Zelena globoka evtektična topila za delignifikacijo in valorizacijo biomase s pomočjo mikrovalov

Uvod

V zadnjem desetletju je naraščajoča zavest o vplivu topil na onesnaževanje okolja povzročila iskanje bolj zelenih in bolj trajnostnih možnosti. Lignocelulozna biomasa je lahko dostopen, poceni in obnovljiv vir, sestavljen predvsem iz treh biopolimerov, in sicer: 1) celuloze, 2) hemiceluloze in 3) lignina. Najobetavnejša komercialno izvedljiva pot za valorizacijo lignocelulozne biomase je fermentacija celuloznega in hemiceluloznega sladkorja v etanol. Postopek pretvorbe lignoceluloze v etanol je dražji kot cena omenjenega izdelka, etanola. Obetavna strategija za znižanje proizvodnih stroškov celuloznega etanola je razvoj biorafinerije, ki vključuje valorizacijo vseh komponent biomase s proizvodnjo kemikalij poleg etanola. Zaradi interakcij celuloza-lignin pa so za pridobitev ostankov, bogatih s celulozo, potrebni ostri pogoji predobdelave (močne kisline, visoka temperatura, dolg čas postopka itd.). Mikrovalovi (MW) opozarjajo na vse večjo pozornost zaradi njegovega potenciala za selektivno aktivacijo podlage in manjšega povpraševanja po energiji.

Diskusija

Topila, pridobljena iz biomase (zlasti hemiceluloze in lignina), vključno z γ-valerolaktonom (GVL), 2-metiltetrahidrofuranom, tetrahidrofuranom (THF), ionskimi tekočinami (Ils) in globokimi evtektičnimi topili (DES), se uspešno uporabljajo pri predobdelavi in pretvorbi biomase. Ionske tekočine so postale pozorne kot alternativna topila za predobdelavo biomase, ker je sposobnost nekaterih izmed njih, da raztopijo celulozo ali jo naredijo amorfno. S fizikalnimi in kemijskimi lastnostmi, primerljivimi z IL, so se globoka evtektična topila (DES) nedavno pojavila kot potencialna bolj zelena alternativa za več kemičnih in bioloških aplikacij. Poleg tega je postala priljubljena nova vrsta globokih evtektičnih topil, znana kot naravna globoka evtektična topila (NADES). So bolj zelena in učinkovita alternativa običajnim organskim topilom za postopke predobdelave biomase. NADES so običajno sestavljeni iz dveh ali več nestrupenih in poceni spojin, ki so vezane na vodikovo vez. Razvit je bil nov razred obnovljivih NADES iz lignina (LigDES), ki združuje uporabo ChCl (kot HBA) z nekaterimi fenoli, pridobljenimi iz lignina (kot HBD), kot so 4-hidroksibenzil alkohol (ChCl: HBA), katehol (ChCl: CAT ), vanilin (ChCl: VAN) in p-kumarna kislina (ChCl: PCA), da dobimo novo evtektično mešanico, primerno za razločitev beljakovine. Zato bodo v tem prispevku nekateri NADES, vključno s tistimi iz lignina, testirani v kombinaciji s tehnologijo MW, da bi izboljšali razločitev pšenične slame za nadaljnjo encimsko pretvorbo.

Rezultati

1. Naravna globoka evtektična topila (NaDES) in globoko evtektična topila, pridobljena iz lignina (LigDES) Izbrani so bili štirje različni NaDES, da bi ocenili vpliv teh topil na WS delignifikacijo pri obsevanju z MW. Dokazano je, da lahko dodajanje zelo majhnih količin vode povzroči dramatično zmanjšanje viskoznosti večine NaDES.

2. Dielektrične lastnosti globokih evtektičnih topil (NaDES in LigDES) Sinergija med ogrevanjem NaDES in MW bi lahko zelo učinkovito prispevala k razločitvi biomase zaradi interakcije obsevanja MW z elektrolitskimi topili. Izmerili so dielektrične lastnosti vseh NaDES-ov in LigDES-ov, saj je dobro znano, da je ogrevanje MW strogo povezano z dielektričnimi značilnostmi vzorcev.

3. Delignifikacija pšenične slame s pomočjo mikrovalov - NaDES in LigDES Predhodno pripravljeni in karakterizirani NaDES in LigDES so bili uporabljeni kot topila za dekonstrukcijo pšenične slame (WS) s pomočjo MW za pridobivanje celuloze bogate snovi in lignina.

4. Antioksidativna aktivnost obnovljene tekoče frakcije - precipitacije pred in po ligninu Po obdelavi s pomočjo MW so bili pridobljeni ekstrakti testirani na njihovo antioksidativno aktivnost z metodo 2,2-difenil-1-pikrilhidrazil (DPPH). NaDES-i so pokazali popolno odsotnost aktivnosti, LigDES-i imajo zelo nizke vrednosti EC50, kar izraža močno antioksidativno moč.

5. Encimska hidroliza (EH) Po obdelavi WS s pomočjo MW smo izpeljano trdno frakcijo izkoristili za encimsko hidrolizo (EH). Rezultati so pokazali, da se je s povečevanjem časa encimske reakcije koncentracija sproščenih reducirajočih sladkorjev nekoliko povečala.

Zaključek

Cilj za premagovanje težav sedanjega koraka predhodne obdelave biomase, zelenih topil in tehnologije MW so bili povezani za doseganje trajnostne lignitocelulozne biomase. Študija kaže, da so DES-ji učinkoviti pri selektivnem raztapljanju lignina pri frakcioniranju biomase. Ogrevanje z MW ta postopek izboljša s hitrejšim ogrevanjem. Nadaljnja podrobna preiskava teh raziskovalnih področij bo zagotovila vsestransko uporabo NaDES za bistveno nižje stroške in okolju prijazne procese. Nov NaDES, pridobljen iz lignina, ChPPh, kaže odlične dielektrične lastnosti in bi lahko bil obetavno topilo za široko paleto aplikacij s pomočjo MW.

Viri

1. Grillo, Giorgio; Calcio Gaudino, Emanuela; Rosa, Robert; Leonelli, Cristina; Timonina, Ana; Grygiškis, Saulius; Tabasso, Silvia and Cravotto, Giancarlo 2021. „Green Deep Eutectic Solvents for Microwave-Assisted Biomass Delignification and Valorisation“, Bio-based and Safer Solvents.

2. 3,5-Dinitrosalicilna kislina, Wikipedia; https://en.wikipedia.org/wiki/3,5-Dinitrosalicylic_acid (pridobljeno: 10.5.2021)

3. Waste Valorization Techniques, GreenChemistry; https://greenchemistry.chemistryconferences.org/events-list/waste-valorization-techniques#:~:text=Waste%20valorization%20is%20the%20procedure%20of%20getting%20waste,recycling%2C%20composting%20from%20wastes%2C%20and%20sources%20of%20energy. (pridobljeno: 11.5.2021)

4. DPPH (2,2-Diphenyl-1-(2,4,6-trinitrophenyl)hydrazin-1-yl), Wikipedia; https://en.wikipedia.org/wiki/DPPH (pridobljeno: 14.5.2021)