A two-dimensional gas chromatography-time-of-flight mass spectrometry method is described for characterization of the aqueous fraction of bio-crude produced from hydrothermal liquefaction of algae. This protocol can also be employed to analyze the aqueous fraction of liquid products from fast pyrolysis, catalytic fast pyrolysis, catalytic deoxygenation and hydro-treating.
비행 시간 형 질량 분광 분석으로 결합 이차원 기체 크로마토 식별하고 복잡한 혼합물의 화학 성분을 정량화하기위한 강력한 도구이다. 종종 가솔린, 제트 연료, 디젤, 바이오 디젤, 바이오 – 조 / 바이오 오일, 유기 분획을 분석하기 위해 사용된다. 이러한 분석의 대부분에서, 제 1 분리 차원 극성 분리 한 후, 비극성이다. 바이오 연료 생산에서 바이오 원유 및 기타 수성 샘플의 수성 분획 유사한 열 조합으로 조사되었다. 그러나, 이러한 유도체 화, 용매 추출, 및 고체상 추출 등의 시료 전처리 기술이 필요했다 분석에 앞서. 본 연구에서는 조류의 열수 액화 얻은 수성 분획을이어서 제 차원 극성 분리하여 이전 샘플 제조 기술없이 비행 시간 형 질량 분광 분석으로 결합 이차원 기체 크로마토 그래피에 의해 특징했다두 번째의 비극성 분리에 의해. 이 분석에서 이차원 플롯 전통적인 열 구성에서 수득 된 것과 비교 하였다. 조류 바이오 원유의 수성 분수의 질적 특성의 결과가 자세히 설명되어 있습니다. 비행 시간 형 질량 분광 분석으로 결합 이차원 가스 크로마토 수성 샘플 유기물 특성화 비극성 분리 하였다 극성 분리를 사용하는 장점이 강조된다.
액체 연료, 유한 한 화석 연료 자원, 화석 연료 공급의 불확실성 및 대기 중 온실 가스의 농도 증가 우려에 대한 수요가 꾸준히 증가 재생 자원에 대한 글로벌 한 인식이 증가하고있다. 태양 광, 풍력 에너지, 수력, 지열 (태양 광 및 태양열 포함) 에너지, 바이오 매스는 잠재적으로 화석에서 파생 된 에너지 (2)를 대체 할 수있는 기본 재생 에너지 원이다. 이들 바이오 매스 액체 수송 연료 및 고가의 화학 물질 3 제조에만 탄소 계 대체 에너지 원이다. 바이오 매스는 산림 자원, 농업 잔류 물, 조류, 종자, 도시 고형 폐기물 및 탄소가 풍부한 산업 폐기물로 유기 물질을 포함한다 (예, 펄프 및 제지 산업이나 식품 가공) 1. COM을 기반으로 리그 노 셀룰로오스 및 비 목질 원료 : 바이오 매스는 크게 두 가지 범주로 분류된다위치 특성. 비 목질 원료는 단백질, 탄수화물 및 지질 / 오일 4있는 동안 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스는 탄수화물과 리그닌으로 구성되어 있습니다. 지속 재배 및 5,6 수확 경우 육상 식물에서 파생 된 리그 노 셀룰로오스 원료는, 단지 현재의 액체 연료 (가솔린, 제트 연료, 디젤) 수요의 30 %를 만족시킬 수 있습니다. 재생 액체 연료의 제조 따라서, 이러한 미세 조류 및 곰팡이와 같은 비 – 목질 수생 미생물, 고려 전위 공급 원료 목질 자원을 보완한다.
미세 조류 원료 전류 액체 수송 연료가 7,8 요구 만족시킬 가능성이있다. 조류는 많은 장점을 가지고 : 높은 면적 생산성 (8), 낮은 품질, 맛 없은, 또는 바다 물 (9), 에너지 밀도가 중성 지방 또는 탄화수소 7, 8을 축적 할 수있는 능력에서 성장 할 수있는 능력. 열수 액화 (HTL)는 실용적이고 확장 성이 공동자연 조류 나 수중 원료 10, 11과 관련된 물을 이용하여 n 버전 프로세스입니다. 이는 연료 블렌드 재고로 업그레이드 할 수 액상 제품 또는 바이오 원유 생산 10-25 MPa로 250-400 ℃로 운영 압력 작동 온도와 열 화학적 공정이다. 바이오 원유 조류의 HTL에서 생산은 구별 쉽게 분리 유기 및 수성 분수가있다. 바이오 미정 유기 분획을 효율적으로 촉매 하이드로 처리 공정 (11)을 통해 정제 준비 블렌드 재고로 전환시킬 수있다. 바이오 원유의 수성 분획 ~ 조류 원료의 전체 존재하는 탄소의 30 %가 포함되어 있습니다. 화합물 수천 HTL 수성 스트림에서 식별되었지만, 주된 분획 탄수화물 및 지질 및 피롤을 포함 질소 헤테로 (피리딘의 분해에 의해 형성 (지방산, 알콜, 케톤, 알데히드 류를 포함), 저 분자량 네이트 이루어져 , 피라진단백질 분해 (12)로부터 유래 된 말이지, 및 이미 다졸). 수성 전체 공정의 경제성을 개선하기위한 부분뿐만 아니라 지속 가능성을 활용에 대한 연구가 진행 중이다. 합성 가스는 촉매 수열 가스화 10,13, 14 통해 조류 바이오 미정 수성 분획으로부터 제조 될 수있다. 다르게는, 수성 분획 유기물은 촉매 연료 첨가제 및 특수 화학 제품으로 전환 될 수있다. 수성 액상 유기물의 변환 촉매 열수 가스화 및 촉매 스크리닝 연구를 최적화에 대한 연구는 퍼시픽 노스 웨스트 국립 연구소 (PNNL)에서 현재 진행 중입니다. 이 작품, 질적뿐만 아니라 조류 바이오 원유의 수성 부분의 양적 특성이 필요합니다. 조류 바이오 미정 수성 분획을 폐기 스트림을 고려하기 때문에, 조류 바이오 조 (13, 15)의 수성 분획을 분석 한 소수의 연구가있다. 또한, 최근연구는 고 부가가치 바이오 제품에이 HTL 조류 물을 변환하는 HTL 기반의 바이오 정유 (11)의 지속 가능성과 경제성을 향상시킬 것이라고 결론을 내렸다. 따라서, 본 연구에서는 (GC-TOF-MS × GC) 비행 시간 형 질량 분광 분석으로 결합 이차원 가스 크로마토 조류 HTL로부터 얻은 바이오 미정 수성 분획 질적 특성화 방법 개발에 초점을 맞추었다.
GC-TOF-MS × GC는 (시료 또는 화학적 화합물의 분리)의 해상도를 증가시키는 가장 유망한 크로마토 그래피 분석 기술, 최대 용량 (해결 피크 예 번호) 화학 화합물을 식별하기위한 신호 대 잡음비 (인 ) 높은 자신감을 가지고, 화학 화합물 (16)의 공동 용출을 방지 할 수 있습니다. 해상도, 최대 용량 및 잡음비 신호대을 최대화하기 위해 상이한 고정상 두 GC 컬럼은 압입 C를 사용하여 직렬로 연결된onnector 또는 마이크로 유니온 (17) (본 연구에 사용 된 GC-TOF-MS × GC 시스템의 블록도도 1 참조). 변조기 집중할 트랩에 압입 커넥터와 보조 열 사이에 배치하고, 보조 열 (18)에 차 컬럼으로부터 유출 물을 다시 분사된다. 도 1에 도시 된 바와 같이 변조는 본 연구에서 보조 열을 발생한다. 보조 열은 다음 전송 라인 조립체를 통해 TOF-MS에 연결된다.
GC-TOF-MS × GC는 원유 16, 19, 가솔린, 제트 연료, 디젤, 바이오 디젤, 바이오 연료, 유기 분획 질적으로뿐만 아니라 유기 샘플의 정량 분석을 위해 이전에 사용 된 20- 열 화학 물질뿐만 아니라 열 촉매 변환에서 생산 (22)는 23, 24를 처리합니다. GC-TOF-MS 장비, 긴 비극성 열 w × GC에서 이러한 유기 샘플의 특성화단 극성 열 보조 열로서 사용하면서, 차 컬럼으로 사용되는. 종래 열 구성 번째 차원 18 극성이어서 제 차원 이상의 휘발성의 차이에 기초한 화학적 화합물을 해결한다. 준비 17,25-30 단계를 통해 시료가 된 후 생물학적 과정, 식품 가공, 환경 폐기물에서 수성 또는 물 샘플 유사한 주 / 보조 열 구성을 사용하는 것을 특징으로 하였다. 이러한 유도체 화, 고체상 추출하고, 유기 용매 추출 등의 시료 전처리 기술은 모든 GC-TOF-MS 분석 17,27-29,31,32 × (GC)에 종래 이용되어왔다. 이들 기술은 종래의 열 (33)을 구성하여 분석 시료 화합물의 극성을 감소시키는 목적으로 하였다. 다른 전략이 샘플의 특성에 기초하여이 연구에 사용 하였다 (여기에서 물 극성 유기 화합물)GC-TOF-MS 분석을위한 GC × 역방향 주 / 보조 열 구성을 이용. 바이오 조 HTL로부터 제조의 수성 분획 때문에 극성 화합물 (13)을 가지며, 주 극성 칼럼 및 2 비극성 열의 열 조합은 상류 시료 전처리없이 GC-TOF-MS × GC에 사용 하였다. 이 주 / 보조 열 조합은 두 번째 차원에서 변동성 다음에 첫 번째 차원을 통해 극성의 차이에 따라 화학 물질을 해결합니다. 한정 분석 방법은 종래의 샘플 (15)없이 처리 이차원 가스 크로마토 그래피를 이용하여 수성 샘플 특성화 문헌에 존재한다.
이 연구의 목적은 조류 바이오 원유의 수성 부분에 존재하는 화학 물질을 확인하는 것이 었습니다. 이 목표, GC-TOF-MS 데이터 수집 방법 × GC를 달성하기 위해 열 극성 열의 조합 (프림 개발되었다워)) 비극성 (보조 ×. Klenn 등은. (2015)는 기본 항목에 대하여 차 컬럼 (특히 60m GC 컬럼) 및 보조 칼럼의 오프셋 온도 저하의 길이를 증가 시키면 피크 용량 해상도 16-18을 최대화한다고 제안했다. 따라서, 60m 차 칼럼 5 ° C는 본 연구에서 사용 된 주요 항목에 대하여 보조 칼럼의 온도 오프셋. 최적의 변조 기간이 연구에 기술 된 프로토콜에 따라 측정 하였다 (섹션 4 참조). GC 칼럼 온도의 최적의 램프 속도는 시행 착오 법에 의해 결정되고 문헌 16-18에 제시된 값과 비슷 하였다. 수성 샘플이 열 조합의 장점을 설명하기 위해, 우리는 극성 비극성 × 종래 열 조합 HTL 조류 물 샘플을 분석 하였다. 문헌에서 제안 된 동작 파라미터는 수성을 분석에 이용 하였다비극성 × 극성 열 조합 (18)와 조류 바이오 원유의 비율.
1. 샘플 준비
2. 악기 구성 요소
3. 프로토콜 샘플을 분석하기 전에
변조기의 최적 변조 기간을 결정 4. 프로토콜
장비 셋업 5. 실험 매개 변수
6. 데이터 분석
결과는 명확 전에 시료 전처리 기술없이 조류 바이오 미정 수성 분획에 존재 극성 화합물 및 광 휘발를 해결 극성 × 비극성의 열 결합 능력을 나타낸다. 급격한 피크 테일링 유기산 및 N-화합물 비극성 × 극성 열의 조합을 사용하는 동안 관찰되었다. 이 피크 테일링은 초기 용출 빛 유기물에 대한 관찰되지 않았다. 장비를 확인하는 것은 (TOF-MS에서 진공 1.5 ml의 분 -1 GC 캐리어 가스 유량 2.7 × 10-5 아빠 아래에 있었다) 누출이없는 경우이 문제가 재현되고있다. 꽉 눌러 커넥터 또는 데드 볼륨 경우에 문제가 발생했을 경우 동작은 크로마토 그램에 걸쳐 관찰 될 것이라는 냉 분사 유량이 과잉이 될 것으로 예상된다. 그러나 (그림에서 식별되지 않음)도 늦게 용출 화합물은 꼬리하지 않습니다. 그러므로, 우리는이 aque의 결과라고 결론OU에 샘플 주입 / 열 구성 조합입니다.
분할 비율은 분할 흐름 손실 양 대 열 입력 샘플의 부피이다. 컬럼으로 도입 된 샘플의 양은 작은 분할 비율이 높을. 일반적으로이 피크 용량을 향상시킬 것보다 효율적으로 피크를 생산하고 있습니다. 샘플에 대한 적절한 분할 비율을 결정하는 화합물 검출 (분할 비율이 너무 높은)와 열 과부하 문제 (분할 비율이 너무 낮은) 또는 문제를 방지 할 수 있습니다. 따라서, 하나의 분할 비 : 250 열 로딩을 방지하기 위해 두 열 조합 GC-TOF-MS 데이터 수집 방법 × GC에 사용하고, 또한 최대 용량을 향상시킬 수있다.
식별 화학 화합물 비슷한 값 850-999의 범위이다. 이 화학 물질은 85 % 이상 신뢰로 식별하고 있음을 나타냅니다. 이것은 GC × GC 스펙트럼에서 400 / 초 MS 획득 레이트를 사용하여 달성 하였다211; TOF-MS 데이터 수집 방법. 스펙트럼을 400 / 초의 취득 레이트가 식별 한 화합물 (17)의 유사도 값을 증가 피크 신호 대 잡음비를 향상시킨다. 높은 유사도 값은 높은 신뢰도와 화학 화합물을 식별 할 수있게. 그러나, 긴 데이터 분석 시간이 높은 MS 취득율 결과. 따라서, 데이터 분석 시간을 단축 이들 샘플을 정량 스펙트럼 200 / 초 MS 획득 속도를 사용할 것을 권장한다.
극성 × 비극성 상기 보조 칼럼의 길이를 증가시킴으로써 개선 될 수 수성 조류 바이오 원유의 특성을 위해 개발 된 GC-TOF-MS 데이터 수집 방법 × GC. 보조 칼럼의 길이를 증가 시키면, 해상도는 샘플 (16, 17)에 존재하는 이성질체의 분리를 가능하게하는 초 차원 향상시킬 수있다. 최대 용량은 더욱 증가함에 따라 향상 될 수보조 컬럼의 길이. 이 논문 특징으로 HTL 조류의 물은 11 (탄소의 약 3 총 중량 %를 포함) 및 이상 보조 열을 필요로하지 않을 수 있습니다 희석 수 있습니다. 그러나이 권고는 복잡하고 농축 수용액 시료의 특성 중에 도움이 될 수 있습니다.
극성 열의 최대 프로그래밍 온도가 260 ℃이기 때문에,이 방법은 긴 사슬 지방산, 모노 글리세 라이드, 디 글리세 라이드, 트리글리 세라이드 및 아미노산 올리고머뿐만 아니라 당 16 개의 고비 점 화학 물질을 용출 없다. 이들 화합물을 함유하는 샘플을 분석 할 때, GC 인젝터 및 열 오염있다. GC 인젝터 및 열 오염 테일링, 화학 화합물의 체류 시간의 변화, 높은 소음 정성과 정량 특성화 바람직하지 않다 MS 검출기 낮은 신호 대 잡음비를 피크 리드. 따라서, utilizin 때g 적절한 품질 관리 방법을 사용한다 고비 점의 화학 화합물 분석을 포함하는 수성 샘플을 분석하는이 열 조합입니다.
조류 바이오 미정 수성 분획에서 식별 한 화합물은 다양한 애플리케이션을 갖는다. 피리딘, 피라진 및 이들의 알킬 유도체가 농약의 제조 중간체 화학 약품 (36, 37)이며, 널리 균질 촉매 (38, 39)에서 용매로서 사용된다. 마찬가지로, 숙신이 미드 유도체는 중합체 중간체, 세제 (40), 임상 약제 (41, 42), 연료 첨가제, 윤활유 첨가제 (40)를 포함하여 다양한 용도를 가지고있다. HTL 조류 물에 존재하는 유기산은 수성 상 (43)에서 쉽게 분리 케톤 또는 에스테르를 제조하는 촉매 공정에서 공급 원료로서 사용될 수있다.
일을 위해 개발 된 GC-TOF-MS 방법 × GC본 논문에서는 비극성 극성 ×의 전자 칼럼의 조합은 생물학적 과정, 식품 가공, 환경 폐기물 물 샘플을 분석하기 위해 사용될 수있다. 연구진은 유기 샘플 44-47의 특성이 열 조합을 사용했다. 지방족, 방향족 화합물, 알킬 벤젠 및 이핵 방향족 44-46 -이 칼럼의 조합은 탄화수소의 다른 클래스의 효과적인 분리에 가장 적합한 것으로 알려졌다. 따라서, 제 2 분리 차원 분리 비극성의 제 차원 극성 분리를 이용하여 두 수용액의 특성에 적합한 열 구성뿐만 아니라 바이오 조 매스 열수 액화로부터 생성 된 유기 분획 것이다.
The authors have nothing to disclose.
GC × GC–TOF/MS | Leco | PEG4D11DLN15 | Commercial Pegasus 4D |
ChromaTOF version 4.50 | Leco | Data analysis software | |
Rxi-5MS GC column | Restek | 13420 | 2.3 m column was used from this column. |
Stabilwax GC column | Restek | 10626 | |
HP-5 GC column | Agilent | 19091J-416 | |
Stabilwax GC column | Restek | 15121 | |
Presstight Connector | Restek | 20430 | |
GC injector liner | Restek | 23305.5 | |
GC Injector ferrules | Agilent | 5181-3323 | |
Non-stick liner O-rings | Agilent | 5188-5365 | |
Transfer line ferrules | Restek | 20212 | |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 459844 | Chromatography grade |
Acetone | Sigma-Aldrich | 414689 | Chromatography grade |
Acetic acid | Sigma-Aldrich | 320099 | Chromatography grade |
2-butanone | Sigma-Aldrich | 360473 | Chromatography grade |
Propanoic acid | Sigma-Aldrich | 402907 | Chromatography grade |
Butanoic acid | Sigma-Aldrich | 19215 | Chromatography grade |
Pyridine | Sigma-Aldrich | 270970 | Chromatography grade |
Pyrazine | Sigma-Aldrich | 65693 | Chromatography grade |
Acetamide | Sigma-Aldrich | 695122 | Chromatography grade |
2,5-pyrrolididione | Sigma-Aldrich | S9381 | Chromatography grade |
<em>N</em>-methylsuccinimide | Sigma-Aldrich | 325384 | Chromatography grade |
<em>N</em>-(2-hydroxyethyl)succinimide | Sigma-Aldrich | 444073 | Chromatography grade |