Protokół eksperymentalny produkcji biodiesla z izolacją alkenonów jako produktów ubocznych z komercyjnej biomasy glonów Isochrysis

Podsumowanie

Przedstawiono szczegółowe metody produkcji biodiesla wraz z koizolacją alkenonów jako cennych produktów ubocznych z komercyjnych mikroalg Isochrysis.

Streszczenie

Potrzeba zastąpienia paliw ropopochodnych alternatywnymi źródłami z odnawialnych i bardziej zrównoważonych środowiskowo źródeł nabiera coraz większego znaczenia. Biopaliwa pochodzące z biomasy zyskały w tym względzie duże zainteresowanie, jednak biopaliwa pierwszej generacji z roślin jadalnych, takich jak etanol kukurydziany lub biodiesel sojowy, generalnie wypadły z łask. W związku z tym istnieje duże zainteresowanie rozwojem metod produkcji paliw płynnych z krajowych i lepszych źródeł niejadalnych. Poniżej opisujemy szczegółową procedurę produkcji oczyszczonego biodiesla z morskich mikroalg Isochrysis. Ponadto unikalny zestaw lipidów znany jako wielonienasycone długołańcuchowe alkenony są izolowane równolegle jako potencjalnie cenne produkty uboczne, aby zrównoważyć koszty produkcji biodiesla. Wielokilogramowe ilości Isochrysis są kupowane z dwóch komercyjnych źródeł, z których jeden jest w postaci mokrej pasty (80% wody), która jest najpierw suszona przed przetwarzaniem, a drugi w postaci suchego mielonego proszku (95% suchego). Lipidy są ekstrahowane heksanami w aparacie Soxhleta w celu wytworzenia oleju z alg ("heksanowy olej z alg") zawierającego zarówno tradycyjne tłuszcze (tj. trójglicerydy, 46-60% w/w), jak i alkenony (16-25% w/w). Zmydlenie trójglicerydów w oleju z alg pozwala na oddzielenie powstałych wolnych kwasów tłuszczowych (FFA) od obojętnych lipidów zawierających alkenony. FFA są następnie przekształcane w biodiesel (tj. estry metylowe kwasów tłuszczowych, FAME) przez estryfikację katalizowaną kwasem, podczas gdy alkenony są izolowane i oczyszczane z obojętnych lipidów przez krystalizację. Wykazaliśmy, że biodiesel z obu komercyjnych biomas Isochrysis ma podobne, ale nie identyczne profile FAME, charakteryzujące się podwyższoną zawartością wielonienasyconych kwasów tłuszczowych (ok. 40% w/w). Uzyski biodiesla były konsekwentnie wyższe w przypadku rozpoczęcia od mokrej pasty Isochrysis (12% w/w vs. 7% w/w), co można przypisać mniejszym ilościom oleju z alg heksanowych uzyskanego ze sproszkowanego produktu Isochrysis.

Wprowadzenie

Ostatnio nastąpił wielki wzrost zainteresowania biopaliwami z alg, szczególnie do produkcji paliw płynnych, takich jak biodiesel¹ i inne oleje pochodzące z biomasy. ² Proponowane korzyści obejmują uniknięcie pewnych kontrowersji między żywnością a paliwem³ oraz podobno wyższą produktywność i zdolność do ograniczania emisji CO₂ niż w przypadku tradycyjnych upraw rolnych. ⁴ Jest to następstwo trwającego prawie 20 lat Programu Gatunków Wodnych (ASP) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, rozpoczętego w 1978 roku w celu zbadania paliwa transportowego z alg. Jak podkreślono w raporcie Sheehana^{, program} zakończył się w 1996 r., głównie dlatego, że przewidywane koszty nie były konkurencyjne w stosunku do ropy naftowej w tamtym czasie (18,46 USD za baryłkę (159 l)). Chociaż od tego czasu koszt ropy naftowej drastycznie wzrósł (87,39 USD za baryłkę w 2014 r.)⁶, co jest związane z renesansem badań nad biopaliwami z glonów, niektórzy twierdzą, że biopaliwa z alg okażą się zbyt drogie. ⁷ Jako jedna ze strategii mających na celu zrekompensowanie kosztów produkcji biopaliw, pojęcie produktów ubocznych o wartości dodanej pojawiło się zarówno wśród krytyków^7,8, jak i zwolenników^9,10 i stanowi jeden z kluczowych powodów dążenia do biopaliw z alg w "Krajowym planie drogowym technologii biopaliw z alg" Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE). ¹¹

Tutaj opisujemy metodę koprodukcji dwóch oddzielnych strumieni paliwa z komercyjnych mikroalg Isochrysis. Skupiliśmy się na Isochrysis po części dlatego, że jest on już produkowany przemysłowo, zbierany do celów marikultury, a także dlatego, że Isochrysis jest jednym z niewielu gatunków glonów, które oprócz tradycyjnych lipidów (tj. kwasów tłuszczowych) biosyntetyzują unikalną klasę związków znanych jako wielonienasycone alkenony długołańcuchowe. ¹² Struktury alkenonowe charakteryzują się bardzo długimi łańcuchami węglowodorowymi (36-40 atomów węgla), dwoma do czterech niemetylenowych przerwanych wiązań trans-double oraz ketonem metylowym lub etylowym (ryc. 1). Nienasycenie alkenonu jest wrażliwe na temperaturę wzrostu ^{glonów,13,14} tak że proporcja dwunienasyconego C37 metyloalkenonu (tak zwany "wskaźnik nienasycenia") może być wykorzystana jako wskaźnik zastępczy dla temperatur powierzchni morza w przeszłości. Uważa się, że ^15-20 alkenonów znajduje się w cytoplazmatycznych ciałach lipidowych i może być bardziej obfity niż trójglicerydy (TAG). ^21,22 Przy ograniczeniu azotem lub fosforem do 10−20% węgla komórkowego w fazie stacjonarnej jest akumulowane w postaci alkenonów. ^23,24 Z ewolucyjnego punktu widzenia, alkenony mogły być faworyzowane w stosunku do TAG, ponieważ ich geometria wiązań trans-podwójnych zapewnia bardziej stabilną formę magazynowania energii. ²¹

Rysunek 1. Struktury wielonienasyconych długołańcuchowych alkenonów. Powszechny alkenon metylowy 37:3 wyizolowany z Isochrysis, będący przykładem długich łańcuchów węglowodorowych (36 - 40 atomów węgla), trans niemetylenowych przerywanych wiązań podwójnych i zakończonych ketonem metylowym lub etylowym. Nomenklatura jest podobna do kwasów tłuszczowych, gdzie #:# odnosi się do liczby atomów węgla:liczba wiązań podwójnych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Twierdzimy, że alkenony stanowią obiecujący odnawialny surowiec węglowy z pospolitych alg z historią uprawy przemysłowej. ²⁵ Biodiesel produkowany bezpośrednio z całkowitego ekstraktu lipidowego Isochrysis zawiera znaczną ilość (10–15% w/w) alkenonów, a zanieczyszczenie tymi wysokotopliwymi związkami skutkuje słabymi właściwościami paliwa o przepływie na zimno. Jednak przy użyciu opisanych tutaj technik zmydlania/ekstrakcji alkenony można usunąć i odzyskać, poprawiając w ten sposób jakość biodiesla przy jednoczesnym wytwarzaniu wtórnego strumienia produktu. Ostatnio wykazaliśmy konwersję alkenonów do paliwa ciekłego poprzez metatezę krzyżową z 2-butenem (butenoliza). ²⁶ W reakcji butenolizy wykorzystuje się komercyjny inicjator metatezy rutenu, zachodzi szybko w niskiej temperaturze i w czysty sposób dostarcza przewidywalną mieszaninę węglowodorów z zakresu paliwa lotniczego. Reakcja ta jest przeprowadzana równolegle z syntezą biodiesla z kwasów tłuszczowych, co stanowi pierwszy krok w kierunku podejścia "biorafineryjnego"²⁷ do komercyjnie opłacalnej produkcji biopaliw Isochrysis.

Protokół

1. Przygotowanie mikroalg i biomasy

Uwaga: Mikroalgi morskie Isochrysis sp. "T-iso" użyte w niniejszym badaniu można zakupić (patrz Lista materiałów). Wielokilogramowe ilości Isochrysis można kupić w postaci mrożonej mokrej pasty (Iso-paste) zawierającej około 80% wody i 20% biomasy, o kolorze ciemnozielonym / prawie czarnym z ostrym zapachem pachnącym morzem. Isochrysis można również kupić w postaci suchego (95% suchego) żółto-brązowego proszku (Iso-powder) o podobnym zapachu.

1. W celu wysuszenia pasty Isochrysis należy otworzyć opakowanie o wadze 1 kg, wycinając nożyczkami otwór o średnicy 1 - 2 cali w rogu plastikowego opakowania.
2. Wyciśnij około 300 g tej pasty Isochrysis przez otwór do naczynia krystalizującego o wymiarach 150 mm x 75 mm, aby utworzyć cienką warstwę (~20 mm).
3. Pozostaw pastę do wyschnięcia na powietrzu w temperaturze pokojowej, aż stanie się sucha i łuszcząca się (zwykle 48 - 96 godzin).
   Uwaga: Rzeczywisty czas schnięcia może się różnić i zależy od temperatury. Nie zauważono jednak różnicy w plonach ani jakości produktu przy jeszcze dłuższym czasie schnięcia (do dwóch tygodni). Proces suszenia można również ujednolicić i/lub przyspieszyć, umieszczając naczynie krystalizujące na ciepłym talerzu (30 - 40 °C).
4. Zeskrobać suchą biomasę z naczynia krystalizującego za pomocą szpatułki i zebrać do gilzy do ekstrakcji celulozy (długość: 123 mm, średnica wewnętrzna 43 mm). Zapisać masę suchej biomasy Isochrysis.

2. Ekstrakcja suchej biomasy izochrysisowej metodą Soxhleta

1. Załaduj gilzę do ekstrakcji celulozy zawierającą Isochrysis (zwykle 50 - 60 g suchej biomasy) do aparatu do ekstrakcji Soxhleta.
2. Napełnij kolbę Soxhleta heksanami (400 ml), włącz wodę i źródło ciepła w skraplaczu, a następnie pozwól Soxhletowi pracować przez 24 - 48 godzin (do momentu, gdy kolor rozpuszczalnika zmieni się z ciemnozielonego na bladożółty
).
3. Wyłączyć ogrzewanie i pozostawić urządzenie do ostygnięcia do temperatury pokojowej, a następnie odłączyć kolbę od ekstraktora Soxhleta.
4. Usunąć heksany za pomocą wyparki obrotowej i zanotować masę materiału ekstrahowanego heksanami ("olej z alg heksanowych" (h-AO)).

3. Zmydlenie oleju z alg oraz oddzielenie kwasów tłuszczowych i neutralnych lipidów

1. Ponownie rozpuścić h-AO w tej samej kolbie okrągłodennej z kroku 2.4 powyżej za pomocą metanolu:dichlorometanu (2:1, objętość = 10 x masa oleju z alg).
2. Dodaj mieszadło i podłącz skraplacz zwrotny (cewka: długość 500 mm).
3. Dodać_H2O(objętość = 2,67 x masa oleju z alg) i KOH (50% w/w oleju z alg) i podgrzewać zawartość, mieszając do 60 °C przez 3 godziny.
4. Po schłodzeniu do temperatury pokojowej usunąć rozpuszczalniki organiczne (metanol i dichlorometan) z wyparki obrotowej.
5. Pozostałą mieszaninę wodną przenieść, wlewając ją do 1-litrowego lejka separacyjnego. Dodać heksany (równoważne objętościowo roztworowi wodnemu), wstrząsnąć rozdzielaczem i pozostawić warstwy do rozdzielenia.
6. Dolną warstwę wody należy odcedzić do kolby Erlenmeyera i odlać górną fazę organiczną do oddzielnej warstwy wody Erlenmeyera.
7. Powtarzaj kroki 3.5 i 3.6, aż warstwa organiczna stanie się bezbarwna (zwykle jeszcze 1-2 razy).
8. Skoncentrować połączone ekstrakty organiczne na wyparce obrotowej w celu wyizolowania obojętnych lipidów w postaci zielonkawego ciała stałego (mp. ≈ 60 - 70 °C).
9. Zakwasić fazę wodną HCl (6 M, aż do pH ~ 2, jak wskazano w papierze pH).
10. Ekstrahować wolne kwasy tłuszczowe (FFA) z zakwaszonej fazy wodnej za pomocą heksanów (równa objętość do fazy wodnej) za pomocą rozdzielacza o pojemności 1 l, jak opisano w krokach 3.5 i 3.6.
11. Usunąć heksany z wyparki obrotowej, aby otrzymać FFA w postaci ciemnozielonej, prawie czarnej oleistej pozostałości (ciecz w temperaturze >30 °C).

4. Katalizowana kwasem estryfikacja wolnych kwasów tłuszczowych i produkcja ekologicznego biodiesla

1. Przenieść FFA za pomocą metanolu:chloroform (1:1, 6 x objętość oleju z alg), aby najpierw rozpuścić FFA, a następnie wlać do grubościennej wysokociśnieniowej kolby reakcyjnej wyposażonej w mieszadło.
2. Dodać skoncentrowany H₂SO₄ (20% w/w oleju z alg), zamknąć kolbę i podgrzać mieszaninę do temperatury 90 °C, mieszając przez 1 godzinę.
3. Po schłodzeniu do temperatury pokojowej przenieść mieszaninę, wlewając ją do rozdzielacza.
4. Dodać_H2O(2 x objętość oleju z alg), wstrząsnąć rozdzielaczem i odczekać, aż fazy się rozdzielą.
5. Odcedź dolną warstwę do wstępnie zważonej kolby okrągłodennej i skoncentruj się na wyparce obrotowej. Zapisać masę powstałego biodiesla.
6. Analizować profil kwasów tłuszczowych metodą chromatografii gazowej z detektorem płomieniowo-jonizacyjnym (GC-FID)²⁸ (chromatograf gazowy wyposażony w kolumnę DB-88 [(88% cyjanopropylo)metyloarylopolisiloksanu] (30 m x 0,25 mm ID x 0,20 μm grubości warstwy).
   Uwaga: Powszechnie stosowane estry metylowe kwasów tłuszczowych są weryfikowane przez porównanie czasu retencji z autentycznymi próbkami uzyskanymi komercyjnie. Dodatkowo, chromatografia gazowa ze spektrometrią mas (GC-MS; chromatograf gazowy sprzężony z detektorem selektywnym masy) jest wykonywana w identycznych warunkach programu temperaturowego i kolumny w celu analizy składników takich jak C18:4, dla których nie są dostępne autentyczne wzorce z wynikami zastosowanymi do oznaczania ilościowego GC.

5. Odbarwianie biodiesla

1. Podgrzać ciemnozielony biodiesel do temperatury 60 °C w kolbie z okrągłym dnem wyposażonej w mieszadło.
2. Dodać montmorylonit K 10 (MK10) w proszku (10-20% w/w biodiesla) i mieszać przez 1 godzinę.
3. Zdejmij okrągłe dno z ognia i pozwól roztworowi ostygnąć do temperatury pokojowej.
4. Przygotować aparat filtracyjny składający się z kolby okrągłodennej i lejka filtracyjnego zawierającego celulozową bibułę filtracyjną (popiół 0,007%).
5. Przelać schłodzony, odbarwiony biodiesel przez lejek filtracyjny, używając minimalnej ilości heksanów, aby przepłukać kolbę okrągłodenną.
6. Odłączyć lejek filtra od kolby okrągłodennej (która zawiera teraz roztwór heksanów odbarwionego biodiesla) i usunąć heksany za pomocą parownika obrotowego, aby uzyskać pomarańczowo-czerwony biodiesel.
7. Próbki należy przechowywać w temperaturze 4 °C, w tym czasie nastąpi pewne osiadanie materiału nierozpuszczalnego (~10% w/w).
8. Usunąć nierozpuszczalny materiał przez dekantację lub filtrację, jak opisano w krokach 5.4 i 5.5, w celu uzyskania klarownego, jednorodnego biodiesla do analizy.

6. Izolacja i oczyszczanie alkenonów z neutralnych lipidów

1. Rozpuścić obojętne lipidy (z kroku 3.8) w minimalnej ilości dichlorometanu (około 50 ml na 10 g obojętnych lipidów) i dodać roztwór pipetą do górnej części kolumny chromatograficznej (Odw 60 mm, ID 55 mm, długość 18") zawierającej żel krzemionkowy (230-400 mesh, 100 g).
2. Eluować roztwór przez krzemionkę pod ciśnieniem (~5 psi) przy użyciu dichlorometanu (około 150 ml) jako rozpuszczalnika i zebrać eluent w kolbie okrągłodennej o pojemności 250 ml.
3. Usunąć dichlorometan za pomocą wyparki obrotowej, aby uzyskać ciało stałe o pomarańczowym zabarwieniu.
4. Rekrystalizować ciało stałe za pomocą heksanów, dodając około 100 ml wrzących heksanów, a następnie stopniowo dodawać dodatkowe ilości wrzących heksanów, aż roztwór będzie jednorodny (całkowita objętość ~ 150 ml). Następnie powoli schładzaj roztwór do temperatury pokojowej, aby ułatwić krystalizację.
5. Zebrać skrystalizowane alkenony za pomocą aparatu filtracyjnego opisanego w kroku 5.4, używając niewielkiej ilości zimnych (0 °C) heksanów do przepłukania kolby.

Wyniki

Przed przetworzeniem, pasta Isochrysis (Iso-paste) została najpierw wysuszona. Udało się to wygodnie osiągnąć na większą skalę poprzez dodanie pasty Iso-paste do dużego naczynia krystalizującego i pozostawienie materiału do wyschnięcia na powietrzu w temperaturze pokojowej. Podczas suszenia tworzy się pewna gromadzka woda (zwykle o czerwonawym zabarwieniu), którą można usunąć przez dekantację lub pipetowanie w celu przyspieszenia procesu suszenia. Po około 48 - 96 godzinach, obecnie wysuszony Isochrysis można było zeskrobać z naczynia krystalizującego i otrzymać jako czarno-zielony, łuszczący się materiał o zapachu podobnym do wodorostów (Ryc. 2). Plony suchej biomasy wynosiły na ogół 20% w/w pasty, jak reklamowano. Natomiast sproszkowany produkt Isochrysis (Iso-powder) był żółto-brązowym, drobno zmielonym, suchym proszkiem (95% suchym), który był używany bezpośrednio, bez dalszego przetwarzania (ryc. 2).

Rysunek 2. Porównanie komercyjnej Isochrysis. Pastę Isochrysis (80% mokrą) rozprowadza się po dnie naczynia krystalizującego i pozostawia do wyschnięcia na powietrzu w temperaturze pokojowej przez 48-96 godzin przed przetworzeniem. Powstały w ten sposób wysuszony Isochrysis otrzymuje się jako ciemny, łuszczący się materiał (po prawej), który różni się wyglądem od komercyjnego suchego proszku Isochrysis (po lewej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ekstrakcja wysuszonej Iso-pasty lub Iso-proszku przez Soxhleta za pomocą heksanów dała, po usunięciu heksanów, oleje z alg (h-AO), które wyglądały podobnie jak ciemnozielone/prawie czarne ciała stałe (mp. ~ 50-60 °C). Wydajność h-AO przy rozpoczęciu od pasty ("Iso-paste-hAO") wynosiła zazwyczaj 20% w/w suchej biomasy Isochrysis, co jest zgodne z naszymi poprzednimi ^wynikami,26 podczas gdy wydajność h-AO przez ekstrakcję Soxhleta komercyjnego sproszkowanego Isochrysis ("Iso-powder-hAO") wynosiła 15% w/w (Tabela 1).

Produkt (g) Iso-pasta Iso-proszek-1 Iso-proszek-2 Sucha biomasa Rozdział 30 20 20 Heksanowy olej z alg 5,86 pkt. Wynik 2,87 Pytanie 3.11 Licencje FFA Pytanie 3,52 Klasa 1,34 Rejon 1,38 Neutralne lipidy Godzina 2,34 Rejon 1,38 Wynik 1,61 Alkenony 0,94 pkt. 0,63 pkt. 0,74 pkt. Uwagi: Iso-powder-1 i Iso-powder-2 reprezentują wyniki dwóch próbek sproszkowanego Isochrysis, które były przetwarzane równolegle. Inne raporty z wydajnością tych produktów z pasty izoizolacyjnej znajdują się w odnośnikach 26, 32 i 33.

Tabela 1. Uzysk produktu z komercyjnej biomasy Isochrysis.

Acyloglicerole w h-AO zostały przekształcone w odpowiednie rozpuszczalne w wodzie sole karboksylowe (tj. mydła) po dodaniu wodnego KOH do metanolu/CH₂Cl₂. Obojętne lipidy, w tym alkenony, zostały następnie wyekstrahowane z tej wodnej mieszaniny poprzez selektywne dzielenie za pomocą heksanów. Po usunięciu obojętnych lipidów, ponowne zakwaszenie mydeł wytworzyło odpowiednie wolne kwasy tłuszczowe (FFA), które można było w podobny sposób wyekstrahować z fazy wodnej za pomocą heksanów. Ogólne odzyski masy dla połączonych FFA i obojętnych lipidów z Iso-paste-hAO lub Iso-powder-hAO były konsekwentnie bliskie ilościowe. Jednak stosunek produktów (tj. neutralne lipidy + FFA) był inny. Z Iso-paste-hAO uzyskano 60% (w/w) FFA i 40% (w/w) obojętnych lipidów (Tabela 1). I odwrotnie, Iso-powder-hAO okazał się wzbogacony w neutralne lipidy (średnio = 54% neutralnych lipidów + 46% FFA), jak wyszczególniono w Tabeli 1.

Estryfikacja FFA za pomocą_H2SO4 i metanolu następnie wytworzyła estry metylowe kwasów tłuszczowych (FAME, tj. biodiesel) w postaci ciemnozielonej, prawie czarnej, oleistej cieczy z wydajnością większą niż 90% (Rysunek 3). Odbarwianie przez ogrzewanie nad gliną Montmorylonite K10²⁹ (MK10) dało następnie żółto-pomarańczowy produkt, podobny w wyglądzie do innych komercyjnych paliw biodiesel (patrz Wykaz materiałów) (Rysunek 3). Wyniki analizy FAME odbarwionych paliw biodiesel Isochrysis przedstawiono w tabeli 2.

Rysunek 3. Porównanie paliw Isochrysis i biodiesel sojowych. Biodiesel Green Isochrysis (w środku) jest wytwarzany w procesie estryfikacji wyekstrahowanych i oczyszczonych wolnych kwasów tłuszczowych. W wyniku odbarwienia powstaje produkt o właściwościach podobnych do komercyjnego biodiesla (po lewej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

SŁAWA^A Iso-pasta Izo-proszek godz. 14:00 Rozdział 16,4 Rozdział 19,4 Godzina 14:01 - 0,3 godz. 15:00 ślad 0,3 godz. 16:00 Rozdział 10.1 8,8 16:1 Δ9 7,6 Rozdział 5.5 godz. 16:02 Nd 0,3 godz. 16:03 Nd 0,5 godz. 18:00 ślad 0,2 pkt. 18:1^B Rozdział 12.1 Rozdział 14,3 Godzina 18:02 Rozdział 8.1 7,1 18:3^C 8,5 Rozdział 13,5 godz. 18:04 Pytanie 19,8 Rozdział 10.4 godz. 18:05 Nd 3 Godzina 20:05 Nd - Godzina 22:05 Nd cyfra arabska Godzina 22:06 6,9 11 Σ^D 89,8 pkt. 96,2 pkt. Uwagi: ^{Nomenklatura kwasów tłuszczowych}to #carbons:#cis-double bonds. ^WŁącznie 18:1 Δ9 + 18:1 Δ11. ^ZPołączone izomery Δ6,9,12 i Δ9,12,15. ^DPozostały materiał to w przybliżeniu 50:50 innych komponentów FAME i innych niż FAME (razem ~95% FAME). ND = Nie wykryto.

Tabela 2. Skład FAME biodiesla produkowanego z komercyjnej biomasy Iso-past i Isochrysis w proszku.

Neutralne lipidy otrzymano jako zielonkawą mieszaninę stałą o stężeniu 40% w/w z Iso-paste-hAO i 54% (śr.) z Iso-powder-hAO (Tabela 1). Filtrowanie rozpuszczonych obojętnych lipidów przez krzemionkę za pomocą DCM dawało po usunięciu rozpuszczalnika czerwonawo-pomarańczowe ciało stałe, które można było rekrystalizować za pomocą heksanów, aby uzyskać analitycznie czyste alkenony w postaci białego ciała stałego. Procedura ta doprowadziła do uzyskania 16% (w/w) izolowanej wydajności alkenonów z Iso-paste-hAO i 25% wydajności z Iso-powder-hAO (Tabela 1).

Dyskusja

Isochrysis jest jednym z zaledwie wybranych gatunków glonów hodowanych przemysłowo, zbieranych jako główny składnik paszy dla skorupiaków, a zatem reprezentatywnych dla skali niezbędnej do produkcji biopaliw. Dostępność wykorzystanych glonów i standardowe metody zastosowane w tym badaniu sprawiają, że przedstawiony protokół jest szeroko dostępny dla innych grup w celu dalszych badań. Krytyczne etapy obejmują suszenie glonów na powietrzu (w przeciwieństwie do liofilizacji³³), ekstrakcje rozpuszczalnikiem, zmydlanie i estryfikację. Dzięki tym operacjom można zbadać wydajność lipidów i innych produktów ubocznych z różnych dostępnych Isochrysis ³⁰. Przewiduje się, że mogą się one różnić w wyniku różnych szczepów i metod uprawy31, a także mogą mieć na nie wpływ charakter produktu i wszelkie dodatkowe procesy przetwarzania (np. suszenie lub zamrażanie) stosowane przez dostawcę. Jak pokazujemy tutaj, opracowany protokół może być z powodzeniem stosowany do różnych rodzajów produktów Isochrysis, począwszy od mokrej pasty, a skończywszy na suchym mielonym proszku. Uzysk biodiesla był jednak niższy w przypadku biomasy sproszkowanej (7% m/w suchej biomasy vs. 12% m/w z suszonej pasty), co odpowiada mniejszym ilościom ekstrahowanego oleju z alg (h-AO). Może to sugerować, że alternatywny protokół ekstrakcji³² inny niż aparat Soxhleta może być lepiej odpowiedni dla suchych sproszkowanych produktów Isochrysis. Proszek Isochrysis użyty w tym badaniu jest reklamowany jako zawierający 23-25% lipidów, które są podobne do tego, co eksperymentalnie uzyskaliśmy z suszonej pasty Isochrysis. ^33,34,26

Pomimo różnych kolorów wyjściowej suchej biomasy, Iso-paste-hAO i Iso-powder-hAO były zasadniczo nie do odróżnienia, oba ciemnozielone/prawie czarne ciała stałe o temperaturze topnienia około 50 °C. Co ciekawe, stosunek FFA do obojętnych lipidów w dwóch ekstraktach heksanu był inny. Po zmydleniu i oddzieleniu obojętnych lipidów otrzymaliśmy 60% (w/w) FFA i 40% (w/w) obojętnych lipidów z Iso-paste-hAO. Iso-powder-hAO wytwarzał średnio 46% (w/w) FFA i 54% (w/w) obojętnych lipidów. Wyniki sugerują, że albo początkowa sproszkowana biomasa może zawierać większe ilości obojętnych lipidów w porównaniu z pochodnymi FA niż pasta Isochrysis, albo że ekstrakcja Soxhleta sproszkowanego Isochrysis jest nieco selektywna dla obojętnych lipidów.

Różniły się nie tylko uzysk produktów uzyskanych z dwóch komercyjnych biomas Isochrysis , ale także profile kwasów tłuszczowych uzyskanego biodiesla. Jest to o tyle istotne, że właściwości paliwowe biodiesla są bezpośrednio zależne od charakteru i zawartości poszczególnych FAME. ³⁵ Aby biodiesel mógł zostać wprowadzony na rynek, musi spełniać normy opisane w dokumentach ASTM D6751 lub EN 14214 odpowiednio w Stanach Zjednoczonych lub Europie. Specyfikacje obejmują zakresy smarności i lepkości kinematycznej oraz minimalne wartości liczby cetanowej i stabilności oksydacyjnej. Inne ważne zalecenia dotyczą właściwości płynięcia na zimno w postaci punktu zmętnienia (CP) lub punktu zablokowania zimnego filtra (CFPP). Wcześniej informowaliśmy o wynikach kompleksowych testów paliwowych biodiesla przygotowanego z pasty Iso. ³⁶ Ponieważ profil FAME biodiesla produkowanego z proszku izodiesla w tym badaniu jest podobny do wcześniej testowanych, możemy przewidzieć, że niektóre właściwości paliwa będą podobne w przypadku obu paliw biodiesla. Na przykład wielonienasycone kwasy tłuszczowe (PuFAME, więcej niż dwa wiązania podwójne) stanowią około 40% obu mieszanin FAME (35,2% i 39,9%, tabela 2). Spowoduje to słabą stabilność oksydacyjną i korzystny przepływ zimna. ³⁵ Istnieją jednak niewielkie różnice w profilach FAME tych dwóch paliw biodiesla. Biodiesel produkowany ze sproszkowanego Isochrysis zawierał większe ilości FAME 14:0 (19,4 mg/g vs. 16,4 mg/g), 18:3 (13,5 mg/g vs. 8,5 mg/g) i 22:6 (11,0 mg/g vs. 6,9 mg/g) FAME, ale mniejsze 18:4 (10,4 mg/g vs. 19,8 mg/g). Zakres wpływu tych różnic na różne właściwości paliw zawarte w normach ASTM pozostaje do zbadania.

Początkowy biodiesel uzyskany z obu komercyjnych alg Isochrysis miał podobnie ciemnozielony kolor, co można wytłumaczyć obecnością chlorofilów. ³⁶ Stwierdzono, że chlorofil i jego pochodne mają negatywny wpływ na stabilność olejów roślinnych i odpowiadających im paliw biodiesla. ^36,29 W oparciu o metodę Issariyakula i Dalai do odbarwiania oleju rzepakowego z nasion zielonych w związku z produkcją biodiesla,29 mieszanie naszego zielonego biodiesla ponad 10% (w/w) MK10 w temperaturze 60 °C przez 1 godzinę spowodowało radykalne zmniejszenie zawartości pigmentu w wyniku kontroli wzrokowej (patrz rysunek 2). Odzyski masy z procesu odbarwiania wynosiły średnio 90%.

Wydajność oczyszczonych alkenonów z obojętnych lipidów Iso-paste-hAO i Iso-powder-hAO była porównywalna odpowiednio przy 40% i 46% w/w (Tabela 1). Ponieważ obojętne lipidy stanowią większą część materiału zawartego w Iso-powder-hAO (54% w/w vs. 40% w/w), wydajność alkenonu z Iso-powder-hAO przekracza wydajność alkenonu Iso-paste-hAO o około 10% (25% w/w vs. 16% w/w). Biorąc jednak pod uwagę, że wydajność samego Iso-powder-hAO była niższa niż Iso-paste-hAO (15% vs. 20% w/w), ogólne uzyski alkenonów z obu suchych biomas Isochrysis są bardziej podobne (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% w/w z suszonej pasty Isochrysis i 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% z proszku Isochrysis).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Isochrysis	Reed Mariculture	Iso, Surowe, Nieprzetworzone, 20%dw	Pasta z żywych kultur bakterii, 20% w/w biomasy
Isochrysis	Necton, S.A	AADISS004	PhytoBloom Prof Isochrysis (liofilizowany)
Heksany	Fisher Chemical	H291-4	Certyfikowany przez ACS
metanol	Fisher Chemical	A452-4	HPLC
Dichlorometan	Fisher Chemical	D37-4	Certyfikowany/stabilizowany
aparat Soxhleta	Sigma Aldrich	64826
Naparstek ekstrakcyjny	Sigma Aldrich	64842
Bü chner Lejek	Chemglass	CG-1406-25
Wysokociśnieniowe naczynie reakcyjne	Chemglass	CG-1880-12
Bibuła filtracyjna Whatman	GE Life Sciences	1442-042	Grade 42, popiół 0,007%, okrąg, 42,5 mm
Biodiesel (B100)	Bellingham Shell		Biodiesel (B100) w Rysunek 3 został zakupiony na lokalnej stacji benzynowej: Bellingham Shell, Bellingham, WA 98226
Isochrysis	Aquacave		Oprócz Reed and Necton, Isochrysis można również kupić w Aquacave (Gurnee, IL) pod adresem: www.aquacave.com (dostęp 30 września 2015 r.).
Isochrysis	Brine Shrimp Direct		Isochrysis można również kupić w Brine Shrimp Direct (Ogden, UT) pod adresem: www.brineshrimpdirect.com (dostęp 30 września 2015 r.).