Arundo Donaxの自己加水前処理：マイクロ波アシストバッチと高速加熱速度フロースルー反応システムの比較

背景：液体温水におけるリグノセルロースバイオマスの自己水溶解は、その高効率と比較的低コストのために広く研究されています。産業用途の観点では、継続的または半連続したプロセスは、バッチシステムよりも興味深いものです。さらに、前処理システムのマイクロ波加熱が提案されており、プロセスの動態を強化しています。この研究では、Arundo Donaxの自己加水は、系統的な比較を実行することを目的として、同じ動作条件で高速加熱速度で、マイクロ波加熱バッチ反応器と半連続フロースルー反応システムを使用して、純粋な液体温水で実行されました。2つの異なる実験装置間。 結果：加水分解産物の濃度と収量に対する水質量と水の比率と水流率のバイオマス、バイオマス、水塊に対する水質量と水流の影響を調査しました。フロースルーセットアップにより、ドライベースで最大44.5重量％までのバイオマス可溶化に到達することができましたが、バッチシステムは34.5重量％で停止し、物質移動が構成バイオポリマーの可溶化の速度決定ステップである可能性があることを示唆しています。。たとえば、フロースルーレイアウトでは、20分間の加工時間で200°Cで3.5 mL/minの流量を使用して、分解生成物の形成が限られているヘミセルロースの定量的回復を得ました。興味深いことに、マイクロ波アシストバッチ反応器を使用して、より高いセルロース/ヘミセルロース抽出比が見つかりました。前処理後に回収された固体残基のFTIR分析は、HPLCおよびUV-VIS分光法に由来するものに相補的な液化バイオポリマーの画分に関する独立した情報を提供しました。 結論：収集された実験結果は、フロースルーシステムを採用して、砂糖分解生成物の形成が限られており、ペナルティが限られている、可溶性化合物の生成物分布に対処する発酵性糖への生成物分布に対処する、アルンダドナックスのヘミセルロース画分の完全な可溶化を得ることができることを示しました。加水分解物溶液の希釈。また、マイクロ波がセルロースの解重合と可溶化を促進し、バイオマスのより包括的な利用を可能にし、赤外線分光法が前処理の効果を推定するための有用な手法になることがわかった。

BACKGROUND: Autohydrolysis of lignocellulosic biomass in liquid hot water has been widely studied owing to its high efficiency and relatively low cost. In the perspective of industrial applications, continuous or semi-continuous processes are more interesting than batch systems. Moreover, microwave heating of pretreatment systems has been proposed to intensify the kinetics of the process. In this study, the autohydrolysis of Arundo donax was performed in pure liquid hot water using a microwave-heated batch reactor and a semi-continuous flow-through reaction system with fast heating rate at the same operating conditions with the aim of performing a systematic comparison between the two different experimental apparatuses. RESULTS: The effect of process temperature and time, biomass to water mass to volume ratio and water flow rate on the concentration and yield of hydrolysis products was investigated. The flow-through set-up allowed us to reach biomass solubilization up to 44.5 wt% on dry basis, while the batch system stopped at 34.5 wt% suggesting that the mass transfer could be the rate-determining step in the solubilization of the constituting biopolymers. For example, in the flow-through layout, using a flow rate of 3.5 mL/min at 200 °C with 20 min of processing time, quantitative recovery of hemicellulose was obtained with limited formation of degradation products. Interestingly, higher cellulose/hemicellulose extraction ratios were found using the microwave-assisted batch reactor. FTIR analyses of the solid residues recovered after the pretreatment offered independent information on the fractions of liquefied biopolymers complementary to those derived from HPLC and UV-Vis spectroscopy. CONCLUSIONS: Collected experimental results indicated that the flow-through system can be adopted to obtain complete solubilization of the hemicellulose fraction of Arundo donax addressing the product distribution in soluble compounds towards fermentable sugars with limited formation of sugar degradation products and with limited penalty in terms of dilution of the hydrolysate solution. It was also found that microwaves can promote cellulose depolymerization and solubilization, thus allowing a more comprehensive utilization of the biomass and that infrared spectroscopy can be a useful technique to estimate the effect of the pretreatment.