Experimenteel protocol voor de productie van biodiesel met Isolatie van Alkenones als coproducten van Commercial

Het algemene doel van deze procedure is het produceren van biodiesel uit commercieel verkrijgbare Isochyrsis-algen, waarbij tegelijkertijd lange-keten alkenonen als waardevol coproduct kunnen worden geïsoleerd. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in het veld van hernieuwbare energie, zoals of algenbiobrandstoffen levensvatbare alternatieven zijn voor brandstoffen op basis van aardolie.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de algen die we gebruiken al industrieel worden gekweekt en in hoeveelheden van meerdere kilogramen bij diverse commerciële leveranciers kunnen worden gekocht. Bovendien biosynthetiseren deze specifieke algen een unieke set lipiden, bekend als langketen-alkenonen, die als bijproduct kunnen worden geïsoleerd. De procedure zal worden gedemonstreerd door John Williams, een promovendus in mijn laboratorium.

Om de commercieel verkrijgbare natte isochrysis-pasta voor te bereiden, maak dan een klein gaatje in een verpakking van één kilogram en knijp ongeveer 300 gram uit op een crystallisatieschaal van 150 bij 75 millimeter. De pasta bestaat voor ongeveer 80% uit water, is donkergroen, bijna zwart en heeft een scherpe geur. Laat de pasta aan de lucht drogen om een laag van ongeveer 20 millimeter dik te vormen.

Schraap de droge biomassa in een cellulose-extractiehuls met een bekende massa. Noteer vervolgens het gewicht van de isochrysis-biomassa. Breng ongeveer 50 tot 60 gram droge isochrysis over in een Soxhlet-extractieapparaat.

Vul vervolgens de soxhlet-kolf met 400 milliliters hexanen. Zet het condensatiewater en de warmtebron aan en laat de soxhlet één tot twee dagen cyclen. Wanneer de kleur van het oplosmiddel is veranderd van donkergroen naar lichtgeel, is de extractie voltooid.

Laat het afkoelen tot kamertemperatuur en gebruik een rotavapor om de hexanen te verwijderen. Weeg vervolgens de algenolie in hexaan. Begin met het oplossen van de algenolie in hexaan in de kolf met 10 volumes van een twee-op-één mengsel van methanol en dichloormethaan.

Voeg vervolgens een roerbalkje toe en twee en twee derde delen water ten opzichte van het olievolume, en voeg een massa kaliumhydroxide toe die gelijk is aan de helft van het gewicht van de olie. Bevestig de kolf nu aan een refluxcondensor van 500 millimeter. Verwarm het mengsel onder stirring gedurende drie uur op 60 °C in een zuurkast.

Nadat de reactie is afgekoeld, worden de organische oplosmiddelen verwijderd met een rotatieverdamper. Giet vervolgens het resterende waterige mengsel in een scheidtrechter van één liter en voeg een gelijk volume hexanen toe. Spoel de kolf om met de hexanen om ervoor te zorgen dat al het materiaal naar de trechter wordt overgebracht.

Schud de trechter en laat de lagen scheiden. Drain vervolgens de onderste waterige laag in een kolf en giet de bovenste organische fase af in een tweede kolf. Bewaar beide lagen.

Herhaal de hexaanextractie totdat de organische laag licht geelgroen is. Combineer vervolgens de verzamelde organische extracten en concentreer deze met een rotatieverdamper om de neutrale lipiden te isoleren. Deze lipiden verschijnen als een groenachtige vaste stof en hebben een smeltpunt tussen 60 en 70 graden celsius.

Zuur vervolgens de waterfase aan tot een pH van twee met behulp van zes molair zoutzuur. Extraheer daarna de vrije vetzuren uit de aangezuurde waterfase met hexanen en een scheidingstrechter, zoals eerder beschreven. Verwijder tot slot de hexanen uit de gecombineerde organische extracten met een rotatieverdamper om gezuiverde vrije vetzuren te verkrijgen.

Een donkergroen, bijna zwart olieachtig residu dat smelt vlak boven 30 °C. Los de vetzuren op met zes volumes methanol-chloroform en giet de oplossing vervolgens in een dikwandige hogedrukreactiekolf met een roerkolf, waarbij u spoelt om ervoor te zorgen dat alle vetzuren naar de reactiekolf worden overgebracht. Voeg vervolgens, onder een zuurkast, geconcentreerd zwavelzuur toe.

Sluit de kolf af en verhit het mengsel gedurende een uur tot 90 °C onder roering. Nadat de reactie is afgekoeld tot kamertemperatuur, wordt deze in een scheidingstrechter gegoten en worden twee volumes water toegevoegd. Schud vervolgens de scheidingstrechter, laat de fasen scheiden en laat de onderste laag uitlopen in een vooraf gewogen rondbodelkolf.

Concentreer vervolgens de oplossing in een rotatieverdamper en noteer de massa van de resulterende biodiesel; de stof kan nu worden geanalyseerd met behulp van gaschromatografie. Neutrale lipiden kunnen uit de ronde bodem worden geschraapt, gewogen en overgebracht naar een kolf voor zuivering. Begin met het oplossen van de neutrale lipiden in een minimale hoeveelheid dichloormethaan.

Giet vervolgens de oplossing op een chromatografiekolom die 100 gram silicagel bevat. Laat de oplossing daarna onder lichte druk door de silica elueren met ongeveer 150 milliliter dichloormethaan. Bovenop de kolom wordt een dunne laag zand aangebracht om te voorkomen dat de silica wordt verstoord bij het vullen met oplosmiddel.

Verzamel de gele wind in een rondbodemkolf van 250 milliliter. Verwijder vervolgens het dichloormethaan met een rotatieverdampaar. Het resultaat moet een oranjegekleurde vaste stof zijn.

Herkristalliseer de vaste stoffen in kokende hexanen. Voeg eerst een initiële hoeveelheid van 100 milliliters toe en voeg vervolgens kokende hexanen bij tot de oplossing homogeen is. Laat de oplossing nu langzaam afkoelen tot kamertemperatuur om de kristallisatie te bevorderen en verzamel de gekristalliseerde alkenonen met behulp van een filtratieapparaat.

Gebruik een klein volume ijskoude hexanen om de kolf te spoelen. Voorafgaand aan de verwerking werd de isochrysis-pasta eerst gedroogd om een zwart, groen, schilferig materiaal met een zeewierachtige geur te verkrijgen. In tegenstelling hiermee was het gepoederde isochrysis een geelbruin, fijn gemalen droog poeder dat zonder verdere bewerking werd gebruikt.

Extractie uit beide materialen via Soxhlet met hexanen leverde algenoliën op waarbij de opbrengsten uit de pasta aanzienlijk hoger waren dan uit het poeder. Acylglycerolen in de algenolie werden omgezet in wateroplosbaar carboxylaat, waaruit neutrale lipiden en vrije vetzuren in een bijna kwantitatief volume uit beide startmaterialen werden geëxtraheerd. De verhouding tussen de producten was echter verschillend.

Verestering leverde vetzuurmethylesters op. Ook bekend als biodiesel, een donkergroene, bijna zwarte olieachtige vloeistof. De opbrengst was meer dan 90%. Het product werd ontkleurd zoals beschreven in het tekstprotocol.

FAME-analyse van de gezuiverde biodiezels toonde vergelijkbare, maar niet identieke profielen voor de twee startmaterialen. Het filteren van de opgeloste neutrale lipiden door silica met behulp van DCM leverde een roodoranje vaste stof op, die werd herkristalliseerd met hexanen tot analytisch zuivere alkenonen. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe commercieel verkrijgbare isochyrsis kan worden verwerkt tot biodiesel, met de isolatie van zuivere alkenonen als bijproduct.

Zodra deze techniek onder de knie is, kunnen er consistent significante hoeveelheden algen-biodiesel en alkenonen worden gegenereerd voor verder onderzoek. Door de ontwikkeling van deze techniek is het voor ons mogelijk geworden om de brandstofeigenschappen van algen-biodiesel kritisch te onderzoeken, doordat er voldoende hoeveelheden beschikbaar zijn om diverse brandstoftesten uit te voeren in plaats van te vertrouwen op voorspellingen of simulaties. Vergeet niet dat het werken met sterke zuren of basen en het verhitten van de inhoud in een gesloten vat uiterst gevaarlijk kan zijn.

Zorg ervoor dat u geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen draagt en in een zuurkast werkt tijdens het uitvoeren van deze stappen.