Versuchsprotokoll für die Biodieselproduktion mit Isolierung von Alkenone als Co-Produkte von der Commercial

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Biodiesel aus im Handel erhältlichen Isochrysis-Algen herzustellen und gleichzeitig langkettige Alkenone als wertvolles Nebenprodukt mitzuisolieren. Diese Methode kann dazu beitragen, zentrale Fragen im Bereich der erneuerbaren Energien zu beantworten, beispielsweise ob unsere algenbasierten Biokraftstoffe als leistungsfähige Alternativen zu erdölbasierten Brennstoffen geeignet sind.

Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass die Alge, die wir verwenden, bereits industriell kultiviert wird und in mehreren Kilogramm-Mengen von verschiedenen kommerziellen Anbietern bezogen werden kann. Außerdem synthetisieren diese speziellen Algen biologisch eine einzigartige Gruppe von Lipiden, die als langkettige Alkenone bekannt sind und als Nebenprodukt isoliert werden können. Das Verfahren wird John Williams, ein Doktorand in meinem Labor, demonstrieren.

Um die im Handel erhältliche feuchte Isochrysis-Paste vorzubereiten, schneiden Sie ein kleines Loch in eine Packung mit einem Gewicht von einem Kilogramm und drücken Sie etwa 300 Gramm auf eine Kristallisierschale mit den Maßen 150 mal 75 Millimeter. Die Paste enthält etwa 80 % Wasser, ist dunkelgrün, nahezu schwarz und hat einen scharfen Geruch. Lassen Sie die Paste an der Luft trocknen, um eine Schicht mit einer Dicke von etwa 20 Millimetern zu erhalten.

Das trockene Biomaterial in einen Cellulose-Extraktionskolben mit bekannter Masse einkratzen. Anschließend das Gewicht der Isochrysis-Biomasse aufzeichnen. Etwa 50 bis 60 Gramm trockene Isochrysis in eine Soxhlet-Extraktionsapparatur überführen.

Dann füllen Sie den Soxhlet-Kolben mit 400 Milliliter Hexan. Schalten Sie das Kühlerwasser und die Wärmequelle ein und lassen Sie den Soxhlet für ein bis zwei Tage zyklisieren. Wenn die Farbe des Lösungsmittels von dunkelgrün zu einem blassen Gelb gewechselt hat, ist die Extraktion abgeschlossen.

Kühlen Sie es auf Raumtemperatur ab und verwenden Sie einen Rotationsverdampfer, um die Hexane zu entfernen. Wiegen Sie abschließend das hexanische Algenöl. Beginnen Sie damit, das hexanische Algenöl in seinem Kolben mit 10 Volumina eines Gemischs aus zwei Teilen Methanol und einem Teil Dichlormethan zu lösen.

Fügen Sie als Nächstes einen Rührstab sowie zwei ganze zwei Drittel Teile Wasser im Vergleich zum Öl-Volumen hinzu und geben Sie eine Menge Kaliumhydroxid zu, die der Hälfte des Gewichts des Öls entspricht. Befestigen Sie nun den Kolben an einem 500 Millimeter langen Rückflusskühler. Erhitzen Sie das Gemisch unter Rühren drei Stunden lang auf 60 Grad Celsius in einem Abzug.

Nach dem Abkühlen der Reaktion entfernen Sie die organischen Lösungsmittel mittels Rotationsverdampfer. Danach geben Sie die verbleibende wässrige Mischung in ein einliteriges Trennfunnel und fügen ein äquivalentes Volumen Hexane hinzu. Spülen Sie das Reagenzglas mit den Hexanen aus, um sicherzustellen, dass sämtliches Material in das Funnel übergeht.

Schütteln Sie den Trichter und lassen Sie die Phasen sich absetzen. Danach leiten Sie die untere wässrige Phase in einen Kolben ab und gießen die obere organische Phase in einen zweiten Kolben ab. Bewahren Sie beide Phasen auf.

Wiederholen Sie die Hexan-Extraktion, bis die organische Phase ein blasses Gelbgrün aufweist. Anschließend vereinigen Sie die gesammelten organischen Extrakte und kondensieren sie mittels Rotationsverdampfer, um die neutralen Lipide zu isolieren. Diese Lipide erscheinen als grünlicher Feststoff und haben einen Schmelzpunkt zwischen 60 und 70 Grad Celsius.

Anschließend wird die wässrige Phase mit sechsmolarer Salzsäure auf einen pH-Wert von zwei angesäuert. Danach werden die freien Fettsäuren aus der angesäuerten wässrigen Phase wie zuvor mit Hexan und einem Trenntrichter extrahiert. Abschließend wird das Hexan aus den vereinigten organischen Extrakten mit einem Rotationsverdampfer entfernt, um gereinigte freie Fettsäuren zu erhalten.

Ein dunkelgrüner, nahezu schwarzer öligter Rückstand, der knapp über 30 Grad Celsius schmilzt. Lösen Sie die Fettsäuren mit sechs Volumina Methanol-Chloroform auf und gießen Sie die Lösung in einen druckfesten Reaktionskolben mit dickem Boden und einem Rührstab, wobei Sie mit Spülmittel nachspülen, um sicherzustellen, dass alle Fettsäuren in den Reaktionskolben überführt werden. Fügen Sie anschließend unter einem Abzug konzentrierte Schwefelsäure hinzu.

Verschließen Sie den Kolben und erhitzen Sie die Mischung unter Rühren eine Stunde lang auf 90 Grad Celsius. Nach dem Abkühlen der Reaktion auf Raumtemperatur gießen Sie sie in ein Trennfunnel und geben zwei Volumina Wasser hinzu. Schütteln Sie nun das Trennfunnel, lassen Sie die Phasen separieren und lassen Sie die untere Schicht in einen vorher gewogenen Rundkolben ablaufen.

Anschließend wird die Lösung am Rotationsverdampfer eingeengt und die Masse des resultierenden Biodiesels aufgezeichnet; die Substanz kann nun mittels Gaschromatographie analysiert werden. Neutrale Lipide können vom Rundkolbenboden abgekratzt, gewogen und zur Reinigung in einen Kolben überführt werden. Beginnen Sie damit, die neutralen Lipide in einer minimalen Menge Dichlormethan zu lösen.

Danach leiten Sie die Lösung auf eine Chromatographiesäule, die 100 Gramm Kieselgel enthält. Anschließend verdünnen Sie die Lösung mithilfe eines leichten Unterdrucks mit etwa 150 Milliliter Dichlormethan durch das Kieselgel. Eine dünne Sandschicht wird oben auf die Säule gegeben, um zu verhindern, dass das Kieselgel beim Befüllen mit Lösungsmittel verdrückt wird.

Sammeln Sie das Yelia Wint in einem 250-Milliliter-Rundkolben. Anschließend entfernen Sie das Dichlormethan mit einem Rotationsverdampfer. Das Ergebnis sollte ein orange gefärbter Feststoff sein.

Rekristallisieren Sie die Feststoffe in siedendem Hexan. Geben Sie zunächst 100 Milliliter zu und fügen Sie dann weiteres siedendes Hexan hinzu, bis die Lösung homogen ist. Kühlen Sie die Lösung nun langsam auf Raumtemperatur ab, um die Kristallisation zu fördern, und sammeln Sie die kristallisierten Alkenone mithilfe einer Filtrationsapparatur.

Verwenden Sie eine kleine Menge eiskaltes Hexan, um das Kolben auszuspülen. Vor der Verarbeitung wurde die Isochrysis-Paste zunächst getrocknet, um ein schwarzes, grünes, flockiges Material mit einem geruchsintensiven, algenähnlichen Geruch zu erhalten. Im Gegensatz dazu war das pulverisierte Isochrysis ein gelbbraunes, fein gemahlenes Trockenpulver, das ohne weitere Verarbeitung verwendet wurde.

Die Extraktion aus beiden Materialien mittels Soxhlet mit Hexanen ergab Algenöle, deren Ausbeute aus der Paste deutlich höher war als aus dem Pulver. Acylglycerole im Algenöl wurden in wasserlösliche Carboxylate umgewandelt, aus denen neutrale Lipide und freie Fettsäuren nahezu quantitativ aus beiden Ausgangsmaterialien extrahiert wurden. Das Verhältnis der Produkte war jedoch unterschiedlich.

Die Veresterung ergab Fettsäuremethylester. Auch bekannt als Biodiesel, eine dunkelgrüne, nahezu schwarze ölige Flüssigkeit. Die Ausbeute überstieg 90 %. Das Produkt wurde gemäß dem im Text beschriebenen Protokoll entfärbt.

Die FAME-Analyse der gereinigten Biodieselkraftstoffe zeigte ähnliche, jedoch nicht identische Profile der beiden Ausgangsmaterialien. Durch Filtration der gelösten neutralen Lipide über Kieselgel mit DCM erhält man einen rötlich-orangenfarbenen Feststoff, der mit Hexanen umkristallisiert und zu analytisch reinen Alkenonen weiterverarbeitet wird. Nach Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man kommerziell erhältliches Isochrysis zu Biodiesel verarbeitet und dabei reine Alkenone als Nebenprodukt isoliert.

Wenn man diese Technik einmal beherrscht, können damit regelmäßig größere Mengen Algen-Biodiesel und Alkenone für weitere Untersuchungen gewonnen werden. Durch ihre Entwicklung hat diese Methode uns den Weg geebnet, die Kraftstoffeigenschaften von Algen-Biodiesel kritisch zu untersuchen, indem sie ausreichende Mengen bereitstellt, um verschiedene Kraftstoffprüfungen durchzuführen, anstatt auf Vorhersagen oder Simulationen angewiesen zu sein. Vergessen Sie nicht, dass das Arbeiten mit starken Säuren oder Basen sowie das Erhitzen von Inhalten in einem verschlossenen Gefäß äußerst gefährlich sein kann.

Tragen Sie beim Durchführen dieser Schritte stets geeignete persönliche Schutzausrüstung und arbeiten Sie in einem Abzug.