Artykuł metodologiczny

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

24.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54189

⸱

24 czerwca 2016

 ,  ,  ,  , 
1Department of Chemistry, Western Washington University, 2Agricultural Research Service, United States Department of Agriculture, 3Department of Marine Chemistry and Geochemistry, Woods Hole Oceanographic Institution

W tym artykule

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

W ostatnim czasie odnotowano znaczne odrodzenie zainteresowania biopaliwami z alg, w szczególności w kontekście produkcji paliw ciekłych, takich jak biodiesel1 oraz innych olejów pochodzenia biomasowego.2 Do proponowanych korzyści należy uniknięcie pewnych kontrowersji związanych z dylematem „żywność kontra paliwo”3 a także raportowana wyższa produktywność i większe możliwości mitygacji CO2 niż w przypadku tradycyjnych upraw rolniczych.4 Jest to kontynuacja trwającego niemal 20 lat programu Aquatic Species Program (ASP) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, rozpoczętego w 1978 roku w celu zbadania możliwości pozyskiwania paliw transportowych z alg. Jak wskazano w raporcie Sheehana,5 program zakończył się w 1996 roku przede wszystkim dlatego, że przewidywane koszty nie były wówczas konkurencyjne w stosunku do ropy naftowej (18,46 USD za baryłkę (159 L)). Choć cena ropy naftowej od tego czasu drastycznie wzrosła (87,39 USD za baryłkę w 2014 r.)6, co wiąże się z renesansem badań nad biopaliwami z alg, niektórzy argumentują, że mimo to biopaliwa algowe okażą się zbyt kosztowne.7 Jako jedna ze strategii mających na celu zniwelowanie kosztów produkcji biopaliw, wśród krytyków7,8 i zwolenników9,10 pojawiła się koncepcja produktów współistniejących o dodanej wartości, która stanowi jeden z kluczowych powodów dążenia do rozwoju biopaliw algowych w „Krajowej mapie drogowej technologii biopaliw algowych” (National Algal Biofuels Technology Roadmap) Departamentu Energii (DOE) Stanów Zjednoczonych.1

W niniejszej pracy opisujemy metodę współprodukcji dwóch oddzielnych strumieni paliw z komercyjnych mikroalg Isochrysis. Skupiliśmy się na Isochrysis częściowo dlatego, że są one już produkowane przemysłowo i pozyskiwane na potrzeby akwakultury morskiej, a także dlatego, że Isochrysis jest jednym z niewielu gatunków alg, które oprócz tradycyjnych lipidów (tj. kwasów tłuszczowych) biosyntetyzują unikalną klasę związków znanych jako wielonienasycone długołańcuchowe alkenony.12 Struktury alkenonów charakteryzują się bardzo długimi łańcuchami węglowodorowymi (36-40 węgli), od dwóch do czterech wiązań podwójnych trans z przerwami nie-metylenowymi oraz ketonem metylowym lub etylowym (Rysunek 1). Nienasycenie alkenonów jest wrażliwe na temperaturę wzrostu alg,13,14 tak że proporcja dinienasyconego metyloalkenonu C37 (tzw. „indeks nienasycenia”) może służyć jako wskaźnik przeszłych temperatur powierzchni morza.15−20 Uważa się, że alkenony znajdują się w cytoplazmatycznych ciałkach lipidowych i mogą występować w większej ilości niż triacyloglicerole (TAG).21,2 W warunkach ograniczonej dostępności azotu lub fosforu, w fazie stacjonarnej od 10 do 20% węgla komórkowego kumuluje się w postaci alkenonów.23,24 Z punktu widzenia ewolucyjnego alkenony mogły zostać preferowane nad TAG, ponieważ geometria ich wiązań podwójnych trans zapewnia bardziej stabilną formę magazynowania energii.21

wzór 37:3 metyloalkenonu, struktura ketonu i alkenu trans, schemat chemiczny.
Rysunek 1. Struktury wielonienasyconych długołańcuchowych alkenonów. Powszechny alkenon metylowy 37:3 wyizolowany z Isochrysis stanowiące przykład długich łańcuchów węglowodorowych (od 36 do 40 węgli), Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. przerwane wiązania podwójne nie-metylenowe, kończące się grupą ketonową metylową lub etylową. Nomenklatura jest podobna do kwasów tłuszczowych, gdzie #:# odnosi się do liczby atomów węgla:liczby wiązań podwójnych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej figury.

Twierdzimy, że alkenony stanowią obiecujący odnawialny surowiec węglowy pozyskiwany ze zwykłych alg o ugruntowanej historii uprawy przemysłowej.25 Biodiesel produkowany bezpośrednio z całkowitego ekstraktu lipidowego Isochrysis zawiera znaczną ilość (10-15% w/w) alkenonów, a zanieczyszczenie tymi związkami o wysokiej temperaturze topnienia skutkuje słabymi właściwościami niskotemperaturowymi paliwa. Jednak stosując opisane tutaj techniki zmydlania/ekstrakcji, alkenony można usunąć i odzyskać, co poprawia jakość biodiesla, tworząc jednocześnie wtórny strumień produktów. Niedawno zademonstrowaliśmy konwersję alkenonów w paliwo ciekłe poprzez metatezę krzyżową z 2-butenem (butenolizę).26 Reakcja butenolizy wykorzystuje komercyjny inicjator metatezy rutenowej, zachodzi szybko w niskiej temperaturze i pozwala na czyste otrzymanie przewidywalnej mieszaniny węglowodorów z zakresu paliw lotniczych. Reakcja ta jest prowadzona równolegle z syntezą biodiesla z kwasów tłuszczowych, co stanowi pierwsze kroki w kierunku podejścia typu „biorafineria”27 w celu komercyjnie opłacalnej produkcji biopaliwa z 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. ).
  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. DodaćH2O(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. DodaćH2O(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 przystąpieniem do przetwarzania, Isochrysis pasta (Iso-pastę) najpierw wysuszono. W większej skali udało się to wygodnie osiągnąć poprzez dodanie Iso– przenieść do dużej szalki krystalizacyjnej i pozostawić materiał do wyschnięcia na powietrzu w temperaturze pokojowej. Podczas suszenia tworzy się nieco zgromadzonej wody (zazwyczaj o czerwonym zabarwieniu), którą można usunąć poprzez zlanie lub odpipetowanie w celu przyspieszenia procesu suszenia. Po około 48–96 godzinach całkowicie wysuszony Isochrysis można było zdrapać z naczynia krystalizacyjnego i uzyskać w formie czarno-zielonego, płatkowego materiału o zapachu przypominającym wodorosty (Rysunek 2). Wydajność suchej biomasy wynosiła zazwyczaj 20% w/w pasty, zgodnie z deklaracją. W przeciwieństwie do tego, sproszkowana Isochrysis produkt (Izo-proszek) był żółto-brązowym, drobno zmielonym, suchym proszkiem (95% suchej masy), który stosowano bezpośrednio bez dalszego przetwarzania (Rycina 2).

Proces poprawy właściwości gleby; porównanie popiołu i biowęgla; wyniki eksperymentu; badanie nad poprawą jakości gleby.
Rysunek 2. Porównanie komercyjnych Isochrysis. Isochrysis pastę (80% wilgotności) rozprowadza się po dnie naczynia do krystalizacji i pozostawia do wyschnięcia na powietrzu w temperaturze pokojowej przez 48–96 godz. przed dalszą obróbką. W wyniku tego procesu powstała wysuszona Isochrysis otrzymuje się w postaci ciemnego, płatkowego materiału (po prawej), który różni się wyglądem od komercyjnego proszku Isochrysis (lewa). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Ekstrakcja Soxhleta za pomocą heksanów z wysuszonej pasty Iso lub proszku Iso- pozwoliła, po odparowaniu heksanów, na otrzymanie olejów algowych (h-AO), które pod względem wyglądu były podobne – stanowiły ciemnozielone/niemal czarne ciała stałe (t.top. ~ 50-60 °C). Wydajność h-AO przy wyjściowej paście („Iso-paste-hAO”) wynosiła zazwyczaj 20% w/w suchej biomasy Isochrysis, co jest zgodne z naszymi poprzednimi wynikami,26 podczas gdy wydajność h-AO przy ekstrakcji Soxhleta z komercyjnego proszku Isochrysis („Iso-powder-hAO”) wyniosła 15% w/w (Tabela 1).

Produkt (g)Iso-wklejIzolacja-proszek-1Iso-proszek-2
Sucha biomasa 302020
Olej algowy ekstrahowany heksanem 5.862.873.11
wolne kwasy tłuszczowe 3.521.341.38
Lipidy obojętne 2.341.381.61
Alkenony 0.940.630.74
Uwagi: Iso-powder-1 i Iso-powder-2 reprezentują wyniki z dwóch próbek sproszkowanego Isochrysis, które zostały przetworzone równolegle. W przypadku innych raportów dotyczących wydajności tych produktów z pasty Iso (Iso-paste) należy zapoznać się z referencjami 26, 32 i 3.

Tabela 1. Wydajność produktów z komercyjnej biomasy Isochrysis.

Acyloglicerole w h-AO przekształcono w odpowiadające im rozpuszczalne w wodzie sole karboksylowe (t.j. mydła) poprzez dodanie wodnego KOH w mieszaninie metanol/CH2Cl2. Następnie lipidy obojętne, w tym alkenony, wyekstrahowano z tej wodnej mieszaniny poprzez selektywne rozdzielanie heksanami. Po usunięciu lipidów obojętnych ponowne zakwaszenie mydeł doprowadziło do powstania odpowiadających im wolnych kwasów tłuszczowych (FFAs), które można było w podobny sposób wyekstrahować z fazy wodnej heksanami. Całkowite odzyski masy połączonych FFAs i lipidów obojętnych zarówno z Iso-paste-hAO, jak i z Iso-powder-hAO były konsekwentnie bliskie ilościowych. Jednak stosunek produktów (t.j. lipidów obojętnych + FFAs) był inny. Z Iso-paste-hAO otrzymano 60% (w/w) FFAs i 40% (w/w) lipidów obojętnych (Tabela 1). Z kolei Iso-powder-hAO okazał się wzbogacony w lipidy obojętne (średnio = 54% lipidów obojętnych + 46% FFAs), zgodnie ze szczegółami w Tabeli 1.

Estryfikacja wolnych kwasów tłuszczowych (FFA) z H2SO4 i metanol, co doprowadziło do powstania estrów metylowych kwasów tłuszczowych (FAME, t.j., biodiesel) w postaci ciemnozielonego, niemal czarnego tłustego płynu z wydajnością przekraczającą 90% (Rycina 3). Odbarwianie poprzez ogrzewanie nad Montmorillonitem K1029 glinka (MK10) dała następnie produkt o żółto-pomarańczowym kolorze, podobny pod względem wyglądu do innych komercyjnych paliw z biodiesla (patrz Lista materiałów) (Rycina 3). Wyniki analizy FAME odbarwionych Isochrysis paliwa biodieslowe przedstawiono w Tabela 2.

Układ do analizy chemicznej z fiolkami do chromatografii; proces rozdziału związków organicznych.
Rycina 3. Porównanie Isochrysis oraz biopaliwa z soi. Zielony Isochrysis biodiesel (środek) otrzymuje się poprzez estryfikację wyekstrahowanych i oczyszczonych wolnych kwasów tłuszczowych. Odbarwianie pozwala uzyskać produkt (prawo) o właściwościach zbliżonych do komercyjnego biodiesla (lewo). Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

FAMEAIso-pastaIso-proszek
14:016.419.4
14:01-0.3
15:0ślady0.3
16:010.18.8
16:1 Δ97.65.5
16:02ND0.3
16:03ND0.5
18:0Ślady0.2
18:1B12.114.3
18:028.17.1
18:3C8.513.5
18:0419.810.4
18:05ND3
20:05ND-
22:05ND2
2:066.91
ΣD89.896.2
Uwagi: ANomenklatura kwasów tłuszczowych to liczba węgli:#wiązania podwójne cis. BSuma 18:1 Δ9 + 18:1 Δ1. CSuma izomerów Δ6,9,12 oraz Δ9,12,15. DPozostały materiał to w przybliżeniu 50:50 inne FAME oraz komponenty niebędące FAME (łącznie ~95% FAME). ND = nie wykryto.

Tabela 2. Skład FAME biodizla otrzymanego z komercyjnej biomasy Iso-past i Iso-powder Isochrysis.

Lipidy obojętne otrzymano w formie zielonej mieszaniny stałej z wydajnością 40% m/m z Iso-paste-hAO oraz średnio 54% z Iso-powder-hAO (Tabela 1). Filtrowanie rozpuszczonych lipidów obojętnych przez krzemionkę przy użyciu DCM, a następnie odparowanie rozpuszczalnika, pozwoliło na otrzymanie czerwonopomarańczowej substancji stałej, którą można było rekrystalizować z heksanami w celu uzyskania analitycznie czystych alkenonów w formie białego proszku. Procedura ta pozwoliła na wyizolowanie alkenonów z wydajnością 16% (m/m) z Iso-paste-hAO oraz 25% 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).

Oświadczenia

Wzmianki o nazwach handlowych lub produktach komercyjnych w tej publikacji służą wyłącznie dostarczeniu konkretnych informacji i nie oznaczają rekomendacji ani poparcia ze strony Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych. USDA jest dostawcą równych szans i pracodawcą.

Podziękowania

Praca ta była wspierana przez National Science Foundation (CHE-1151492), Northwest Advanced Renewables Alliance (stypendium J. Wilsona-Peltiera) oraz poprzez prywatną darowiznę od przyjaciół WHOI. Dziękujemy Kevinowi R. Steidleyowi i Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) za doskonałą pomoc techniczną.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
IsochrysisReed MaricultureIso, Surowe, Nieprzetworzone, 20%dwPasta z żywych kultur bakterii, 20% w/w biomasy
IsochrysisNecton, S.AAADISS004PhytoBloom Prof Isochrysis (liofilizowany)
HeksanyFisher ChemicalH291-4Certyfikowany przez ACS
metanolFisher ChemicalA452-4HPLC
DichlorometanFisher ChemicalD37-4Certyfikowany/stabilizowany
aparat SoxhletaSigma Aldrich64826
Naparstek ekstrakcyjnySigma Aldrich64842
Bü chner LejekChemglassCG-1406-25
Wysokociśnieniowe naczynie reakcyjneChemglassCG-1880-12
Bibuła filtracyjna WhatmanGE Life Sciences1442-042Grade 42, popiół 0,007%, okrąg, 42,5 mm
Biodiesel (B100)Bellingham ShellBiodiesel (B100) w Rysunek 3 został zakupiony na lokalnej stacji benzynowej: Bellingham Shell, Bellingham, WA 98226
IsochrysisAquacaveOprócz Reed and Necton, Isochrysis można również kupić w Aquacave (Gurnee, IL) pod adresem: www.aquacave.com (dostęp 30 września 2015 r.).
IsochrysisBrine Shrimp DirectIsochrysis można również kupić w Brine Shrimp Direct (Ogden, UT) pod adresem: www.brineshrimpdirect.com (dostęp 30 września 2015 r.).

Bibliografia

  1. Ahmad, A. L., Mat Yasin, N. H., Derek, C. J. C., Lim, J. K. Microalgae as a sustainable energy source for biodiesel production: A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 15 (1), 584-593 (2011).
  2. Vardona, D. R., Sharmab, B. K., Blazinaa, G. V., Rajagopalanb, K., Strathmann, T. J. Thermochemical conversion of raw and defatted algal biomass via hydrothermal liquefaction and slow pyrolysis. Bioresour. Technol. 109, 178-187 (2012).
  3. Tenenbaum, D. J. Food vs fuel: Diversion of crops could cause more hunger. Environ. Health Perspect. 116, 254-257 (2008).
  4. Pienkos, D. T., Darzins, A. The promise and challenges of microalgal-derived biofuels. Biofuels, Bioprod. Biorefin. 3 (4), 431-440 (2009).
  5. U.S. First Crude Oil Purchase Price. , U.S Energy Information Administration. Available from: http://www.eia.gov/dnav/pet/hist/LeafHandler.ashx?n=PET&s=F000000__3&f=A (2015).
  6. Sheehan, J., Dunahay, T., Sheehan, J., Dunahay, T., Benemann, J., Roessler, P. A. A look back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program: Biodiesel from algae. , Prepared by the National Renewable Energy Laboratory, report NREL/TP-580-24190. Available from: www.nrel.gov/docs/legosti/fy98/24190.pdf (1996).
  7. Petkov, G., Ivanova, A., Iliev, I., Vaseva, I. A critical look at the microalgae biodiesel. Eur. J. Lipid Sci. 114 (2), 103-111 (2012).
  8. van Beilen, J. B. Why microalgal biofuels won't save the internal combustion engine. Biofuels, Bioprod. Biorefin. 4, 41-52 (2010).
  9. Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25 (3), 294-306 (2007).
  10. Wijffles, R. H., Barbosa, M. J. An outlook on microalgal biofuels. Science. 329, 796-799 (2010).
  11. Ferrell, J., Sarisky-Reed, V. National Algal Biofuels Technology Roadmap. Fishman, D., Majumdar, R., Morello, J., Pate, R., Yang, J. , United States Department of Energy. Available from: http://www1.eere.energy.gov/bioenergy/pdfs/algal_biofuels_roadmap.pdf (2010).
  12. Patterson, G. W., Tsitsa-Tsardis, E., Wikfors, G. H., Gladu, P. K., Chitwood, D. J., Harrison, D. Sterols and alkenones of Isochrysis. Phytochem. 35 (5), 1233-1236 (1994).
  13. Volkman, J. K., Eglinton, G., Corner, E. D. S. Long-chain alkenes and alkenones in the marine coccolithophorid Emiliania huxleyi. Phytochem. 19, 2619-2622 (1980).
  14. Conte, M. H., Thompson, A., Lesley, D., Harris, R. P. Genetic and physiological influences on the alkenone/alkenoate versus growth temperature relationship in Emiliania huxleyi and Gephyrocapsa Oceanica. Geochim. Cosmochim. Acta. 62 (1), 51-68 (1998).
  15. Brassell, S. C., Eglinton, G., Marlowe, I. T., Pflaumann, U., Sarnthein, M. Molecular stratigraphy: a new tool for climatic assessment. Nature. 320, 129-133 (1986).
  16. Marlowe, I. T., Brassell, S. C., Eglinton, G., Green, J. C. Long chain unsaturated ketones and esters in living algae and marine sediments. Org. Geochem. 6, 135-141 (1984).
  17. Prahl, F. G., Wakeham, S. G. Calibration of unsaturation patterns in long-chain ketone compositions for palaeotemperature assessment. Nature. 330, 367-369 (1987).
  18. Eglinton, G., Bradshaw, S. A., Rosell, A., Sarnthein, M., Pflaumann, U., Tiedemann, R. Molecular record of secular sea surface temperature changes on 100-year timescales for glacial terminations I, II and IV. Nature. 356, 423-426 (1992).
  19. Müller, P. J., Kirst, G., Ruhland, G., von Storch, I., Rosell-Melé, A. Calibration of the alkenone paleotemperature index U37K′ based on core-tops from the eastern South Atlantic and the global ocean (60°N-60°S). Geochim. Cosmochim. Acta. 62 (10), 1757-1772 (1998).
  20. Volkman, J. K., Barrerr, S. M., Blackburn, S. I., Sikes, E. L. Alkenones in Gephyrocapsa oceanica: Implications for studies of paleoclimate. Geochim. Cosmochim. Acta. 59 (3), 513-520 (1995).
  21. Eltgroth, M. L., Watwood, R. L., Wolfe, G. V. Production and cellular localization of neutral long-chain lipids in the haptophyte algae Isochrysis Galbana. and Emiliania Huxleyi. J. Phycol. 41, 1000-1009 (2005).
  22. Volkman, J. K., Everitt, D. A., Allen, D. I. Some analyses of lipid classes in marine organisms, sediments and seawater using thin-layer chromatography-flame ionisation detection. J. Chromatogr. A. 356, 147-162 (1986).
  23. Epstein, B. L., D'Hondt, S., Quinn, J. G., Zhang, J., Hargraves, P. An effect of dissolved nutrient concentrations on alkenone-based temperature estimates. Paleoceanography. 13 (2), 122-126 (1998).
  24. Prahl, F. G., Sparrow, M. A., Wolfe, G. V. Physiological impacts on alkenone paleothermometry. Paleoceanogaphy. 18 (2), 1025-1031 (2003).
  25. Sachs, D., Sachs, J. P. Inverse relationship between D/H fractionation in cyanobacterial lipids and salinity in Christmas Island saline ponds. Geochim. Cosmochim. Acta. 72 (25), 793-806 (2008).
  26. O'Neil, G. W., Culler, A. R., Williams, J. R., Burlow, N. P., Gilbert, G. J., Carmichael, C. A., Nelson, R. K., Swarthout, R. F., Reddy, C. M. Production of jet fuel range hydrocarbons as a coproduct of algal biodiesel by butenolysis of long-chain alkenones. Energy Fuels. 29 (2), 922-930 (2015).
  27. Foley, P. M., Beach, E. S., Zimmerman, J. B. Algae as a source of renewable chemicals: opportunities and challenges. Green Chem. 13, 1399-1405 (2011).
  28. Razon, L. F., Bacani, F. T., Evangelista, R. L., Knothe, G. Fatty acid profile of kenaf seed oil. J. Am. Oil Chem. Soc. 90 (6), 835-840 (2013).
  29. Issariyakul, T., Dalai, A. K. Biodiesel production from greenseed canola oil. Energy Fuels. 24, 4652-4658 (2010).
  30. Nalder, T. D., Miller, M. R., Packer, M. A. Changes in lipid class content and composition of Isochrysis. sp. (T-Iso) grown in batch culture. Aquacult. Int. 23, 1293-1312 (2015).
  31. Mercer, P., Armenta, R. E. Developments in oil extraction from microalgae. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 113 (5), 539-547 (2011).
  32. O'Neil, G. W., Carmichael, C. A., Goepfert, T. J., Fulton, J. M., Knothe, G., Lau, C. P. -L., Lindell, S. R., Mohammady, N. G. -E., Van Mooy, B. A. S., Reddy, C. M. Beyond fatty acid methyl esters: expanding the renewable carbon profile with alkenones from Isochrysis sp. Energy Fuels. 26, 2434-2441 (2012).
  33. O'Neil, G. W., Knothe, G., Williams, J. R., Burlow, N. P., Culler, A. R., Corliss, J. M., Carmichael, C. A., Reddy, C. M. Synthesis and analysis of an alkenone-free biodiesel from Isochrysis sp. Energy Fuels. 28 (4), 2677-2683 (2014).
  34. Knothe, G. Dependence of biodiesel fuel properties on the structure of fatty acid alkyl esters. Fuel Process. Technol. 86, 1059-1070 (2005).
  35. Valenzuela-Espinoza, E., Millán-Núñez, R., Protein Núñez-Cebrero, F. Protein, carbohydrate, lipid and chlorophyll a content in Isochrysis aff. galbana (clone T-Iso) cultured with a low cost alternative to the f/2 medium. Aquacult. Eng. 25, 207-216 (2002).
  36. Kulkarni, M. G., Dalai, A. K., Bakshi, N. N. Utilization of green seed canola oil for biodiesel production. J. Chem. Technol. Biotechnol. 81, 1886-1893 (2006).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Ekstrakcja lipid waparat Soxhletaheksanowy olej algowysaponifikacjawolne kwasy t uszczoweestryfikacjaizolacja alkenon w
Protokół eksperymentalny produkcji biodiesla z izolacją alkenonów jako produktów ubocznych z komercyjnej biomasy glonów Isochrysis
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.