Mesoscale Reaction–Diffusion Phenomena Governing Lignin‐First Biomass Fractionation

木质素 生物炼制 溶剂分解 化学 生物量(生态学) 解聚 半纤维素 纤维素 化学工程 原材料 有机化学 水解 地质学 海洋学 工程类
作者
Nicholas E. Thornburg,M. Brennan Pecha,David G. Brandner,Michelle Reed,Josh V. Vermaas,William E. Michener,Rui Katahira,Todd B. Vinzant,Thomas D. Foust,Bryon S. Donohoe,Yuriy Román‐Leshkov,Peter N. Ciesielski,Gregg T. Beckham
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:13 (17): 4495-4509 被引量:48
标识
DOI:10.1002/cssc.202000558
摘要

Abstract Lignin solvolysis from the plant cell wall is the critical first step in lignin depolymerization processes involving whole biomass feedstocks. However, little is known about the coupled reaction kinetics and transport phenomena that govern the effective rates of lignin extraction. Here, we report a validated simulation framework that determines intrinsic, transport‐independent kinetic parameters for the solvolysis of lignin, hemicellulose, and cellulose upon incorporation of feedstock characteristics for the methanol‐based extraction of poplar as an example fractionation process. Lignin fragment diffusion is predicted to compete on the same time and length scales as reactions of lignin within cell walls and longitudinal pores of typical milled particle sizes, and mass transfer resistances are predicted to dominate the solvolysis of poplar particles that exceed approximately 2 mm in length. Beyond the approximately 2 mm threshold, effectiveness factors are predicted to be below 0.25, which implies that pore diffusion resistances may attenuate observable kinetic rate measurements by at least 75 % in such cases. Thus, researchers are recommended to conduct kinetic evaluations of lignin‐first catalysts using biomass particles smaller than approximately 0.2 mm in length to avoid feedstock‐specific mass transfer limitations in lignin conversion studies. Overall, this work highlights opportunities to improve lignin solvolysis by genetic engineering and provides actionable kinetic information to guide the design and scale‐up of emerging biorefinery strategies.

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