本文详细介绍了利用商业性等鞭金藻(Isochrysis)生产生物柴油并同时共分离高价值副产物烯酮的方法。
本文详细介绍了利用商业性等鞭金藻(Isochrysis)生产生物柴油并同时共分离高价值副产物烯酮的方法。
用可再生且更具环境可持续性的替代能源取代石油燃料的需求日益重要。在此背景下,生物质来源的生物燃料已受到广泛关注,然而,由玉米乙醇或大豆生物柴油等可食用作物制成的第一代生物燃料已普遍不再受青睐。因此,人们迫切希望开发出利用本土化且更优越的非食用原料生产液体燃料的方法。本文详细描述了一种从海洋微藻制备高纯度生物柴油的实验流程。 等鞭金藻此外,还平行分离出一组独特的脂质——多不饱和长链烯酮,这些物质可作为潜在的高价值副产品,用于抵消生物柴油生产的成本。数千克量级的 等鞭藻 从两家商业供应商购得,一种为湿浆(含水80%),需先干燥后再进行处理;另一种为干磨粉末(含水量95%干基)。采用索氏提取器用正己烷提取脂质,得到藻油"己烷藻油") 含有传统脂肪(即, 甘油三酯(46-60% w/w)和烯酮(16-25% w/w)。对藻类油中的甘油三酯进行皂化,可将生成的游离脂肪酸(FFAs)与含烯酮的中性脂质分离。随后将FFAs转化为生物柴油即,脂肪酸甲酯(FAMEs)通过酸催化酯化反应制备,而烯酮则通过结晶法从中性脂质中分离和纯化。我们证明了来自商业的生物柴油 等鞭金藻 生物量的脂肪酸甲酯谱相似但不完全相同,其特征是多不饱和脂肪酸含量较高(约40% w/w)。以这些原料制备生物柴油时,产率始终更高。 等鞭藻 湿膏(12% w/w 对比 7% w/w),可归因于从粉末中获得的正己烷藻油量较低 等鞭金藻 产物
近年来,人们对藻类生物燃料的兴趣再度高涨,尤其是将其用于生产生物柴油等液体燃料1 以及其他生物质衍生油。2 建议的好处包括避免某些与食物与燃料之争相关的争议3 据报道具有更高的生产率和CO2 比传统农作物具有更强的缓解能力。4 这延续了美国能源部始于1978年的藻类生物燃料研究计划——水生物种计划(Aquatic Species Program, ASP),该计划历时近20年,旨在探索从藻类中制取交通燃料的可行性。如希汉(Sheehan)报告中所述,5 该项目于1996年终止,主要原因是当时的预计成本无法与原油价格竞争(每桶159 L,18.46美元)。尽管自那时以来石油成本已大幅上涨(2014年为每桶87.39美元)6这与藻类生物燃料研究的复兴有关,但一些人认为藻类生物燃料仍将过于昂贵。7 作为一种降低生物燃料生产成本的策略,“高附加值副产品”的概念在批评者中逐渐兴起7,8 支持者9,10 并被列为美国能源部(DOE)《国家藻类生物燃料技术路线图》中推动藻类生物燃料发展的关键理由之一。11
在此,我们介绍一种从商用原料中共同生产两种独立燃料流的方法 等鞭金藻 微藻。我们已聚焦于 等鞭藻 部分原因在于它已实现工业化生产,并被用于海水养殖业的采收 等鞭藻 是少数几种除传统脂质外还能产生即, 脂肪酸)生物合成一类独特的化合物,称为多不饱和长链烯酮。12 烯酮结构的特征是具有非常长的烃链(36-40个碳原子),以及两个到四个非亚甲基间隔的 转双键,以及一个甲基或乙基酮(图1). 烷酮不饱和度对藻类生长温度敏感,13,14 使得二不饱和C37甲基烯酮(即所谓的“不饱和指数”)的比例可作为古海表温度的代用指标。15−20 烷烃酮被认为存在于细胞质脂质体中,其含量可能超过甘油三酯(TAGs)。21,22 在氮或磷受限条件下,静止期细胞中最多有10−20%的碳以烯酮形式积累。23,24 从进化角度来看,烯酮可能比三酰甘油(TAGs)更具优势 转双键几何结构提供了更稳定的能量储存形式。21

图 1. 多不饱和长链烯酮的结构。 从Isochrysis中分离出的常见甲基37:3烯酮,具有长碳氢链(36–40个碳原子)、trans非亚甲基间隔双键,并以甲基或乙基酮基结尾。其命名法类似于脂肪酸,其中#:#表示碳原子数:双键数。请点击此处查看该图的放大版本。
我们认为,长链烯酮代表了一种极具前景的可再生碳资源,其来源于一种具有工业培养历史的常见藻类。25 直接从总脂质提取物中生产的生物柴油 等鞭金藻 含有大量(10–15% w/w)烯酮类物质,这些高熔点化合物的污染会导致燃料低温流动性差。然而,通过本文所述的皂化/萃取技术,可去除并回收烯酮,从而改善生物柴油品质,同时产生一个副产物流。近期,我们已证明可通过与2-丁烯进行交叉复分解反应(丁烯解)将烯酮转化为液体燃料。26 丁烯解反应采用商用钌复分解引发剂,在低温下快速进行,并可高选择性地生成可预测组成的航空燃料范围烃类混合物。该反应与脂肪酸制备生物柴油的过程平行进行,代表了迈向“生物炼制”策略的初步步骤27 具有商业可行性 等鞭藻 生物燃料生产
1. 微藻与生物量制备
注意:本研究中使用的海洋微藻 Isochrysis sp. "T-iso" 可从供应商处购买(参见材料列表)。可购得数千克量级的 Isochrysis,其以冷冻湿膏形式提供(称为 Iso-膏),含水量约为 80%,生物量占 20%,呈深绿色至近黑色,具有浓烈的海洋气味。Isochrysis 也可购得干燥(95% 干燥)的黄褐色粉末(称为 Iso-粉),气味相似。
2. 干样品的索氏提取 等鞭藻 生物量
3. 藻类油的皂化及脂肪酸与中性脂质的分离
4. 游离脂肪酸的酸催化酯化及绿色生物柴油的制备
5. 生物柴油脱色
6. 中性脂质中烯酮的分离与纯化
处理之前, Isochrysis 粘贴同-糊状物首先被干燥。大规模操作时,可通过向其中加入 Iso-转移至大型结晶皿中,在室温下静置风干。干燥过程中会形成部分积水(通常呈红褐色),可通过倾倒或移液去除,以加速干燥进程。约48–96小时后,材料已完全干燥 等鞭藻 可从结晶皿中刮取,得到黑色/绿色片状物质,具有类似海藻的气味(图2)。干重生物量的得率通常为糊状物重量的20%(w/w),与产品说明一致。相比之下,粉末状 等鞭金藻 产物(异-粉末为黄棕色、细磨的干燥粉末(含水量95%),可直接使用,无需进一步处理(图2).

图 2. 商业 Isochrysis 的比较。将 Isochrysis 膏状物(含水量 80%)均匀铺在结晶皿底部,在室温下风干 48–96 小时后进行处理。所得干燥 Isochrysis 呈深色片状物质(右侧),其外观不同于市售的干燥粉末状 Isochrysis(左侧)。请点击此处查看该图的放大版本。
使用索氏提取法以正己烷分别提取干燥的Iso-膏状物或Iso-粉末,除去正己烷后得到藻油(h-AO),其外观相似,均为深绿色至近黑色的固体(熔点约 50–60 °C)。以膏状物为起始原料所得藻油(“Iso-膏状物-hAO”)的产率通常为干燥Isochrysis生物量的 20%(w/w),与我们先前的结果一致26;而以市售粉末状Isochrysis进行索氏提取所得藻油(“Iso-粉末-hAO”)的产率为 15%(w/w)(表 1)。
| 产物 (g) | Iso-糊状物 | Iso-粉末-1 | Iso-粉末-2 |
| 干生物量 | 30 | 20 | 20 |
| 己烷藻油 | 5.86 | 2.87 | 3.11 |
| 游离脂肪酸(FFAs) | 3.52 | 1.34 | 1.38 |
| 中性脂质 | 2.34 | 1.38 | 1.61 |
| 长链烯酮(Alkenones) | 0.94 | 0.63 | 0.74 |
| 注:Iso-粉末-1 和 Iso-粉末-2 代表两份等量 Isochrysis 粉末样品平行处理所得的结果。有关从 Iso-糊状物获得这些产物的其他报告,请参见文献 26、32 和 33。 | |||
表1. 商业产品的产量 等鞭藻 生物量
人肝细胞样类器官(h-AO)中的酰基甘油转化为相应的水溶性羧酸盐即, 在甲醇/CH中加入水性KOH后生成的肥皂)2Cl2中性脂质(包括烯酮)随后通过正己烷的选择性分配从该水相混合物中提取。在去除中性脂质后,将皂化产物重新酸化,得到相应的游离脂肪酸(FFAs),这些游离脂肪酸同样可用正己烷从水相中提取。总体质量回收率针对合并的FFAs和中性脂质,无论来自 同-paste-hAO 或 Iso-powder-hAO 的产物比例始终接近定量。然而,产物的比例(即, 中性脂质 + 游离脂肪酸)存在差异。从 同-我们获得的产物中,游离脂肪酸(FFAs)占60%(w/w),中性脂质占40%(w/w)。表1。相反, 同-粉末-hAO 中性脂质含量丰富(平均为 54% 中性脂质 + 46% 游离脂肪酸),详见于 表1.
游离脂肪酸与H的酯化反应2SO4 然后用甲醇生成脂肪酸甲酯(FAMEs, 即,生物柴油)为深绿色近黑色的油状液体,产率超过90%(图3). 通过蒙脱石K10加热脱色29 (MK10)黏土随后得到黄色/橙色产物,外观与其他市售生物柴油燃料相似(参见材料列表)图3)。脱色后FAME分析结果 等鞭金藻 生物柴油燃料如图所示 表2.

图3. Isochrysis 生物柴油与大豆生物柴油的比较。 绿色的Isochrysis生物柴油(中间)是通过提取并纯化的游离脂肪酸酯化反应制得。脱色处理后得到的产品(右侧)具有与商用生物柴油(左侧)相似的性质。请点击此处查看该图的放大版本。
| 脂肪酸甲酯A | Iso粘贴 | Iso-粉末 |
| 14:00 | 16.4 | 19.4 |
| 14:01 | - | 0.3 |
| 15:00 | 痕量 | 0.3 |
| 16:00 | 10.1 | 8.8 |
| 16:1 Δ9 | 7.6 | 5.5 |
| 16:02 | ND | 0.3 |
| 16:03 | 未检测到 | 0.5 |
| 18:00 | 痕量 | 0.2 |
| 18:1B | 12.1 | 14.3 |
| 18:02 | 8.1 | 7.1 |
| 18:3C | 8.5 | 13.5 |
| 18:04 | 19.8 | 10.4 |
| 18:05 | ND | 3 |
| 20:05 | 未检测到 | - |
| 22:05 | 未检测到 | 2 |
| 22:06 | 6.9 | 11 |
| ΣD | 89.8 | 96.2 |
| 注意事项: A脂肪酸命名法为#碳原子数:#双键数cis-双键。 B18:1 Δ9 与 18:1 Δ11 的混合物 CΔ6,9,12 和 Δ9,12,15 异构体的混合物。 D剩余物质中,其他脂肪酸甲酯(FAME)与非FAME组分的比例约为50:50(FAME总量约占95%)。ND = 未检出。 | ||
表2. 由商业 Iso-past 和 Iso-powder 亚心形扁藻(Isochrysis)生物质制备的生物柴油的脂肪酸甲酯(FAME)组成。
中性脂质以绿色固体混合物的形式获得,其质量分数为40%(w/w),来自Iso-糊状-hAO,而来自Iso-粉末-hAO的中性脂质为54%(平均值)(表1)。将溶解的中性脂质用二氯甲烷(DCM)通过硅胶过滤,除去溶剂后得到红褐色/橙色固体,该固体可用正己烷重结晶,得到分析纯的烯酮类化合物,呈白色固体。该方法从Iso-糊状-hAO中获得16%(w/w)的分离产率,从Iso-粉末-hAO中获得25%的产率(表1)。
等鞭藻 是少数几种被工业化养殖的藻类物种之一,常作为贝类饲料的主要成分进行收获,因此可代表生物燃料生产所需的规模。本研究中所用藻类的可获得性以及采用的标准方法,使得本方案易于被其他研究团队广泛采用,以开展进一步研究。关键步骤包括将藻类进行空气干燥(而非冷冻干燥)33)、溶剂萃取、皂化和酯化。通过这些操作,可考察从不同原料中提取的脂质及其他副产物的产率 等鞭藻 可用30预计这些差异可能是由于菌株不同和培养方法不同所致,31 并且可能受到产品性质及任何附加加工过程的影响(例如,干燥或冷冻)由供应商提供。如我们在此展示的,该方案可成功应用于不同类型的 等鞭金藻 产物从湿浆到干磨粉末不等。然而,粉末状生物质的生物柴油产率较低(干生物质的7% w/w,而干燥糊状物为12% w/w),这与提取的藻油(h-AO)含量较低相对应。这可能表明需要采用一种替代的提取方案32 除索氏提取器外,其他装置可能更适用于干燥粉末的提取 等鞭藻 产物。该 等鞭藻 本研究中使用的粉末标称脂质含量为23-25%,与我们从干燥样品中实验测得的结果相近 等鞭藻 粘贴。33,34,26
尽管起始干生物质的颜色不同,但Iso-糊状-hAO与Iso-粉末-hAO在本质上几乎无法区分,均为深绿色/近黑色固体,熔点约为50 °C。有趣的是,两种己烷提取物中游离脂肪酸(FFA)与中性脂质的比例有所不同。经皂化反应并分离中性脂质后,从Iso-糊状-hAO中获得60%(w/w)的FFA和40%(w/w)的中性脂质;而Iso-粉末-hAO平均产生46%(w/w)的FFA和54%(w/w)的中性脂质。该结果提示,起始的粉末生物质中中性脂质相对于脂肪酸衍生物的含量可能高于Isochrysis糊状物,或者索氏提取法对粉末状Isochrysis中的中性脂质具有一定的选择性。
不仅从两种商业来源获得的产物产率 等鞭藻 生物量不同,且所产生物柴油的脂肪酸组成也存在差异。这一点至关重要,因为生物柴油的燃料特性直接取决于各脂肪酸甲酯(FAME)的种类和含量。35 要实现商业化,所有生物柴油必须符合美国 ASTM D6751 或欧洲 EN 14214 文件中规定的技术标准。这些标准包括润滑性、运动黏度的允许范围,以及十六烷值和氧化稳定性的最低限值。其他重要推荐指标涉及低温流动性,以浊点(CP)或冷滤点(CFPP)的形式表示。我们此前已报道过由生物原料制备的生物柴油在全面燃料测试中的结果 异-粘贴。36 由于由……生产的生物柴油的FAME谱图 Iso本研究中的粉末与先前测试的粉末相似,因此可以预测两种生物柴油燃料的某些燃料特性也相似。例如,多不饱和脂肪酸甲酯(PuFAMEs,含两个以上双键)在两种脂肪酸甲酯混合物中均约占40%(分别为35.2%和39.9%) 表 2这将导致氧化稳定性较差,但低温流动性较好。35 然而,这两种生物柴油燃料的脂肪酸甲酯(FAME)谱图存在细微差异。由粉末状原料制得的生物柴油 等鞭藻 含有更高含量的14:0(19.4 mg/g vs. 16.4 mg/g)、18:3(13.5 mg/g vs. 8.5 mg/g)和22:6(11.0 mg/g vs. 6.9 mg/g)FAMEs,但18:4含量较低(10.4 mg/g vs. 19.8 mg/g)。这些差异对ASTM标准中各项燃料特性的影响程度仍有待研究。
从两种商用等鞭藻(Isochrysis)藻类获得的初始生物柴油均呈深绿色,这可归因于叶绿素的存在。36 据报道,叶绿素及其衍生物对植物油及其相应生物柴油的稳定性具有负面影响。36,29 参照Issariyakul和Dalai关于在生物柴油生产过程中脱除绿籽油颜色的方法,29 将我们的绿色生物柴油在60 °C下与10%(w/w)MK10搅拌1小时后,目视观察发现色素含量显著降低(参见 图2)。脱色过程的平均质量回收率为90%。
纯化烯酮的产率 同-paste-hAO 和 同-粉末-hAO 中性脂质分别为40%和46% w/w,两者相当(表1)。由于中性脂质在所含物质中占比较高 异构体-粉末-hAO(54% w/w 对比 40% w/w),烯酮产率从 异源-粉末-hAO 超过 同-paste-hAO角鲨烯产率提高约10%(25% w/w vs. 16% w/w)。然而,考虑到产率的 异-粉末-hAO本身的水平低于 同-paste-hAO(15% 与 20% w/w),两种干燥条件下烯酮的总产率 等鞭金藻 生物量更为相似(0.2 × 0.4 × 0.4 = 干重的3.2% w/w) 等鞭藻 糊剂和 0.15 x 0.54 x 0.46 = 3.7% 来自 等鞭藻 粉末)
本出版物中提及的商标名称或商业产品仅为提供具体信息之用,并不意味着美国农业部的推荐或认可。美国农业部是一个提供平等机会的供应商和雇主。
本工作由美国国家科学基金会(CHE-1151492)、西北先进可再生能源联盟(资助 J. Wilson-Peltier 的奖学金)以及来自伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)友人的私人捐赠提供支持。我们感谢 Kevin R. Steidley 和 Kim Ascherl(美国农业部 / 农业研究服务局 / 国家农作物利用研究中心)提供的出色技术支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Isochrysis | Reed Mariculture | Iso, 原始,未处理,20%干重 | 活体培养物糊状物,20% w/w 生物量 |
| Isochrysis | Necton, S.A | AADISS004 | PhytoBloom Prof Isochrysis(冻干) |
| 己烷 | Fisher Chemical | H291-4 | ACS 认证级 |
| 甲醇 | Fisher Chemical | A452-4 | HPLC 级 |
| 二氯甲烷 | Fisher Chemical | D37-4 | 认证级/稳定化 |
| 索氏提取装置 | Sigma Aldrich | 64826 | |
| 提取套管 | Sigma Aldrich | 64842 | |
| Büchner 漏斗 | Chemglass | CG-1406-25 | |
| 高压反应釜 | Chemglass | CG-1880-12 | |
| Whatman 滤纸 | GE Life Sciences | 1442-042 | 42号,灰分0.007%,圆形,42.5 mm |
| 生物柴油(B100) | Bellingham Shell | 图3中的生物柴油(B100)购自当地加油站:Bellingham Shell,Bellingham,WA 98226 | |
| Isochrysis | Aquacave | 除Reed和Necton外,Isochrysis也可从Aquacave(Gurnee, IL)购买,网址:www.aquacave.com(访问时间:2015年9月30日)。 | |
| Isochrysis | Brine Shrimp Direct | Isochrysis也可从Brine Shrimp Direct(Ogden, UT)购买,网址:www.brineshrimpdirect.com(访问时间:2015年9月30日)。 |