Ионной жидкости Предварительная обработка
Ионные жидкости обещают как лигноцеллюлозных растворителей биомассы. Но этот подход научного любопытства или коммерчески жизнеспособной технологии производства биотоплива предварительной обработки?
Лигноцеллюлозной биомассы является наиболее распространенным и возобновляемых источников углерода на планете - было подсчитано, что более миллиарда тонн ежегодно доступны только в США (J). Лигноцеллюлозной биомассы могут быть получены из травы выращиваются как специализированных сельскохозяйственных культур энергии, древесины и древесных отходов, кукуруза Стовер, риса и пшеницы, солома, твердые бытовые отходы, навоз, и других источников.
Растительной клетки, нашли в стенах лигноцеллюлозных биомассы сложные структуры состоят из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина (рис. 1), и их трудно разобрать на составные полимеров и мономеров. Это упорство делает ее более дорогой и энергоемкий конвертировать лигноцеллюлозных в брожению fivecarbon и 6-углеродных мономерных сахаров (например, ксилозы и глюкозы), чем крахмал кукурузы или сахарного тростника сахаров и сахарной свеклы.
Целлюлоза, как правило, наиболее распространенным молекулы в клеточной стенке, составляя сухой массы 20-30% ofthe стены клетки. -Л ,4-гликозидной связи между глюкозы мономеров позволить формирование кристаллических микрофибрилл целлюлозы в процессе клеточного биосинтеза стены. Эти микрофибрилл весьма кристаллических и предоставлять первичные структурные рамки клеточной стенки.
Микрофибрилл целлюлозы имеют покрытие гемицеллюлоз, что перекрестное связать их между собой (2). HemiceJJulose широко функционализированных в процессе клеточного биосинтеза стены и может быть очень трудно превратить мономерных сахаров.
Композитных полисахарид, содержащий гемицеллюлозы и целлюлозы запечатана в гидрофобных и химически надежную матрицу лигнина. Лигнин, как правило, обильные secondmost биополимера нашли в сосудистых растений, представляет собой гетерогенную биополимеров на основе phenylpropanoid единиц. Это придает устойчивость к насекомые, микробы, инфекции, и погода, и это облегчает водного транспорта.
Ферментативной конверсии биомассы в своей сахара компонент основывается на предварительной обработки шаг, который распадается лигнина углеводного комплекса и увеличение доступности поверхности полисахаридов для гидролитических ферментов. Одной из самых насущных потребностей, которые необходимо решить для лигноцеллюлозных биотоплива, чтобы стать реальностью является экономичным и эффективным биомассы технологии предварительной обработки (3). Предполагается, что на галлон основе биомассы предварительной обработки является вторым по величине (1 9 - 22%) расходов на производство биотоплива, после сырья (30-32%) (4).
Некоторые физические и химические методы предварительной обработки, как правило, технологии, которые были получены из целлюлозно-бумажной промышленности, в настоящее время дальнейшее развитие преодолеть Упорство лигноцеллюлозных, повышение эффективности ферментов, а также улучшить урожайность monomelic сахара из лигноцеллюлозных. К ним относятся раствора кислоты, аммиака волокна расширения, известь, паровой взрыв, и органических растворителей методов предварительной обработки.
Все эти подходы имеют свои преимущества и недостатки, и нет никакой предварительной обработки биомассы известно сегодня, что может эффективно и экономически эффективно обрабатывать разнообразные биомассы сырья в сахаров в высоких урожаев. Разбавленную серную кислоту предварительной обработки эффективно solubilizes большинство гемицеллюлоз и частично solubilizes лигнина, однако при более высоких температурах, это предварительная обработка также может генерировать polysaceharide-продуктов распада, которые часто подавляют вниз организмов брожения, что снижает общую урожайность сахарной получить (5 ). Аммиак волокна расширения (AFEX) оказался эффективным для предварительной обработки Стовер кукурузы и других сельскохозяйственных отходов, но она требует жестких условий для эффективной обработки хвойных и лиственных пород (6), а также аммиак утилизации. Наиболее эффективным извести требует предварительной обработки давлением кислорода в 200 фунтов на квадратный дюйм (7). Паровой взрыв не эффективно растворению лигнина, и его выход monomelic сахара, как правило, ниже, чем у других технологий предварительной обработки (8).
Ионные жидкости в качестве растворителей лигноцеллюлозных
Ионные жидкости представляют собой относительно новый класс растворители, которые были в стадии разработки с начала 1 980-е, как экологически безопасные альтернативы для органических растворителей. Ионной жидкости соли составе анионов и катионов, которые плохо скоординированы, с температурой плавления как правило, до 100C. Есть тысячи известных ионных жидкостей на основе широкого спектра анионов и катионов, сочетание которых определяет термодинамических и физико-химические свойства ионных жидкостей (рис. 2).
Ионные жидкости были продемонстрированы весьма эффективным в области hydrognation, этерификации, наноматериалов синтеза, биокатализа и селективного извлечения ароматических веществ. Первый в промышленных масштабах применения ионных жидкостей которые появлялись в течение последних 8 лет, таких, как кислоты двухфазные компании BASF очистки использованием ионных жидкостей (базилик) проект по созданию фотоинициатора прекурсоров для использования в УФ-покрытия.
Разработка ионных жидкостей в качестве биомассы технологии предварительной обработки только недавно был начат. Первая демонстрация ионной жидкости целлюлозы растворителя при сравнительно мягких условиях обработки был зарегистрирован в 2002 (W). В экспериментах с использованием ряда анионов и 1-butyl3-methylimidazolium катионов некоторых ионных жидкостей, способные полностью раствориться микрокристаллической целлюлозы. Целлюлозы было восстановлено за счет добавления по борьбе с растворителем, например воды и этанола, а также восстановить продукт может возродиться в широком ассортименте форм и морфологии (например, фильмы, монолиты и т.д., в зависимости от используемой техники восстановления ). Наиболее эффективных растворителей целлюлозы были те ионных жидкостей, содержащих анионов хлора (до 25 мас.% Целлюлозы с соответствующими отопление), в то время как те, которые содержат [BF4] "и [PF6] - анионов были бедны растворителей целлюлозы. Исследователи предположили, что эффективность ofthe хлорид-содержащих ионной жидкости за счет водородных связей между анионов и целлюлозы ..
В дополнение к созданию нового метода обработки целлюлозы, это открытие также имеет важное значение в области биотоплива, преобразования, как целлюлоза кристалличности ofthe в растительной клетке стены лигноцеллюлозных является одним ofthe основных причин биомассы непокорность. Ферменты могут более эффективно гидролизуют в глюкозу аморфной целлюлозы производства ионной жидкости предварительной обработки, чем целлюлоза микрокристаллическая нашли в лигноцеллюлозных естественно (JJ). Это уменьшает количество ферментов, необходимых ofthe - и стоимость - для достижения высоких урожаев глюкозы из лигноцеллюлозных.
Общий подход к преобразованию целлюлозы в глюкозу использованием ионных жидкостей и целлюлаз изображен на рисунке 3.
В последующих докладах биомассы предварительной обработки использованием ионных жидкостей продемонстрировали свое обещание, как эффективного растворителей для растворения биомассы с легким восстановления целлюлозы и гемицеллюлоз при борьбе с растворителем того (J 2, J 3). В таблице 1 приводятся некоторые из этих результатов.
Исследователи из США, кафедра совместных BioEnergy энергетики Институт в последнее время показали, что ацетат ионной жидкости L-ethyI-3-methylimidazolium может эффективно растворению просо, ведущих кандидата посвященный культур энергии (14), и отказаться от лигнина восстановить полисахаридов (15), как показано на рисунке 4. Первоначального завода клеточных стенок просо (рис. 4, вверху) очень хорошо определяется сигнала, генерируемого автоматически флуоресценции лигнина. После того ofthe ионной жидкости при 1200C в течение 10 мин, имеются убедительные доказательства набухания и растворения первоначального ofthe стены растительной клетки (рис. 4, справа). После 3 ч при этой температуре, стены завода клеточной структуры полностью отсутствует и полное растворение произошло (рис. 4, внизу). Когда вода добавляется в качестве анти-растворителя, появляются волокнистые структуры, которые не являются люминесцентные (рис. 4, слева), указывая, что большинство лигнина ofthe начальный момент остается в растворе после восстановления ofthe полисахаридов; лигнина эффективность удаления было лучше, чем 70 %.
Несколько других ионных жидкостей на основе imidazolium катионов также фактически растворены определенные виды древесины, одни из самых непокорных форм лигноцеллюлозных (16, 17).
Ионные жидкости предварительной обработки, обычно генерируется полисахарид-enriehed субстрата, более эффективно гидролизуется в monomelic сахара. Это является прямым следствием снижения кристалличности целлюлозы и уменьшение содержания лигнина после ионной жидкости предварительной обработки. В результате, общее время процесса, необходимого для преобразования биомассы в сахар использованием ионной жидкости предварительной обработки существенно короче - примерно на порядок - чем тогда, когда другие традиционные технологии предварительной обработки используются. Это снижает риск заражения оппортунистических микроорганизмов в процессе осахаривания.
Ионные жидкости предварительной обработки может быть осуществлено в относительно мягких температурных условиях, что предотвращает образование ингибиторов, которые из-за термической деструкции целлюлозы и гемицеллюлоз. Кроме того, лигнина и полисахаридов, оставшихся в решение может быть получен с помощью жидкого / жидкостной экстракции для дальнейшего улучшения общего урожая и позволит утилизации ионной жидкости.
Последние отчеты показали, что целлюлоза может быть гидролизуется в то время как она растворилась в ионной жидкости в присутствии твердых кислотных катализаторах (18). Такой подход исключает необходимость в последующей ферментативной осахаривания, но эффективно восстановления monomelic сахара, получаемого за счет ионной жидкости является непростой задачей. Кроме того, высоких температур и длительного проживания время, необходимое для полного гидролиза увеличение риска сахарного деградации и формирование тормозного соединений.
Другие исследователи изучали использование целлюлозы в различных смесей ионной жидкости и воды (19). Такой подход может существенно изменить процесс, посредством которого полисахариды восстановить и промывают до осахаривания.
Хотя эти усилия зарождается, они имеют значительные перспективы в плане консолидации и оптимизации процессов ионной жидкости для предварительной обработки.
Проблемы и возможности
Некоторые основные проблемы должны быть преодолены до ионной жидкости предварительной обработки может стать жизнеспособным коммерческого процесса. Наиболее актуальных вопросов является текущая стоимость ионных жидкостей. Хотя некоторые коммерчески доступные ионных жидкостей по разумным ценам (как низко как $ 5/kg), наиболее эффективным растворителей целлюлозы известно остаются непомерно дорогими. Альтернативные производства и массового производства схемы должны быть разработаны для производства недорогих ионной жидкости, которая отвечает всем желаемый биомассы предварительной обработки метрик производительности.
Даже если ионные жидкости могут быть приобретены при достаточно низкой стоимости, этот процесс будет необходимо действовать таким образом, замкнутый с переработкой, чтобы свести к минимуму пополнения ионной жидкости. Это требует разработки, инжиниринг и оптимизация процесса, который может эффективно доставлять, передачи и восстановить ионной жидкости.
Эффективных средств восстановления и устранения любых оставшегося лигнина и растительных клеток стены избирателей, остаются в ионной жидкости после первоначального того анти-растворитель должны быть на месте. Это позволит избежать создания нежелательных побочных предварительной обработки, которые могут снизить производительность.
Другие важные факторы, которые должны быть рассмотрены следующие вопросы: термостойкость ионной жидкости для предотвращения нежелательной деградации и потери производительности с течением времени, разработка оптимизированной фермента коктейли за этот процесс, способность ионной жидкости процесс потерпит воды, и высокая биомасса нагрузки во время предварительной обработки и осахаривания.
Движение вперед
Ионные жидкости увлекательной области новых научных открытий с несколькими приложениями в научных исследованиях и промышленности. Ионные жидкости предварительной обработки целлюлозной биомассы является относительно новой техники, и многое предстоит открыть и инженерно-технических до коммерчески жизнеспособных процесс может быть полностью осуществлены.
Тем не менее, первоначальный reporte в научной литературе в течение последних восьми лет показывают, что предварительная обработка ионной жидкости может предложить ряд преимуществ по сравнению с обычными предварительной обработки биомассы для преобразования кристаллической целлюлозы аморфных высокой поверхностной области подложки в сочетании с делигнификации широкий спектр лигноцеллюлозных сырья. Кроме того, общее время процесса преобразования биомассы в сахар использованием ионной жидкости предварительной обработки существенно короче, чем другие, более традиционные методы. Еще одним потенциальным преимуществом является то, что ионные жидкости могут позволить реализации совместного biorefining менее термической деструкции моносахаридов и, следовательно, минимальное образование тормозного продуктов, которые могут препятствовать вниз осахаривания и биотоплива оперативного подразделения брожения.
Массовое производство недорогих ионных жидкостей, а также развитие процесса технологии, такие как сводный химических или биохимических гидролиза и метод эффективной рекуперации с рециркуляцией ионные жидкости, являются важными факторами в определении коммерческой эффективности этой технологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Perlack Р., и др., "биомассы в качестве сырья для биоэнергетики и биопродуктов Отрасль: технические возможности Миллиард-Ton годовой запас". Министерством энергетики США (DOE) и Департамент США по сельскому хозяйству (USDA), <a target="_blank" href="http://www.eere.energy.gov/biomass/publications" rel="nofollow"> www.eere.energy.gov / биомассы и публикации </ A>. HTML (апрель 2005).
2. Фу, С. и Л. Люсия, "Исследование умереть химической основе за неэффективное удаление лигнина в древесине хвойных пород сульфатной целлюлозы при кислородном делигнификации," Промышленная и научно-исследовательский технической химии, 42 (1 +9), с. 4269-4276 (2003).
3. Аден, А. и Т. Фоаст, 'Анализ технико умереть разбавленной серной кислотой и ферментативного процесса гидролиза для преобразования Com Стовер на этанол, "Целлюлоза, 16 (4), с. 535-54 (2009).
4. Wang, L и др. ", сметы расходов и анализ чувствительности для процесса взрыва волоконно аммиака," Прикладной биохимии и биотехнологии, 70-72 (1), с. 51-66 (1 998).
5. Ларссон, С. и др., "Генерация брожения Ингибиторы в разбавленных кислотного гидролиза из хвойных пород", ферментов и микробной техника, 24 (3), с. 151-159 (1999).
6. Балан, В. и др. /. ", Ферментативный Переваримость и предварительной обработки продуктов распада AFEX обращению Древесина лиственных пород (Populas черная)," Биотехнология Прогресс .. 25 (2), с. 365-375 (2009).
7. Вайман, CE, и др., "Сравнительный восстановления сахара и брожения данных После предварительной обработки Тополихи на передовые технологии," Биотехнология Прогресс ", 25 (2), с. 333-339 (2009).
8. Мартин, C, и др.., "Сравнение между влажным окисления и паровой взрыв, как предварительная обработка методы ферментативного гидролиза сахарного тростника багассы". Биоресурсов, 3 (3), с. 670-683 (2008).
9. ВС, Ю. и Я. Ченг, "Гидролиз лигноцеллюлозной Материалы для производства этанола: обзор", биоресурсов техника, 83 (1), с. 1-1 1 (2002).
10. Swatloski, Р. П. и др., "Растворение целлюлозы в ионных жидкостях", журнале Американского химического общества, 124 (18), с. 4974-4975 (2002).
11. Дади, А. П. и др., "Смягчение целлюлозы Упорство в ферментативного гидролиза в ионной жидкости Предварительная обработка," Прикладной биохимии и биотехнологии, 137, с. 407-421 (2007).
12. Ли, В. и др., "Совершенствование ферментативного гидролиза пшеничной соломы использованием ионной жидкости л-этил-3-methyIimidazolium Diethylphosphate Предварительная обработка", биоресурсов Технолог)?, 100, с. 3570-3575 (2009).
13. ВС, N., и др., "полного растворения и частичного делигнификации древесины в ацетат ионной жидкости л-этил-3-metbylimidazolium," Зеленая химия 11, с. 646-655 (2009).
14. Sarath, G "и др.," Возможности и блокпосты в использовании Корма и мелких зерен для жидкого топлива ", журнал" Индустрия / Microbiolog) 'и биотехнологии. 35, с. 343-354 (2008).
15. Сингх, С. и др., "Визуализация биомассы Солюбилизация и целлюлозно регенерации при ионной жидкости Предобработка просо," Биотехнология и биоинженерия, 104 (1), с. 68-75 (2009).
16. Ли, С. H.. и др. ", ионной жидкости опосредованного селективного извлечения лигнина в древесине что приведет к укреплению ферментативного гидролиза целлюлозы," Биотехнология? и биоинженерии. 102, с. 1368-1376 (2009).
17. Се, H. и др., 'Тщательный химической модификации древесных лигноцеллюлозной материалов в ионных жидкостях ". Biomacromolecules. 8 (12), с. 3740-3748 (2007).
18. Vanoye Л., и др., "Кинетическая модель Гидролиз лигноцеллюлозной биомассы в хлорид ионной жидкости lEjyl-3-methylimidazolium," Зеленый химии, 11 (3), с. 390-396 (2009).
19. Джонс, PO и др., "Целлюлоза гидролиза иммобилизованного Trichoderma reesei ЦЕИ luase," Биотехнология Письма, 32 (1), с. 103-106 (2010).
20. Somerville, C и др., "К Системный подход к пониманию Стены растительных клеток," Наука, 306, с. 2206-221 1 (2004).
21. Zavrel, М., и др., "Высокопроизводительный скрининг для Ионные жидкости растворенным (LIGNO-) Целлюлоза," Технология биоресурсов, 100 (9). с. 2580-2587 (2009).
22. Pu Ю., и др. ", ионной жидкости, как" Зеленый Растворитель для лигнина, "Журнал Химия древесины и техники, 27 (1), с. 23-33 (2007).
23. Fukaya Ю., и др., "Superior растворимость полисахаридов Низкая вязкость, Polar, и галогенов L3-DialkylimidazoIium Формиаты", Biomacromolecules, 7 (12), с. 3295-3297 (2006).
24. Fukaya Ю., и др., "Целлюлоза Роспуск с полярными Ионные жидкости в мягких условиях: Необходимые факторы для анионов," Зеленый химии, 10. с. 44-46 (2008).
БЛЕЙК А. СИММОНС
Сима СИНГХ
БРЭДЛИ М. ХОЛМС
HARVEY В. Бланч
Деконструкция DIV. Объединенного института БИОЭНЕРГЕТИКА
Авторы
Эта работа является частью энергетики совместных BioEnergy институт (<a target="_blank" href="http://www.jbei.org" rel="nofollow"> www.jbei.org </ A>) при поддержке Министерством энергетики США (DOE), Управление науки, Управления биологических и экологических исследований, через договор DE-AC02-05CH11231 между Lawrence Berkeley National Laboratory и НОО. Авторы хотели бы поблагодарить д-р Мишель Смит и д-р zgl etinkol Persil за их помощь и выполнения FTlR ЯМР на ионных жидкостей, используемых в их работе.
БЛЕЙК А. Симмонс, доктор философии, вице-президент по деконструкции Div. Объединенного института BioEnergy OBEI), и он управляет биомассы Наука и технология преобразования кафедры в Sandia National Laboratories (7011 Ист пр. .. Ливермор, CA 94551, телефон: (925) 337-6154, E-почта: <A HREF = "mailto: basimmo@sandla.gov"> <basimmo@sandla.gov />). Его опыт включает в себя предварительную обработку биомассы, ферментные инженерных, биотопливо клетки, наноматериалы, microfluidtes, nanofluidics, опреснения воды, а blominerallzation. At) BEI, его исследования направлены главным образом на передовых методов освобождения сбраживаемых Сахаров при высокой урожайности лигноцеллюлозных биомассы. В последнее время он занимается изучением ферментов, выделенных из extremophillc организмов, которые могут применяться для гидролиза полисахаридов в мономерных сахаров и развития передовых технологий предварительной обработки биомассы. Он имеет степень бакалавра в Univ. Вашингтон и кандидат от Тьюлейн университет, и в химическом машиностроении. Он является членом Американского химического общества, Айше, материалы научного общества, Общества промышленной микробиологии и рассеяния нейтронов общества Америки ..
Сима Сингх, доктор философии, директор наук о материалах и динамических исследований биомассы Предварительная на JBEI. Как со стороны руководства команды предварительной обработки IBEI, она использует свою экспертизу в области спектроскопии (КР, ИК-Фурье, БИК и т.д.), комбинированный оптический АСМ-микроскопии, biophotomcs и хемометрики расследовать ионной жидкости биомассы предварительной обработки процессов и механизмов. Она имеет опыт работы в биофизике, поверхность и поверхностное науки, selfassembled наноструктур, bioinspired материалов, электрофизиологии. и superhydrophobic поверхностей. Она имеет степень бакалавра в области химии и биологии и MS в области органической химии из Горакхпур университет, Индия, а также MS в области физической химии и кандидат в биофизической химии Univ. Нью-Мексико. Она также является членом Американского химического общества.
БРЭДЛИ М. Холмс, доктор философии, директор биомассы Предварительная Discovery и технологии производственных процессов на JBEI. Его исследования направлены на развитие и оптимизацию ионной жидкости технологических процессов и ионной жидкости отбора. Он также занимается разработкой передовых технологий восстановления, что позволит эффективное восстановление сахара и лигнина из ионных iquids. Он инженер-химик с опытом работы в биохимической инженерии и молекулярной биологии. Он имеет степень бакалавра в области химии и BE в области химического машиностроения Univ. от Мельбурна, и степень доктора наук в области химического машиностроения Univ. Калифорнии в Беркли. Он является членом Айше.
HARVEYW. БАНЧ, доктор философии, главный науке и технике Officerai Джебель. профессор и бывший председатель на факультете химической инженерии в Univ. Беркли, а также старший научный сотрудник факультета Lawrence Berkeley National Laboratory. Его исследование изучило транспорта, кинетики и термодинамики в ферментативных и микробных процессов.
Его исследования по фермента технология включает в себя кинетики и механизма действия ферментов в неводных средах. Его исследования на обмен веществ и кинетика бактериальных, растительных и гибридомной ceils играют важную роль в разработке и оптимизации крупномасштабных процессов. Он разработал ферментативных и микробных маршруты для преобразования лигноцеллюлозных материалов сахаров и их последующего брожения в этанол. Совсем недавно, он нанял молекулярной термодинамики для описания процессов разделения белков, в том числе водных 2-экстракции и осадков, гидрогель поведения и агрегации белков. Он имеет степень бакалавра в Univ. Сидней в области химической технологии и кандидат от Univ. Нового Южного Уэльса в биологических технологий. Он AAAS членом и членом Национальной академии инженерных наук, а также является членом Американского института по медицинской и биологической инженерии, Американское химическое общество, и Айше.
