale come non-purgeable carbonio organico 20. NOTA: Start-up con cavi acqua pura per una diluizione del condensato nel secondo condensatore. Questo deve essere considerato nel calcolo dei bilanci di materia e di energia e per la presentazione dei risultati. </li></ol></li><li> Monitorare la composizione del gas durante l&#39;esperimento perché composizione varia notevolmente con il tempo. Ad esempio, analizzare il gas prodotto durante gli esperimenti qui presentati in un gascromatografo processo ogni 30-60 min. Analizzare le seguenti specie di gas: Ne, H 2, CO, CO 2, N 2, O 2, CH 4, e alcano / alcheni C 2 -C 5 componenti. <ol><li> Iniettare un flusso costante di gas di Ne nel reattore come riferimento. Calcolare la massa di ciascuna specie di gas basati sul flusso volumetrico di riferimento, il rapporto medio composizione del gas, la durata dell&#39;esperimento, e la densità delle specie. Per determinare il contenuto di acqua del gas di pirolisi, assumere condizioni di saturazione alla temperatura di uscita dell&#39;ultimo condensatore. </li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Per tutti gli esperimenti, le condizioni di processo quali la dimensione del materiale feedstock, avanzamento, pressione, temperatura di reazione, la temperatura di condensazione e portate sia del vettore di calore e il ciclo condensa erano uguali. Naturalmente, le variazioni entro limiti definiti non possono essere evitati. Per un impianto di prova come l&#39;unità di sviluppo processo presentato qui, gli intervalli accettabili di fluttuazione e richiesti tempi di funzionamento per esperimenti riproducibili devono essere calcolati e / o determinata dall&#39;esperienza. Ad esempio, la temperatura del reattore, che è indicata dalla temperatura del portatore di calore in uscita dal reattore, è controllata con una deviazione standard di 35 ° C per tutto il corso della reazione dall&#39;inizio della reazione a capacità biomassa completo al smettere di alimentazione biomassa (in genere circa 4 ore). La pressione nel reattore è controllata con una deviazione standard di 300-500 Pa. Picchi di pressione sono suscettibili di verificarsi a causa di fluctuazioni di alimentazione della biomassa. Si raccomanda di regolare il sistema a vite di alimentazione al materiale di biomassa in esame al fine di minimizzare tali oscillazioni e garantire un flusso costante di biomassa. La temperatura di condensazione nel primo e secondo condensatori è stata mantenuta a una deviazione standard di 3 ° C e 1 ° C, rispettivamente. Va notato a questo punto che tutti gli esperimenti presentati sono stati condotti alla stessa temperatura del reattore (500 ° C). Questa temperatura non riflette necessariamente la temperatura di pirolisi veloce ottimale che esiste per ogni materia prima specifica 22. Una variazione della temperatura del reattore potrebbe portare ad una temperatura di pirolisi ottimizzato con ancora maggiori rese in olio organici. La scelta del metodo di bilanciamento non è banale per veloce pirolisi di biomassa, in particolare quando si applica condensazione frazionata e quando si utilizza biomassa con elevato contenuto di ceneri. Tre diversi tipi di BALANCINg sono stati presentati nella sezione precedente. Indicazione del tenore di frazioni di prodotto su base &#39;come ricevuti&#39; è vantaggioso per considerazioni pratiche quali la progettazione degli apparati e capacità di stoccaggio come riporta la distribuzione del prodotto che deve essere effettivamente previsto. Tuttavia, questi valori vengono oscurati dalle acqua e cenere contenuto della materia prima. Soprattutto per residui di biomassa - ad esempio, paglia, silvicoltura e residui di potatura e biogene &#39;rifiuti&#39; - questo è un problema in quanto queste materie prime hanno una vasta gamma di acqua e inorganici contenuti, vedi tabella 1. Il metodo di bilanciamento comune per processi biomassa su un &#39;secco&#39; è in molti casi utili per il confronto tra i diversi studi in quanto elimina l&#39;effetto di diversi contenuti di umidità della materia prima. Tuttavia, si deve rilevare che questi valori calcolati da esperimenti con una determinata carica umido non necessariamente reflect il comportamento e le rese di questo specifico feedstock se è stato completamente essiccato mediante mezzi fisici prima dell&#39;esperimento. E &#39;noto che l&#39;umidità colpisce la distribuzione dei rendimenti di pirolisi 23 e questo dovrebbe essere tenuto presente quando si valutano e confrontano i saldi&#39; a secco &#39;. Inoltre, bilanci di massa su un &#39;secco&#39; sono inadeguate per materie prime ad alto contenuto di ceneri, perché i minerali finiscono principalmente nel char e oscurano i risultati in modo simile al contenuto iniziale di umidità. Allo stesso modo per l&#39;acqua, i minerali influenzano la rete di reazione di pirolisi reale perché favoriscono le reazioni di pirolisi secondarie, che porta ad una maggiore char e più basse rese bio-olio. Tali effetti possono essere valutati solo su base scientifica, se i saldi sono corretti per il tenore di ceneri. Un modo per raggiungere questo obiettivo è attraverso la creazione di saldi di carbonio. Dal confronto della figura 2 e la figura 4 si può vedere che i solidi aumentato Yield osservato dopo pirolisi di paglia di grano rispetto al Miscanthus è non solo a causa di materiale inorganico che viene recuperato con il char, ma anche a causa di un aumento della frazione di solidi organici che si sono formate durante il processo. Un altro vantaggio di saldi carbonio elementare è quello di mostrare il destino di carbonio biogenico, vale a dire, la sua distribuzione nelle frazioni prodotto recuperato. Questo è importante per la valutazione delle catene più complesse conversione - ad esempio, pirolisi, gassificazione e sintesi come nel caso qui presentato - perché il carbonio biogenico deve essere utilizzato nel modo più efficiente possibile. Uno dei ruoli più importanti di biomassa in un futuro bioeconomia è quello di fornire carbonio biogenico per una vasta gamma di prodotti, sostituendo così carbonio da fonti fossili. Il protocollo presentato per pirolisi veloce in un reattore di miscelazione a doppia vite può essere realizzato su diverse scale con alcune modifiche. Tha caso di un&#39;unità presentato con una capacità di alimentazione di 10 kg hr -1 ha dimostrato di essere un compromesso praticabile tra complessità operativa e risultati significativi per il comportamento del processo. Può essere applicato sia per lo screening di diversi tipi di biomassa e ottimizzazione delle condizioni di processo. Testare una specifica materia prima biomasse è fondamentale perché certe caratteristiche delle materie prime potrebbero portare a funzionamento del processo sfavorevole se i residui solidi grossolani si accumulano nel ciclo di vettore di calore. Tale accumulo non è stato osservato per la biomassa presentato nella sezione risultati, ma è stato osservato per materiale biogenico molto duro con grande dimensione delle particelle (&gt; 1 mm) che limita l&#39;applicabilità del processo presentato. Questo problema potrebbe essere ridotto con un disegno diverso del circuito termovettore, ad esempio, dal trasporto pneumatico del termovettore con parziale combustione simultanea.

L&#39;uso della biomassa come alternativa alle fonti di carbonio fossili sta diventando sempre più importante per ridurre l&#39;effetto dell&#39;attività sociale sul clima terrestre. Esistono altre fonti di energia rinnovabili, come l&#39;eolico e il solare, ma la biomassa rappresenta l&#39;unica fonte di carbonio da fonti rinnovabili fino ad oggi. Di conseguenza, l&#39;uso più efficiente della biomassa è nella produzione di sostanze chimiche e combustibili liquidi specializzati. biomassa residua devono essere utilizzati al fine di ridurre la concorrenza tra i mangimi, prodotti alimentari, prodotti chimici e la produzione / carburante. Questi residui hanno spesso a bassa densità di massa, presentando così una sfida logistica per le applicazioni su scala industriale. Per affrontare queste sfide, il concetto bioliq è stata sviluppata presso l&#39;Istituto di tecnologia di Karlsruhe 1. È dotato di un primo passo decentrato per convertire la biomassa residua in una energia densa intermedio (bioslurry), una successiva conversione in una unità di gassificazione centrale per sintesigas e una sintesi finale al prodotto desiderato (s). L&#39;unità di gassificazione e la sintesi può essere progettato su scala industriale necessaria allo stesso sito per ottenere un funzionamento commerciale. Il concetto permette per prodotti diversi, che vanno dai combustibili per additivi per carburanti e prodotti chimici specializzati rinfusa 2-5 drop-in. Questo documento presenta la prima fase in cui la pirolisi veloce viene utilizzato per convertire biomassa residua al bioslurry intermedia. Pirolisi veloce è caratterizzata da un rapido riscaldamento della biomassa in atmosfera inerte ad una temperatura di reazione tipicamente 450-500 ° C con un tempo di permanenza dei vapori pirolisi di &lt;2 sec 6. Più comunemente, reattori a letto fluido vengono utilizzati per l&#39;esecuzione di pirolisi veloce, ma esistono anche diversi progetti di reattori appositamente adattati per ottimizzare le condizioni di reazione 7. Il lavoro presentato in seguito è stata condotta con un reattore di miscelazione a doppia vite. Presenta una robusta tecnologia che ha già apen applicato su scala industriale per pirolisi di carbone e su scala pilota per sabbie bituminose 8. Lo scopo del reattore di miscelazione a doppia vite è di mescolare il feed biomasse solide con un vettore di calore pre-riscaldato solido. esigenze di miscelazione sia sufficientemente accurata per raggiungere la velocità di riscaldamento che è necessario per convertire la biomassa in condizioni di pirolisi veloce. Inoltre, la dimensione delle particelle sia biomassa e dei vettori di calore deve essere piccolo per ottenere un coefficiente di trasferimento di calore elevato e un periodo di riscaldamento breve particelle. Presso l&#39;Istituto di Catalisi Ricerca e Tecnologia (IKFT) dell&#39;Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT), un&#39;unità di sviluppo di processo con una capacità di alimentazione di biomassa di 10 kg hr -1 è operativo da più di un decennio. Esso utilizza sfere di acciaio come il vettore di calore, che viene fatta ricircolare internamente di un elevatore a tazze e ri-riscaldato con un sistema di riscaldamento elettrico. Il suo scopo principale era la ricerca di aunique tecnologia di recupero prodotto che è stato adattato per l&#39;uso del prodotto in un gassificatore e la convalida della sua idoneità per una vasta gamma di materie prime 9-11. Un impianto pilota più grande è stato costruito in parallelo a questi studi con una capacità di alimentazione di biomassa di 500 kg hr -1, che è operativo da cinque anni. Utilizza sabbia come vettore di calore, che viene ricircolata pneumaticamente da un gas ascensore calda e riscaldato anche da parziale combustione delle particelle trascinate char 1,12. La seguente descrizione del metodo sperimentale si basa sulla più piccola unità di sviluppo processo dopo la sua sezione di recupero del prodotto è stato rinnovato per assomigliare migliore progettazione impianto pilota 13. Uno schema di flusso di questa configurazione sperimentale è illustrato in Figura 1. E &#39;importante notare che i requisiti di prodotto per pirolisi veloce bio-olio (FPBO) per l&#39;utilizzo in gassificatori sono diversi da quelli sviluppati per FPB convenzionaleO, che di solito è destinato ad applicazioni di combustibile diretti 14. Soprattutto, il contenuto di solidi della FPBO non deve essere molto bassa. In realtà, è desiderabile mescolare il FPBO prodotta con il char ottenuto dal processo di conversione al fine di aumentare la quantità di carbonio disponibile per gassificazione e successiva sintesi di drop-in combustibili. Questi fatti sono importanti per comprendere le differenze nella progettazione del setup sperimentale qui presentata e gli esperimenti di pirolisi veloce pubblicati altrove. Un&#39;altra differenza importante è il fatto che il concetto di conversione della biomassa in esame è stato progettato specificamente per residui agricoli quali paglia di grano. Tipicamente, questo tipo di feedstock contiene una grande frazione di cenere. Ash è noto per influenzare in modo significativo la distribuzione dei prodotti di pirolisi veloce. Si porta ad una diminuzione di condensa organico (OC) e un aumento in entrambi i prodotti solidi e gassosi 10,15,16. Questi fatti sono contabilizzatisia nella progettazione del setup sperimentale qui presentata e la catena complessiva processo. La maggior parte degli impianti industriali eseguite su legno con basso contenuto di ceneri e semplicemente bruciare i solidi internamente. Questo porta ad una produzione aggiuntiva di calore per uso esterno. Quando si utilizzano materie prime ad alto contenuto di ceneri, char è un significativo sottoprodotto che deve essere utilizzato in modo efficiente 13.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1014">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Wheat straw</td>
			<td style="width:284px;">D&#246;rrmann Kraichtal-M&#252;nzesheim</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td style="width:357px;">Triticum aestivum L.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Scrap wood</td>
			<td style="width:284px;">Rettenmeier Holding AG</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td>According to class A2 of the German scrap wood decree (AltholzV &#167;2): glued, coated, painted, or otherwise treated scrap wood without organic halogen compounds and wood preservatives</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Miscanthus</td>
			<td style="width:284px;">Hotel-Heizungsbau Kraichgau-Odenwald</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td>Miscanthus xGiganteus</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Ethylene glycol</td>
			<td style="width:284px;">H&#228;ffner GmbH &#38; Co KG</td>
			<td style="width:141px;">1042090220600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Ethanol</td>
			<td style="width:284px;">H&#228;ffner GmbH &#38; Co KG</td>
			<td style="width:141px;">1026800150600</td>
			<td>Grade 99.9 %</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Nitrogen</td>
			<td style="width:284px;">KIT</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td>Supplied by internal nitrogen pressure system.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Pyrolysis test rig</td>
			<td style="width:284px;">self-built</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td>Flow scheme is illustrated in manuscript.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Name</td>
			<td style="width:284px;">Company</td>
			<td style="width:141px;">Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Analyses:</td>
			<td style="width:284px;"></td>
			<td style="width:141px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Gas chromatograph Daniel 700</td>
			<td style="width:284px;">Emerson Process Management</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td>Designed for this specific application by Emerson; two 20 % SF 96 columns, two HAYESEP N columns, and one MS-5A washed column; carrier gas is helium</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Helium</td>
			<td style="width:284px;">Air Liquide</td>
			<td style="width:141px;">P0252L50R2A001</td>
			<td>Grade 6.0</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:232px;">Gas mixture for calibration</td>
			<td style="width:284px;">basi Sch&#246;berl GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:141px;">FG 10002</td>
			<td>Specified gas composition: 5 % Ne, 2 % O2, 20 % CO, 30 % CO2, 5 % CH4, 5 % H2, 2 % C2H6, 0.5 % C3H8, 0.5 % C4H10, 0.5 % C5H12, remainder N2.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Neon</td>
			<td style="width:284px;">Air Liquide</td>
			<td style="width:141px;">P0890S10R2A001</td>
			<td>Grade 4.0; used as fixed reference gas flow; not necessarily required and is only given as an example for quantifying the pyrolysis gas flow.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Elementaranalysator CHN628</td>
			<td style="width:284px;">Leco Instrumente GmbH</td>
			<td style="width:141px;">622-000-000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">TGA701</td>
			<td style="width:284px;">Leco Instrumente GmbH</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">DIMATOC 2000</td>
			<td style="width:284px;">Dimatec</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Hydranal methanol dry</td>
			<td style="width:284px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:141px;">34741</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Hydranal composite V</td>
			<td style="width:284px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:141px;">34805</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">841 Titrando</td>
			<td style="width:284px;">Deutsche Metrohm GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:141px;">2.841.0010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">774 Oven Sample Processor</td>
			<td style="width:284px;">Deutsche Metrohm GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:141px;">2.774.0010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">800 Dosino</td>
			<td style="width:284px;">Deutsche Metrohm GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:141px;">2.800.0010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">801 Stirrer</td>
			<td style="width:284px;">Deutsche Metrohm GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:141px;">2.801.0010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Methanol</td>
			<td style="width:284px;">Carl Roth GmbH &#38; Co KG</td>
			<td style="width:141px;">83884</td>
			<td>99% for synthesis</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:232px;">Whatman cellulose filter grade 42</td>
			<td style="width:284px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:141px;">WHA1442090</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Methanol-D4</td>
			<td style="width:284px;">Sigma Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:141px;">151947</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:46px;width:232px;">3-(Trimethylsilyl)propionic-2,2,3,3-d4 acid sodium salt</td>
			<td style="width:284px;">Sigma Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:141px;">269913</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">BZH&#160;250&#160;MHz</td>
			<td style="width:284px;">Bruker</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fast pyrolysis of biomass residues in a twin-screw mixing reactor

pirolisi veloce è sempre più utilizzato in impianti commerciali in tutto il mondo. Corrono esclusivamente sulla biomassa legnosa, che ha proprietà favorevoli per la conversione con pirolisi veloce. Per aumentare le sinergie di produzione alimentare e l&#39;uso energetico e / o materiale di biomassa, è desiderabile utilizzare residui della produzione agricola, ad esempio, paglia. Il metodo presentato è adatto per la conversione di un materiale su scala industriale. Le caratteristiche principali sono presentati e viene dato un esempio di bilanci di massa dalla conversione di diversi residui di biomassa. Dopo la conversione, condensazione frazionata viene applicato per recuperare due condensati - un organico ricco e uno ricco acquosa. Questo design impedisce la produzione di rapida pirolisi bio-olio che presenta separazione di fase. Un bio-olio a due fasi è da aspettarsi causa del genere ad alto contenuto di ceneri di biomassa paglia, che promuove la produzione di acqua di reazione duranteconversione. Sia la formazione di condensa frazionato e l&#39;uso della biomassa ad alto contenuto di ceneri richiedono un approccio attento per stabilire equilibri. Non tutti i tipi di bilance sono sia significativo e paragonabile ad altri risultati dalla letteratura. Diversi metodi di bilanciamento sono presentati, e le informazioni che possono essere derivato da loro è discusso.

Vari tipi di biomassa sono stati pirolizzati con successo nell&#39;unità di pirolisi a IKFT / KIT con l&#39;impostazione corrente. Per esempio, tre diverse materie prime (paglia di grano, Miscanthus, e scarti di legno) sono stati confrontati per quanto riguarda le loro proprietà e dei rendimenti dopo pirolisi seguendo la procedura descritta. Diversi tipi di metodi di bilanciamento sono mostrati e discussi per quanto riguarda la loro applicabilità nei confronti delle materie prime ricche di cenere. È importante notare che i saldi sono stati calcolati e riassunti secondo lo stato di aggregazione di ciascuna frazione. La bio-olio recuperato nel primo condensatore contiene ancora solidi, che non sono stati rimossi dai cicloni. Questi sono contrassegnati separatamente nei bilanci. Per confronto e valutazione statistica, il contenuto di solidi del bio-olio è stato aggiunto alla frazione char recuperato dai cicloni. Su base &#39;come ricevuti&#39;,la resa solidi, per esempio, char recuperato mediante cicloni e char attualmente in bio-olio, è nel campo da 14-25% in peso per le materie prime indagate. Totale rendimenti condensa recuperati nelle due condensatori vanno dal 53-66% in peso, mentre il rendimento del gas sono relativamente simili (circa 20%) per tutti e 3 biomasse (vedere Figura 2). Questi &#39;come ricevuti&#39; valori danno informazioni pratiche sulla quantità effettiva di frazioni di prodotto da aspettarsi nelle installazioni di pirolisi veloce di questo tipo. Tuttavia, le rese totali organici liquidi in letteratura sono più comunemente riportati su base secca, ossia senza umidità e acqua di reazione nella condensa e nel mangime. Il vantaggio di questo tipo di equilibrio è il fatto che inizialmente presente umidità della biomassa non influenza i risultati. Questo contenuto di umidità avrebbe artificialmente aumentare il rendimento della condensa in un &#39;come ricevuto&#39; balance. Per ragioni di comparabilità, la figura 3 mostra la produzione di olio biologico e acqua di reazione su base secca. In questo studio, rese di olio biologico aumento (35 - 46 - 50% in peso) al diminuire il contenuto di ceneri (9,2-2,7 specificato - 1,5% in peso) della paglia di grano materie prime - miscanto - legno di scarto (vedi tabella 1). Ciò è in linea con le osservazioni di altri studi 10,15,16. I rendimenti di acqua di reazione sono in un intervallo relativamente ridotto da 12-14% in peso. I bilanci di massa su base secca sono ancora direttamente interessati dal contenuto in ceneri delle materie prime. Minerali contenuti nel materiale di biomassa saranno artificialmente aumentare la resa dei solidi in entrambi i saldi &#39;come ricevuto&#39; e &#39;a secco&#39;. Di conseguenza, saldi carbonio elementare stati determinati perché sembrano essere più adatto per valutare le differenze nelle reazioni di conversione termochimica di biomassa (vedere Figura 4 </strong&gt;). Appare evidente che la maggior parte della carbonica viene recuperato nel bio-olio (44-54% in peso) e solo una frazione di massa di 24-32% in forma solida come pirolisi char. Circa 16-19% in peso del carbonio non viene recuperato in forma solida o liquida e lascia la pianta con il gas di pirolisi. In un impianto commerciale, questo gas potrebbe essere riciclato per motivi di recupero di energia in un dispositivo a combustione interna. Una frazione di massa di solo circa 3-4% di carbonio viene recuperato nella condensa acquosa, che ha un contenuto di acqua di circa 80% in peso. Ciò conferma l&#39;efficacia della messa a punto di condensazione frazionata qui presentata. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td><td> paglia di grano </td><td> Miscanthus </td><td> Scarti di legno </td></tr><tr><td> Acqua, ar </td><td> 9.6 </td><td> 10.1 </td><td> 15.2 </td></tr><tr><td> Ash, d </td><td> 9.2 </td><td> 2.7 </td><td> 1.5 </td></tr><tr><td> Carbon, d </td><td> 46.1 </td><td> 48,6 </td><td> 49,8 </td></tr><tr><td> Idrogeno, d </td><td> 5.7 </td><td> 5.9 </td><td> 6.1 </td></tr><tr><td> Azoto, d </td><td> &lt;0,5 </td><td> &lt;0,5 </td><td> &lt;0,5 </td></tr><tr><td colspan="4"> ar: come ricevuti, D: secco 21 </td></tr></tbody></table> Tabella 1. Immobili selezionati delle diverse materie prime utilizzate. Tutti i valori rappresentano frazioni di massa (%). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54395/54395fig1.jpg" /> Figura 1. Diagramma di flusso del setup sperimentale. 1) stoccaggio della biomassa. 2) Sistema di tramoggia di blocco. 3) il dosaggio biomassa. 4) bivite miscelazione del reattore. 5) ascensore benna. 6) Resistenza per termovettore. 7) Ciclone per la rimozione dei solidi. 8) di stoccaggio Char. 9) tempra Spray. 10) Bio-Oilserbatoio. 11) Omogeneizzatore e la pompa. 12) Scambiatore di calore per il raffreddamento di condensa ricircolo. 13) precipitatore elettrostatico. 14) acquosa serbatoio condensa. 15) Pompa di ricircolo della condensa acquosa. 16) Scambiatore di calore per il raffreddamento di condensa ricircolo. 17) condensatore per condensa acquosa. 18) Ventilatore per la rimozione di gas / vapori. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54395/54395fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/54395/54395fig2.jpg" /> Figura 2. I bilanci di massa di esperimenti. I saldi sono riportati su un &#39;tal quale&#39; 21 base della materia prima e dei prodotti. Tutti i valori sono espressi in frazioni di massa. Tre diversi tipi di biomassa sono stati utilizzati e tutti gli esperimenti sono stati condotti almeno in triplicato 13. Il contenuto di solidi in bioOlio di una relazione separata a scopo illustrativo. Le barre di errore indicano deviazioni standard di esperimenti con un tipo di materia prima. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54395/54395fig2large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54395/54395fig3.jpg" /> Figura 3. Totale rendimenti Olio e acqua di reazione. Tutti i valori sono presentati su base 21 mangime secco e sono espressi in frazioni di massa. Il contenuto di solidi della condensa è stata esclusa dalla resa in olio biologico 13. Le barre di errore indicano deviazioni standard di esperimenti con un tipo di materia prima. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54395/54395fig3large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Figura 4. saldi di carbonio. Tutti i valori sono riportati come frazioni di massa dell&#39;ingresso biomassa carbonio. Tre diversi tipi di biomassa sono stati utilizzati e tutti gli esperimenti sono stati condotti almeno in triplicato 13. Il contenuto di solidi in bio-olio di una relazione separata a scopo illustrativo. Le barre di errore indicano deviazioni standard di esperimenti con un tipo di materia prima. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54395/54395fig4large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

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Fast Pyrolysis of Biomass Residues in a Twin-screw Mixing Reactor

A procedure for thermochemical conversion of biomass residues is presented that aims at maximizing the yield of liquid products (fast pyrolysis). It is based on a technology proven on an industrial scale and especially suitable for treating a straw type of biomass.

La pirolisi veloce di biomassa residui in un reattore bivite Mixing

Fast pyrolysis is being increasingly applied in commercial plants worldwide. They run exclusively on woody biomass, which has favorable properties for ...

fast-pyrolysis-of-biomass-residues-in-a-twin-screw-mixing-reactor

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

27.5K Views.  Karlsruhe Institute of Technology (KIT). A procedure for thermochemical conversion of biomass residues is presented that aims at maximizing the yield of liquid products (fast pyrolysis). It is based on a technology proven on an industrial scale and especially suitable for treating a straw type of biomass.

Video: Fast Pyrolysis of Biomass Residues in a Twin-screw Mixing Reactor

Creating Two-Dimensional Patterned Substrates for Protein and Cell Confinement

Microcontact printing provides a rapid, highly reproducible method for the creation of well-defined patterned substrates.1 While microcontact printing can be employed to directly print a large number of molecules, including proteins,2 DNA,3 and silanes,4 the formation of self-assembled monolayers (SAMs) from long chain alkane thiols on gold provides a simple way to confine proteins and cells to specific patterns containing adhesive and resistant regions. This confinement can be used to control cell morphology and is useful for examining a variety of questions in protein and cell biology. Here, we describe a general method for the creation of well-defined protein patterns for cellular studies.5 This process involves three steps: the production of a patterned master using photolithography, the creation of a PDMS stamp, and microcontact printing of a gold-coated substrate. Once patterned, these cell culture substrates are capable of confining proteins and/or cells (primary cells or cell lines) to the pattern.
The use of self-assembled monolayer chemistry allows for precise control over the patterned protein/cell adhesive regions and non-adhesive regions; this cannot be achieved using direct protein stamping. Hexadecanethiol, the long chain alkane thiol used in the microcontact printing step, produces a hydrophobic surface that readily adsorbs protein from solution. The glycol-terminated thiol, used for backfilling the non-printed regions of the substrate, creates a monolayer that is resistant to protein adsorption and therefore cell growth.6 These thiol monomers produce highly structured monolayers that precisely define regions of the substrate that can support protein adsorption and cell growth. As a result, these substrates are useful for a wide variety of applications from the study of intercellular behavior7 to the creation of microelectronics.8
While other types of monolayer chemistry have been used for cell culture studies, including work from our group using trichlorosilanes to create patterns directly on glass substrates,9 patterned monolayers formed from alkane thiols on gold are straight-forward to prepare. Moreover, the monomers used for monolayer preparation are commercially available, stable, and do not require storage or handling under inert atmosphere. Patterned substrates prepared from alkane thiols can also be recycled and reused several times, maintaining cell confinement.10

Self-assembled monolayers (SAMs) formed from long chain alkane thiols on gold provide well-defined substrates for the formation of protein patterns and cell confinement. Microcontact printing of hexadecanethiol using a polydimethylsiloxane (PDMS) stamp followed by backfilling with a glycol-terminated alkane thiol monomer produces a pattern where protein and cells adsorb only to the stamped hexadecanethiol region.

La creazione di substrati Patterned bidimensionali per confinamento di proteine ​​e cellule

Microcontact printing provides a rapid, highly reproducible method for the creation of well-defined patterned substrates.1  While microcontact printing ...

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GENPLAT: an Automated Platform for Biomass Enzyme Discovery and Cocktail Optimization

The high cost of enzymes for biomass deconstruction is a major impediment to the economic conversion of lignocellulosic feedstocks to liquid transportation fuels such as ethanol. We have developed an integrated high throughput platform, called GENPLAT, for the discovery and development of novel enzymes and enzyme cocktails for the release of sugars from diverse pretreatment/biomass combinations. GENPLAT comprises four elements: individual pure enzymes, statistical design of experiments, robotic pipeting of biomass slurries and enzymes, and automated colorimeteric determination of released Glc and Xyl. Individual enzymes are produced by expression in Pichia pastoris or Trichoderma reesei, or by chromatographic purification from commercial cocktails or from extracts of novel microorganisms. Simplex lattice (fractional factorial) mixture models are designed using commercial Design of Experiment statistical software. Enzyme mixtures of high complexity are constructed using robotic pipeting into a 96-well format. The measurement of released Glc and Xyl is automated using enzyme-linked colorimetric assays. Optimized enzyme mixtures containing as many as 16 components have been tested on a variety of feedstock and pretreatment combinations.
GENPLAT is adaptable to mixtures of pure enzymes, mixtures of commercial products (e.g., Accellerase 1000 and Novozyme 188), extracts of novel microbes, or combinations thereof. To make and test mixtures of &tilde;10 pure enzymes requires less than 100 &mu;g of each protein and fewer than 100 total reactions, when operated at a final total loading of 15 mg protein/g glucan. We use enzymes from several sources. Enzymes can be purified from natural sources such as fungal cultures (e.g., Aspergillus niger, Cochliobolus carbonum, and Galerina marginata), or they can be made by expression of the encoding genes (obtained from the increasing number of microbial genome sequences) in hosts such as E. coli, Pichia pastoris, or a filamentous fungus such as T. reesei. Proteins can also be purified from commercial enzyme cocktails (e.g., Multifect Xylanase, Novozyme 188). An increasing number of pure enzymes, including glycosyl hydrolases, cell wall-active esterases, proteases, and lyases, are available from commercial sources, e.g., Megazyme, Inc. (www.megazyme.com), NZYTech (www.nzytech.com), and PROZOMIX (www.prozomix.com).
Design-Expert software (Stat-Ease, Inc.) is used to create simplex-lattice designs and to analyze responses (in this case, Glc and Xyl release). Mixtures contain 4-20 components, which can vary in proportion between 0 and 100%. Assay points typically include the extreme vertices with a sufficient number of intervening points to generate a valid model. In the terminology of experimental design, most of our studies are "mixture" experiments, meaning that the sum of all components adds to a total fixed protein loading (expressed as mg/g glucan). The number of mixtures in the simplex-lattice depends on both the number of components in the mixture and the degree of polynomial (quadratic or cubic). For example, a 6-component experiment will entail 63 separate reactions with an augmented special cubic model, which can detect three-way interactions, whereas only 23 individual reactions are necessary with an augmented quadratic model. For mixtures containing more than eight components, a quadratic experimental design is more practical, and in our experience such models are usually statistically valid.
All enzyme loadings are expressed as a percentage of the final total loading (which for our experiments is typically 15 mg protein/g glucan). For "core" enzymes, the lower percentage limit is set to 5%. This limit was derived from our experience in which yields of Glc and/or Xyl were very low if any core enzyme was present at 0%. Poor models result from too many samples showing very low Glc or Xyl yields. Setting a lower limit in turn determines an upper limit. That is, for a six-component experiment, if the lower limit for each single component is set to 5%, then the upper limit of each single component will be 75%. The lower limits of all other enzymes considered as "accessory" are set to 0%. "Core" and "accessory" are somewhat arbitrary designations and will differ depending on the substrate, but in our studies the core enzymes for release of Glc from corn stover comprise the following enzymes from T. reesei: CBH1 (also known as Cel7A), CBH2 (Cel6A), EG1(Cel7B), BG (&beta;-glucosidase), EX3 (endo-&beta;1,4-xylanase, GH10), and BX (&beta;-xylosidase).
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GENPLAT (GLBRC Enzyme Platform) is an automated platform for discovery and optimization of enzyme cocktails for biomass degradation. It can be adapted to multiple feedstocks and mixtures of enzymes containing multiple components.

GENPLAT: una piattaforma automatizzata per la scoperta degli enzimi biomassa e ottimizzazione Cocktail

The high cost of enzymes for biomass deconstruction is a major impediment to the economic conversion of lignocellulosic feedstocks to liquid ...

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing radiation, millimeter spatial accuracy of anatomical and functional data 2, and nearly real-time analyses 3. Haptic robots provide precise measurement and control of position and force of a cursor in a reasonably confined space. Here we combine these two technologies to allow precision experiments involving motor control with haptic/tactile environment interaction such as reaching or grasping. The basic idea is to attach an 8 foot end effecter supported in the center to the robot 4 allowing the subject to use the robot, but shielding it and keeping it out of the most extreme part of the magnetic field from the fMRI machine (Figure 1).
The Phantom Premium 3.0, 6DoF, high-force robot (SensAble Technologies, Inc.) is an excellent choice for providing force-feedback in virtual reality experiments 5, 6, but it is inherently non-MR safe, introduces significant noise to the sensitive fMRI equipment, and its electric motors may be affected by the fMRI's strongly varying magnetic field. We have constructed a table and shielding system that allows the robot to be safely introduced into the fMRI environment and limits both the degradation of the fMRI signal by the electrically noisy motors and the degradation of the electric motor performance by the strongly varying magnetic field of the fMRI. With the shield, the signal to noise ratio (SNR: mean signal/noise standard deviation) of the fMRI goes from a baseline of &tilde;380 to &tilde;330, and &tilde;250 without the shielding. The remaining noise appears to be uncorrelated and does not add artifacts to the fMRI of a test sphere (Figure 2). The long, stiff handle allows placement of the robot out of range of the most strongly varying parts of the magnetic field so there is no significant effect of the fMRI on the robot. The effect of the handle on the robot's kinematics is minimal since it is lightweight (&tilde;2.6 lbs) but extremely stiff 3/4" graphite and well balanced on the 3DoF joint in the middle. The end result is an fMRI compatible, haptic system with about 1 cubic foot of working space, and, when combined with virtual reality, it allows for a new set of experiments to be performed in the fMRI environment including naturalistic reaching, passive displacement of the limb and haptic perception, adaptation learning in varying force fields, or texture identification 5, 6.

The adaptation and use of a haptic robot in a 3T fMRI is described.

Adattamento di un robot tattile in un fMRI 3T

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing ...

Cellular Lipid Extraction for Targeted Stable Isotope Dilution Liquid Chromatography-Mass Spectrometry Analysis

The metabolism of fatty acids, such as arachidonic acid (AA) and linoleic acid (LA), results in the formation of oxidized bioactive lipids, including numerous stereoisomers1,2. These metabolites can be formed from free or esterified fatty acids. Many of these oxidized metabolites have biological activity and have been implicated in various diseases including cardiovascular and neurodegenerative diseases, asthma, and cancer3-7. Oxidized bioactive lipids can be formed enzymatically or by reactive oxygen species (ROS). Enzymes that metabolize fatty acids include cyclooxygenase (COX), lipoxygenase (LO), and cytochromes P450 (CYPs)1,8. Enzymatic metabolism results in enantioselective formation whereas ROS oxidation results in the racemic formation of products.
While this protocol focuses primarily on the analysis of AA- and some LA-derived bioactive metabolites; it could be easily applied to metabolites of other fatty acids. Bioactive lipids are extracted from cell lysate or media using liquid-liquid (l-l) extraction. At the beginning of the l-l extraction process, stable isotope internal standards are added to account for errors during sample preparation. Stable isotope dilution (SID) also accounts for any differences, such as ion suppression, that metabolites may experience during the mass spectrometry (MS) analysis9. After the extraction, derivatization with an electron capture (EC) reagent, pentafluorylbenzyl bromide (PFB) is employed to increase detection sensitivity10,11. Multiple reaction monitoring (MRM) is used to increase the selectivity of the MS analysis. Before MS analysis, lipids are separated using chiral normal phase high performance liquid chromatography (HPLC). The HPLC conditions are optimized to separate the enantiomers and various stereoisomers of the monitored lipids12. This specific LC-MS method monitors prostaglandins (PGs), isoprostanes (isoPs), hydroxyeicosatetraenoic acids (HETEs), hydroxyoctadecadienoic acids (HODEs), oxoeicosatetraenoic acids (oxoETEs) and oxooctadecadienoic acids (oxoODEs); however, the HPLC and MS parameters can be optimized to include any fatty acid metabolites13.
Most of the currently available bioanalytical methods do not take into account the separate quantification of enantiomers. This is extremely important when trying to deduce whether or not the metabolites were formed enzymatically or by ROS. Additionally, the ratios of the enantiomers may provide evidence for a specific enzymatic pathway of formation. The use of SID allows for accurate quantification of metabolites and accounts for any sample loss during preparation as well as the differences experienced during ionization. Using the PFB electron capture reagent increases the sensitivity of detection by two orders of magnitude over conventional APCI methods. Overall, this method, SID-LC-EC-atmospheric pressure chemical ionization APCI-MRM/MS, is one of the most sensitive, selective, and accurate methods of quantification for bioactive lipids.

This protocol will demonstrate the extraction and analysis of free and esterified bioactive fatty acids from cells. Fatty acids are accurately quantified using stable isotope dilution, chiral liquid chromatography, electron capture atmospheric chemical ionization multiple reaction monitoring mass spectrometry (SID-LC-ECAPCI-MRM/MS).

Estrazione dei lipidi cellulari per analisi mirate Stabile diluizione isotopica cromatografia liquida-spettrometria di massa

The metabolism of fatty acids, such as arachidonic acid (AA) and linoleic acid (LA), results in the formation of oxidized bioactive lipids, including ...

Quantification of Global Diastolic Function by Kinematic Modeling-based Analysis of Transmitral Flow via the Parametrized Diastolic Filling Formalism

Quantitative cardiac function assessment remains a challenge for physiologists and clinicians.&#160;Although historically invasive methods have comprised the only means available, the development of noninvasive imaging modalities (echocardiography, MRI, CT) having high temporal and spatial resolution provide a new window for quantitative diastolic function assessment. Echocardiography is the agreed upon standard for diastolic function assessment, but indexes in current clinical use merely utilize selected features of chamber dimension (M-mode) or blood/tissue motion (Doppler) waveforms without incorporating the physiologic causal determinants of the motion itself.&#160;The recognition that all left ventricles (LV) initiate filling by serving as mechanical suction pumps allows global diastolic function to be assessed based on laws of motion that apply to all chambers. What differentiates one heart from another are the parameters of the equation of motion that governs filling. Accordingly, development of the Parametrized Diastolic Filling (PDF) formalism&#160;has shown that the entire range of clinically observed early transmitral flow (Doppler E-wave) patterns are extremely well fit by the laws of damped oscillatory motion.&#160;This permits analysis of individual E-waves in accordance with a causal mechanism (recoil-initiated suction) that yields three (numerically) unique lumped parameters whose physiologic analogues are chamber stiffness (k), viscoelasticity/relaxation (c), and load (xo).&#160;The recording of transmitral flow (Doppler E-waves) is standard practice in clinical cardiology and, therefore, the echocardiographic recording method is only briefly reviewed. Our focus is on determination of the PDF parameters from routinely recorded E-wave data.&#160;As the highlighted results indicate, once the PDF parameters have been obtained from a suitable number of load varying E-waves, the investigator is free to use the parameters or construct indexes from the parameters (such as stored energy 1/2kxo2, maximum A-V pressure gradient kxo, load independent index of diastolic function, etc.) and select the aspect of physiology or pathophysiology to be quantified.

Accurate, causality-based quantification of global diastolic function has been achieved by kinematic modeling-based analysis of transmitral flow via the Parametrized Diastolic Filling (PDF) formalism. PDF generates unique stiffness, relaxation,&#160;and load parameters and elucidates &#39;new&#39; physiology while providing sensitive and specific indexes of dysfunction.

Quantificazione di Global Funzione diastolica da Analisi basata su modellazione cinematica del flusso transmitralico tramite il formalismo di riempimento parametrizzate diastolica

Quantitative cardiac function assessment remains a challenge for physiologists and clinicians.&#160;Although historically invasive methods have comprised ...

From Fast Fluorescence Imaging to Molecular Diffusion Law on Live Cell Membranes in a Commercial Microscope

It has become increasingly evident that the spatial distribution and the motion of membrane components like lipids and proteins are key factors in the regulation of many cellular functions. However, due to the fast dynamics and the tiny structures involved, a very high spatio-temporal resolution is required to catch the real behavior of molecules. Here we present the experimental protocol for studying the dynamics of fluorescently-labeled plasma-membrane proteins and lipids in live cells with high spatiotemporal resolution. Notably, this approach doesn&#8217;t need to track each molecule, but it calculates population behavior using all molecules in a given region of the membrane. The starting point is a fast imaging of a given region on the membrane. Afterwards, a complete spatio-temporal autocorrelation function is calculated correlating acquired images at increasing time delays, for example each 2, 3, n repetitions. It is possible to demonstrate that the width of the peak of the spatial autocorrelation function increases at increasing time delay as a function of particle movement due to diffusion. Therefore, fitting of the series of autocorrelation functions enables to extract the actual protein mean square displacement from imaging (iMSD), here presented in the form of apparent diffusivity vs average displacement. This yields a quantitative view of the average dynamics of single molecules with nanometer accuracy. By using a GFP-tagged variant of the Transferrin Receptor (TfR) and an ATTO488 labeled 1-palmitoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (PPE) it is possible to observe the spatiotemporal regulation of protein and lipid diffusion on &#181;m-sized membrane regions in the micro-to-milli-second time range.

Spatial distribution and temporal dynamics of plasma membrane proteins and lipids is a hot topic in biology. Here this issue is addressed by a spatio-temporal image fluctuation analysis that provides conceptually the same physical quantities of single particle tracking, but it uses small molecular labels and standard microscopy setups.

Da Veloce imaging di fluorescenza di Molecular legge Diffusione su membrane cellulare dal vivo in un microscopio commerciale

It has become increasingly evident that the spatial distribution and the motion of membrane components like lipids and proteins are key factors in the ...

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren system is constructed from a Hoffman modulation contrast microscope, which provides easy access to the rear focal plane of the objective lens, by removing the slit plate and replacing the modulator with a knife-edge. The working principle of microscale schlieren technique relies on detecting light deflection caused by variation of refractive index1-3. The deflected light either escapes or is obstructed by the knife-edge to produce a bright or a dark band, respectively. If the refractive index of the mixture varies linearly with its composition, the local change in light intensity in the image plane is proportional to the concentration gradient normal to the optical axis. The micro-schlieren image gives a two-dimensional projection of the disturbed light produced by three-dimensional inhomogeneity.
To accomplish quantitative analysis, we describe a calibration procedure that mixes two fluids in a T-microchannel. We carry out a numerical simulation to obtain the concentration gradient in the T-microchannel that correlates closely with the corresponding micro-schlieren image. By comparison, a relationship between the grayscale readouts of the micro-schlieren image and the concentration gradients presented in a microfluidic device is established. Using this relationship, we are able to analyze the mixing inhomogeneity from associate micro-schlieren image and demonstrate the capability of microscale schlieren technique with measurements in a microfluidic oscillator4. For optically transparent fluids, microscale schlieren technique is an attractive diagnostic tool to provide instantaneous full-field information that retains the three-dimensional features of the mixing process.

Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.

Analizzando disomogeneità Mescolando in un dispositivo a microfluidi da Tecnica microscala Schlieren

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

Microwave-driven Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles for Fast Detection of Atherosclerosis

A fast and reproducible microwave-driven protocol has been developed for the synthesis of neridronate-functionalized nanoparticles. Starting from the synthesis of hydrophobic nanoparticles, our method is based on an adaptation from thermal decomposition method to microwave driven synthesis. The new methodology produces a decrease in the reaction times in comparison with traditional procedures. Moreover, the use of the microwave technology increases the reproducibility of the reactions, something important from the point of view of clinical applications. The novelty of this iron oxide nanoparticle is the attachment of Neridronate. The use of this molecule leads a bisphosphonate moiety towards the outside of the nanoparticle that provides Ca2+ binding properties in vitro and selective accumulation in vivo in the atheroma plaque. The protocol allows the synthesis and plaque detection in about 3 hr since the initial synthesis from organic precursors. Their accumulation in the atherosclerotic area in less than 1 hr provides a contrast agent particularly suitable for clinical applications.

Microwave technology enables extremely fast synthesis of iron oxide nanoparticles for atherosclerosis plaque characterization. The use of an aminobisphosphonate in the external side of the nanoparticle provides a fast accumulation in the atherosclerotic area.

Forno a microonde-driven sintesi di ossido di ferro Nanoparticelle per il rilevamento rapido di aterosclerosi

A fast and reproducible microwave-driven protocol has been developed for the synthesis of neridronate-functionalized nanoparticles. Starting from the ...

Fast Enzymatic Processing of Proteins for MS Detection with a Flow-through Microreactor

The vast majority of mass spectrometry (MS)-based protein analysis methods involve an enzymatic digestion step prior to detection, typically with trypsin. This step is necessary for the generation of small molecular weight peptides, generally with MW &#60; 3,000-4,000 Da, that fall within the effective scan range of mass spectrometry instrumentation. Conventional protocols involve O/N enzymatic digestion at 37 &#186;C. Recent advances have led to the development of a variety of strategies, typically involving the use of a microreactor with immobilized enzymes or of a range of complementary physical processes that reduce the time necessary for proteolytic digestion to a few minutes (e.g., microwave or high-pressure). In this work, we describe a simple and cost-effective approach that can be implemented in any laboratory for achieving fast enzymatic digestion of a protein. The protein (or protein mixture) is adsorbed on C18-bonded reversed-phase high performance liquid chromatography (HPLC) silica particles preloaded in a capillary column, and trypsin in aqueous buffer is infused over the particles for a short period of time. To enable on-line MS detection, the tryptic peptides are eluted with a solvent system with increased organic content directly in the MS ion source. This approach avoids the use of high-priced immobilized enzyme particles and does not necessitate any aid for completing the process. Protein digestion and complete sample analysis can be accomplished in less than ~3 min and ~30 min, respectively.

A quick protocol for proteolytic digestion with an in-house built flow-through tryptic microreactor coupled to an electrospray ionization (ESI) mass spectrometer is presented. The fabrication of the microreactor, the experimental setup and the data acquisition process are described.

Veloce enzimatica Trattamento di proteine ​​per MS rilevamento con un microreattore flusso-through

The vast majority of mass spectrometry (MS)-based protein analysis methods involve an enzymatic digestion step prior to detection, typically with trypsin. ...

Synthesis of Cationized Magnetoferritin for Ultra-fast Magnetization of Cells

Many important biomedical applications, such as cell imaging and remote manipulation, can be achieved by labeling cells with superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs). Achieving sufficient cellular uptake of SPIONs is a challenge that has traditionally been met by exposing cells to elevated concentrations of SPIONs or by prolonging exposure times (up to 72 hr). However, these strategies are likely to mediate toxicity. Here, we present the synthesis of the protein-based SPION magnetoferritin as well as a facile surface functionalization protocol that enables rapid cell magnetization using low exposure concentrations. The SPION core of magnetoferritin consists of cobalt-doped iron oxide with an average particle diameter of 8.2 nm mineralized inside the cavity of horse spleen apo-ferritin. Chemical cationization of magnetoferritin produced a novel, highly membrane-active SPION that magnetized human mesenchymal stem cells (hMSCs) using incubation times as short as one minute and iron concentrations as lows as 0.2 mM.

A protocol for the synthesis and cationization of cobalt-doped magnetoferritin is presented, as well as a method to rapidly magnetize stem cells with cationized magnetoferritin.

Sintesi di cationizzata Magnetoferritin per la magnetizzazione ultra-veloce di celle

Many important biomedical applications, such as cell imaging and remote manipulation, can be achieved by labeling cells with superparamagnetic iron oxide ...