Kwalitatieve Karakterisering van de waterfractie van hydrothermale liquefactie van algen gebruiken 2D gaschromatografie met Time-of-flight massaspectrometrie

Samenvatting

Een tweedimensionale gaschromatografie-tijd-van-vlucht-massaspectrometrie methode wordt beschreven voor de karakterisering van de waterige fractie van bio-crude geproduceerd uit hydrothermale liquefactie van algen. Dit protocol kan ook worden gebruikt om de waterige fractie van vloeibare producten te analyseren van snelle pyrolyse, katalytische snelle pyrolyse, katalytische deoxygenatie en hydro-behandeling.

Samenvatting

Tweedimensionale gaschromatografie gekoppeld aan time-of-flight massaspectrometrie is een krachtig hulpmiddel voor het identificeren en kwantificeren van chemische componenten in complexe mengsels. Het wordt vaak gebruikt om benzine, kerosine, diesel, biodiesel en de organische fractie van bio-ruwe / bio-olie te analyseren. In de meeste van deze analyses, de eerste dimensie van scheiding niet-polaire, gevolgd door een polair scheiding. De waterige fracties van bio-ruwe olie en andere waterige monsters uit de productie van biobrandstoffen zijn onderzocht met gelijkaardige kolom combinaties. Echter, monstervoorbereiding technieken zoals derivatisatie, oplosmiddelextractie, en vaste-fase-extractie waren noodzakelijk voorafgaand aan de analyse. In deze studie, waterige fracties verkregen uit de hydrothermische vloeibaar algen werden gekenmerkt door tweedimensionale gaschromatografie gekoppeld aan time-of-flight massaspectrometrie zonder voorafgaande staalvoorbereidingstechnieken behulp van een polair scheiding in de eerste dimensie gevolgddoor een niet-polaire scheiding in de tweede. Tweedimensionale plots van deze analyse werden vergeleken met die verkregen uit de meer traditionele kolomconfiguratie. Resultaten van kwalitatieve karakterisering van de waterfractie van algen bio-ruwe worden besproken. De voordelen van een polaire scheiding gevolgd door een niet-polair scheiding ter karakterisering van organische stoffen in waterige monsters door tweedimensionale gaschromatografie gekoppeld aan time-of-flight massaspectrometrie worden gemarkeerd.

Inleiding

Gestage groei in de vraag naar vloeibare brandstoffen, eindige fossiele brandstoffen, de onzekerheid van de fossiele brandstoffen, en bezorgdheid over de toenemende concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer zijn wereldwijde bewustwording verhoogd voor hernieuwbare energiebronnen ^1. Zonne-energie (waaronder zonne-energie en zonne-thermische), windenergie, waterkracht, aardwarmte en biomassa zijn de primaire hernieuwbare bronnen die potentieel uit fossiele energie ² kunnen vervangen. Hiervan biomassa de enige koolstofhoudende alternatieve energiebron voor de productie van vloeibare transportbrandstoffen en hoogwaardige chemicaliën ^3. Biomassa omvat alle organisch materiaal zoals bossen, landbouw residuen, algen, oliehoudende zaden, vast stedelijk afval, en koolstof-rijke industrieel afval (bijvoorbeeld van de pulp- en papierindustrie of van voedselverwerking) ^1. Biomassa wordt ingedeeld in twee grote categorieën: lignocellulosische en niet-houtachtige grondstoffen op basis compositionele eigenschappen. Lignocellulose bestaat uit koolhydraten en lignine, terwijl niet-houtachtige grondstoffen hebben eiwitten, koolhydraten en vetten / oliën ^4. Lignocellulose grondstoffen, afkomstig van landplanten, kan alleen aan 30% van de huidige vloeibare brandstof (benzine, kerosine en diesel) de vraag of duurzaam geteeld en geoogst ^5,6. Vandaar niet-houtachtige levende micro-organismen, zoals algen en schimmels, worden beschouwd als potentiële grondstoffen voor de productie van duurzame vloeibare brandstoffen lignocellulosische middelen vullen.

Microalgen grondstoffen hebben het potentieel om te voldoen aan de huidige vloeibare transportbrandstoffen te eisen ^7,8. Algen hebben vele voordelen: hoge productiviteit areal ^8, het vermogen om te groeien in lage kwaliteit, brak of zeewater ^9, en de mogelijkheid om energierijke triglyceriden of koolwaterstoffen ^7,8 accumuleren. Hydrothermale liquefactie (HTL) is een levensvatbare en schaalbaar conVersie proces dat water op natuurlijke wijze geassocieerd met algen of aquatische grondstoffen ^10,11 gebruikt. Het is een thermo-chemische proces bedrijfstemperaturen van 250-400 ° C en werkdrukken van 10-25 MPa waarbij een vloeibaar product, of bio-ruwe olie, die kan worden uitgebreid tot een brandstofmengsel voorraad produceert. Bio-ruwe olie geproduceerd uit algen HTL heeft onderscheiden en eenvoudig te scheiden organische en waterige fracties. De organische fractie van bio-ruwe efficiënt worden omgezet in een raffinaderij klaar gemengde voorraad via katalytische hydro-behandeling ¹¹ processen. De waterfractie van bio-ruwe bevat ~ 30% van de totale koolstof in de grondstof algen. Hoewel duizenden verbindingen zijn geïdentificeerd in de HTL waterige stroom, de belangrijkste fracties uit lichtgewicht oxygenaten molecuulgewicht (waaronder zuren, alcoholen, ketonen en aldehyden) gevormd door de afbraak van koolhydraten en vetten en stikstof heterocyclische verbindingen (zoals pyrrolen, pyridinen , pyrazinees, en imidazolen), afkomstig van eiwitafbraak ^12. Studies over het gebruik van de waterige fractie totale proces economie verbeteren en duurzaamheid zijn gaande. Synthesegas kan worden geproduceerd uit de waterige fractie algen bio-ruwe via katalytische vergassing hydrothermische ^{10,13, 14.} Als alternatief, organische stoffen in de waterige fractie kan ook worden katalytisch omgezet in brandstof additieven en specialistische chemicaliën. Onderzoek op het optimaliseren van katalytische hydrothermale vergassing en katalysator screening studies voor het omzetten van organische stoffen in de waterige vloeistof fase is momenteel aan de gang in het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Voor dit werk, zowel kwalitatieve als kwantitatieve karakterisering van de waterfractie algen bio-ruwe vereist. Aangezien de waterfractie algen bio-ruwe product wordt beschouwd als een afvalstroom, er weinig studies die de waterfractie algen bio-ruwe ^13,15 geanalyseerd. Voorts blijkt uit recentestudies concludeerden dat het omzetten van deze HTL algen water in hoogwaardige bio-producten van de duurzaamheid, evenals de economie van een HTL-gebaseerde bio-raffinaderij ¹¹ zou verbeteren. Daarom is deze studie gericht op het ontwikkelen van een methode voor kwalitatieve karakterisering van de waterfractie van bio-ruwe verkregen HTL algen door tweedimensionale gaschromatografie gekoppeld aan time-of-flight massaspectrometrie (GC × GC-TOF-MS).

GC × GC-TOF-MS is de meest veelbelovende chromatografische analytische techniek resolutie (of scheiden van chemische verbindingen in een monster) te verhogen, piekvermogen (dwz het aantal gescheiden pieken), signaal-ruisverhouding (voor de identificatie van chemische verbindingen met hoge betrouwbaarheid) en co-elutie van chemische verbindingen ¹⁶ te voorkomen. Om de resolutie, piekvermogen, en signaal-ruisverhouding te maximaliseren, zijn twee GC-kolommen met verschillende stationaire fasen in serie geschakeld met behulp van een press-fit connector of micro-eenheid ¹⁷ (zie figuur 1 waarin een blokschema van GC × GC-TOF-MS systeem gebruikt in deze studie). Een modulator ligt tussen de press-fit connector en secundaire kolommen te vangen, te heroriënteren, en opnieuw injecteren van de mest uit de eerste kolom in de secundaire kolom ^18. Modulatie treedt op de secundaire kolom in deze studie zie figuur 1. De secundaire kolom wordt dan op de TOF-MS via een overdrachtsleiding samenstel.

GC × GC-TOF-MS werd vroeger gebruikt voor zowel kwalitatieve als kwantitatieve analyse van biologische monsters zoals ruwe olie ^16,19, benzine, jet-brandstof, diesel, bio-diesel, en de organische fractie van bio-brandstof ^{20- 22} geproduceerd thermochemische en thermo-katalytische omzetting processen ^23,24. Voor karakterisering van deze biologische monsters GC × GC-TOF-MS instrumenten, lange apolaire kolom wzoals gebruikt als de primaire kolom, terwijl een korte polaire kolom werd gebruikt als secundaire kolom. Deze conventionele kolomconfiguratie lost chemische verbindingen op basis van verschillen in vluchtigheid in de eerste dimensie, gevolgd door de polariteit in de tweede dimensie ^18. Waterige of water monsters van biologische processen, voedselverwerkende industrie, en milieu-afval werden ook gekenmerkt met vergelijkbare primaire / secundaire kolom configuraties nadat het monster was geweest door middel van de voorbereiding stappen ^17,25-30. Monstervoorbereiding technieken zoals derivatisatie, vaste-fase-extractie, en organische extractie-oplosmiddel zijn allemaal gebruikt Voordat de GC × GC-TOF-MS analyse ^{17,27-29,31,32.} Deze technieken waren gericht op de polariteit van verbindingen in het te analyseren monster met een gebruikelijke kolomconfiguratie ^33. Een alternatieve strategie werd in deze studie op basis van de aard van het monster (hier polaire organische verbindingen in water)gebruik te maken van het omgekeerde secundaire configuratie primaire / kolom voor GC × GC-TOF-MS analyse. Aangezien de waterfractie van biologisch geproduceerde ruwe HTL polaire verbindingen ^13, een kolom combinatie van een primaire polaire kolom en secundaire niet-polaire kolom werd gebruikt in de GC × GC-TOF-MS zonder upstream monstervoorbereiding. Deze primaire / combinatie secundaire kolom lost chemische verbindingen op basis van verschillen in de polariteit over de eerste dimensie, gevolgd door de volatiliteit in de tweede dimensie. Beperkt analysemethoden bestaan ​​in de literatuur voor de karakterisering van waterige monsters met behulp van tweedimensionale gaschromatografie zonder voorafgaande monster verwerking ^15.

Het doel van deze studie was om de chemische verbindingen in de waterfractie algen bio-ruwe bepalen. Om dit doel, een GC × GC-TOF-MS data-acquisitie-methode te bereiken werd ontwikkeld met een kolom combinatie van polaire kolom (primAry) × niet-polaire (secundaire). Klenn et al. (2015) gesuggereerd dat het verhogen van de lengte van de eerste kolom (60 m vooral GC kolommen) en het verlagen van de temperatuur compensatie van de secundaire kolom met betrekking tot de primaire kolom piekvermogen en oplossing ^16-18 zou maximaliseren. Daarom is een 60 m kolom primaire en 5 ° C offset temperatuur van de secundaire kolom ten opzichte van de eerste kolom werden gebruikt in deze studie. De optimale modulatie periode werd vastgesteld naar aanleiding van een protocol beschreven in deze studie (zie hoofdstuk 4). De optimale toenamesnelheid GC kolomtemperatuur werd bepaald door een proefondervindelijke methode en is vergelijkbaar met de waarde in de literatuur ^16-18 voorgesteld. De voordelen van deze kolom combinatie voor waterige monsters bespreken wij HTL algen watermonsters geanalyseerd met conventionele kolom combinatie van niet-polaire × polair. Operationele parameters in de literatuur aangehaald werden gebruikt voor de analyse van waterigefractie van algen bio-ruwe olie met een niet-polair × polaire kolom ¹⁸ combinatie.

Protocol

1. Monstervoorbereiding

1. Genereer een gemengd waterig / organisch productstroom via continue stroom HTL algen volgens het reactorontwerp en experimentele procedure uit de literatuur ^10,11.
2. Gebruik zwaartekracht separator de productstroom te scheiden in een waterige fase en organische fase.
3. Filter 10 ml van het LKP waterige fase met behulp van een 0,45 pm spuitfilter en bewaar in de koelkast voor GC × GC-TOF-MS analyse gehandhaafd op 4 ° C.

2. Instrument Components

1. Gebruik een gaschromatograaf (GC) uitgerust met een quad-jet tweetraps-koeling op basis van modulator en time-of-flight (TOF) massaspectrometer (MS) voor deze experimenten.
2. Configureren autosampler tot 1 pl van elk monster of standaard in de GC geïnjecteerd. Gebruik een willekeurig blokontwerp van monster en standaard injecties voor de autosampler sequentie zoals beschreven in de literatuur ^13. de randomized blokontwerp wordt vaak gebruikt in kwantitatieve studies te controleren voor gebruik instrument. Ons laboratorium maakt gebruik van het ontwerp routinematig zelfs in vergelijkende studies om het apparaat in werking te controleren.
3. Sluit de primaire en secundaire kolom met behulp van een pers-tight connector voor de modulator. Zorg ervoor dat beide randen van zowel primaire als secundaire kolommen recht worden afgesneden, zonder scherpe randen voordat u aan de pers-tight connector.
4. Leg ring op de GC-kolom en sluit vervolgens de primaire kolom aan de GC injector zodat de 5 mm van de kolom in de injector.
5. Zorg ervoor dat de glazen voering, non-stick liner O-ring en septa voor GC injector zijn nieuw en vrij van verontreiniging.
6. Gebruik 1/16 x 0,5 mm ID transportleiding adereindhulzen naar de secundaire kolom en de overdracht aan te sluiten. Plaats een 0,2 m deel van de secundaire kolom in de transportleiding.
7. Zorgen dat een 0,1 m gedeelte van de secundaire kolom in de modulator.
8. Gebruik ultrahoge zuiverheid heliumgas als dragergas voor GC met een stroomsnelheid van 1,5 ml min ^-1.
9. Zorg dat er voldoende vloeibare stikstof in het Dewar die als koelmiddel in de modulator. Het niveau van de vloeibare stikstof in het Dewar kunnen worden voorspeld met behulp van een drukmeter aangesloten op de uitlaat. Een 69 kPa lezing van de manometer het Dewar vol, terwijl 0 kPa aangeeft dat het leeg is.

3. Protocollen Voor het analyseren van monsters

1. Zorg ervoor dat er geen grote lekken in het instrument. Als de vacuümmeter lezing van de TOF-MS hoger is dan 2,7 x 10 ^-5 Pa gedurende 1,5 ml min ^-1 GC-kolom stroomsnelheid, duidt dit op een groot lek in het systeem.
2. Set-up van de kwaliteitscontrole (QC) methode en run ingebouwde protocol 'acquisitie systeem aanpassingen "om een ​​maximale signaal respons te bereiken met behulp van het protocol van de fabrikant.
3. Run ingebouwde protocollen van QC methode 'instrument optimalisatie', in serie - Filament focus, ion optische focus en massa kalibratie testen met behulp van het protocol van de fabrikant. Zorg ervoor dat de massa kalibratietest passeert. Deze QC methode garandeert dat alle hardware parameters van het instrument op het optimale niveau.
4. Voer een 'lek check "met behulp van het protocol van de fabrikant. Analyseer genereert automatisch lek controlerapport. Waarborgen dat de relatieve concentratie van 28 (N _2), 32 (O ₂₎ en 18 (vocht) ionen moet minder dan 10%, 3% en 5% van de interne standaard massaspectra van 69 ion, respectievelijk.
5. Stem de TOF-MS met behulp van het protocol van de fabrikant.
6. Run kwaliteitscontrole methode evenals TOF-MS tune protocol voor en na de lektest en ook tijdens het analyseren van monsters en standaarden.

4. Protocol bij de Optimum Modulatie periode Modulator Bepaal

1. Selecteert willekeurig een lange modulatie periode (bijvoorbeeld 10 sec of 13 sec). Injecteren van een monster zoals beschreven in 2.2.
2. Identificeer de verblijftijd in de tweede dimensie van de contour plot, waarna geen pieken elueert. Selecteer geïdentificeerde tweede dimensie retentietijd als optimale modulatie periode. In figuur 2 duidelijk te helderen de identificatie van de verblijftijd in de tweede dimensie van de contour plot.
3. Verhoog de ​​modulatie periode gebruikt in stap 4.1 en de analyse opnieuw als "wrap around" wordt waargenomen ¹⁸ uit te voeren. Afgeschermde fenomeen treedt op als de pieken in de tweede dimensie elueert onder de basislijn van de eerste dimensie. Voorbeeld contour plot voor 'wraparound' wordt weergegeven in aanvullende informatie figuur 3.
4. Herhaal de stappen 4,2 en 4,3 tot optimale waarde wordt bepaald.

5. Experimentele Parameters van Instrument Set-up

1. Installeer een polair (60 x 0,25 mm x 0,5 urn filmdikte) capillaire kolom als primaire kolom en een niet-polaire (2,3 x 0,25 mm x 0,5 urn filmdikte) capillary kolom als secundaire kolom. Bak zowel de primaire en secundaire kolom voor ten minste 2 uur om sporen van vocht, lucht en verontreinigingen in verband met nieuwe GC kolommen te verwijderen.
2. Gebruik ultrahoge zuiverheid heliumgas als draaggas voor GC met een stroomsnelheid van 1,5 ml min ^-1.
3. Stel de GC injector tot een temperatuur van 260 ° C en een splitsingsverhouding van 1: 250.
4. Gebruik van de volgende temperatuurprogramma voor de primaire kolom: een constante temperatuur van 40 ° C gedurende 0,2 min gevolgd door een temperatuurstijging tot 260 ° C bij 5 ° C ^-1 min, gevolgd door een constante temperatuur van 260 ° C gedurende 5 minuten.
5. Handhaaf de modulator temperatuur 5 ° C hoger dan die van de secundaire kolommen en de secundaire kolomtemperatuur bij 5 ° C hoger dan die van de eerste kolom.
6. Gebruik een optimale modulatie periode van 4 sec met 0,8 sec van hot pols en 1,2 sec koud puls. Deze waarde wordt bepaald op basis van de in par beschreven protocolion 4.
7. Stel overdracht lijn temperatuur tot 270 ° C.
8. Stel de overname vertraging of oplosmiddel vertraging van 0 sec.
9. Stel de lagere en hogere bereik van m / z als 35 en 800, respectievelijk.
10. Stel de MS detector overname snelheid 400 spectra / sec.
11. Handhaving van de MS-detector spanning bij 150 V hoger dan de optimale waarde.
12. Handhaving van de MS ionenbron temperatuur op 225 ° C.

6. Data Analysis

1. Voer gegevensverwerking met behulp van de door de fabrikant van het instrument meegeleverde software.
2. Selecteer de volgende taken in de data-analyse methode - Compute basislijn, vind pieken boven de basislijn, bibliotheek zoeken en te berekenen zijn / hoogte.
3. Volg de basislijn door het gegevensbestand. Voer basislijn 0,5.
   Voer verwachte piekbreedte van 15 seconden in de eerste dimensie en 0,15 sec in de tweede dimensie.
4. Set signaal-ruisverhouding als 5000 en overeenkomstwaarden van> 850 voor identicatie van verbindingen.
5. Selecteer een commercieel verkrijgbaar massaspectrale bibliotheek van chemische verbindingen die aanwezig zijn in monsters te identificeren en stel de bibliotheek zoekmodus doorsturen.
6. Verwerken gegevensbestanden gebruikt deze informatie analysemethode gebruikt protocol van de fabrikant. Het vereist ten minste 1 uur tot een gegevensbestand te verwerken.

Resultaten

Een totaal ionenchromatogram (TIC) verkregen voor de waterfractie algen bio-ruwe geanalyseerd met een kolom combinatie van polaire x apolair is weergegeven in figuur 4. De retentietijden en soortgelijkheid of matchfactor waarden bestanddelen wordt geïdentificeerd door te zoeken tegen een nationale Institute of Standards and Technology (NIST) bibliotheek zijn in tabel 1. oxygenaten (zoals cyclopenatanone, furanic verbindingen en dianhydromannitol) en orga...

Discussie

Resultaten illustreren duidelijk het vermogen van de kolom combinatie van polaire x apolaire tot polaire verbindingen en licht vluchtige stoffen aanwezig in de waterige fractie algen bio-ruwe zonder voorafgaande monstervoorbereidingstechnieken lossen. Drastische piek tailing werd waargenomen voor organische zuren en N-verbindingen tijdens het gebruik van de niet-polaire × combinatie polaire kolom. Deze piek tailing werd niet waargenomen voor de vroege eluerende licht organische stoffen. Dit gedrag is reproduceerbaar is ...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
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 kolom werd gebruikt van deze kolom.
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	Chromatografie kwaliteit
Acetone	Sigma-Aldrich	414689	Chromatografie kwaliteit
Azijnzuur	Sigma-Aldrich	320099	Chromatografie kwaliteit
2-butanon	Sigma-Aldrich	360473	Chromatografie kwaliteit
Propaanzuur	Sigma-Aldrich	402907	Chromatografie kwaliteit
Boterzuur	Sigma-Aldrich	19215	Chromatografie kwaliteit
Pyridien	Sigma-Aldrich	270970	Chromatografie kwaliteit
Pyrazin	Sigma-Aldrich	65693	Chromatografie kwaliteit
Acetamide	Sigma-Aldrich	695122	Chromatografie kwaliteit
2,5-pyrrolididion	Sigma-Aldrich	S9381	Chromatografie kwaliteit
N-methylsuccinimide	Sigma-Aldrich	325384	Chromatografie kwaliteit
N-(2-hydroxyethyl)succinimide	Sigma-Aldrich	444073	Chromatografie kwaliteit