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

Ogólnym celem niniejszej procedury jest produkcja biodiesla z komercyjnie dostępnych alg Isochyrsis, przy jednoczesnej koizolacji długołańcuchowych alkenonów jako wartościowego produktu ubocznego. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie energii odnawialnej, takie jak to, czy biopaliwa algowe stanowią realną alternatywę dla paliw pochodzenia naftowego.

Główną zaletą tej techniki jest to, że wykorzystywane przez nas algi są już hodowane przemysłowo i mogą być nabywane w ilościach wielokilogramowych od kilku komercyjnych dostawców. Ponadto te konkretne algi biosyntetyzują unikalny zestaw lipidów, znanych jako długołańcuchowe alkenony, które mogą być izolowane jako produkt uboczny. Procedurę zaprezentuje John Williams, doktorant w moim laboratorium.

Aby przygotować dostępną komercyjnie mokrą pastę z isochrysis, należy wyciąć niewielki otwór w opakowaniu o masie jednego kilograma i wycisnąć około 300 g na szalkę krystalizacyjną o wymiarach 150 by 75 mm. Pasta składa się w około 80% z wody, ma ciemnozielony, niemal czarny kolor i ostry zapach. Pastę należy wysuszyć na powietrzu, tworząc warstwę o grubości około 20 mm.

Przenieś suchą biomasę do kolumienki do ekstrakcji celulozy o znanej masie. Następnie zapisz masę biomasy Isochrysis. Przenieś około 50–60 g suchej biomasy Isochrysis do aparatu ekstrakcyjnego Soxhleta.

Następnie należy napełnić kolbę aparatu Soxhleta 400 mililitrami heksanów. Należy uruchomić dopływ wody do chłodnicy oraz źródło ciepła i pozostawić aparat Soxhleta do pracy w cyklu przez jeden do dwóch dni. Ekstrakcja jest zakończona, gdy kolor rozpuszczalnika zmieni się z ciemnozielonego na bladożółty.

Ostudzić do temperatury pokojowej i odparować heksany za pomocą rotacyjnego odparowacza. Na koniec zważyć olej algowy w heksanie. Następnie rozpuścić olej algowy w heksanie w kolbie, dodając 10 objętości mieszaniny metanolu i dichlorometanu w stosunku dwa do jednego.

Następnie należy dodać mieszadło magnetyczne oraz wodę w ilości dwa i dwie trzecie objętości oleju, a także wodorotlenek potasu w masie stanowiącej połowę masy oleju. Teraz należy podłączyć kolbę do chłodnicy zwrotnej o długości 500 mm. Mieszaninę należy ogrzewać przy ciągłym mieszaniu w temperaturze 60 °C przez trzy godziny w dygestorium.

Po ochłodzeniu mieszaniny reakcyjnej odparuj rozpuszczalniki organiczne za pomocą rotavapora. Następnie przelej pozostałą mieszaninę wodną do rozdzielacza o pojemności jednego litra i dodaj równą objętość heksanów. Przepłucz kolbę heksanami, aby upewnić się, że cały materiał został przeniesiony do rozdzielacza.

Wstrząśnij lejkiem i poczekaj, aż warstwy się rozdzielą. Następnie zlej dolną warstwę wodną do kolby, a górną fazę organiczną przelej do drugiej kolby. Zachowaj obie warstwy.

Powtarzać ekstrakcję heksanem do momentu, aż warstwa organiczna uzyska bladożółto-zielony kolor. Następnie połączyć zebrane ekstrakty organiczne i odparować je za pomocą wirówki rotacyjnej w celu wyizolowania lipidów neutralnych. Lipidy te występują w postaci zielonkawej substancji stałej i mają temperaturę topnienia w zakresie od 60 do 70 °C.

Następnie zakwasz fazę wodną do pH 2, używając sześciomolarnego kwasu solnego. Potem wyekstrahuj wolne kwasy tłuszczowe z zakwaszonej fazy wodnej, wykorzystując heksany i rozdzielacz, analogicznie jak poprzednio. Na koniec odparuj heksany z połączonych ekstraktów organicznych za pomocą wirówki rotacyjnej, aby otrzymać oczyszczone wolne kwasy tłuszczowe.

Ciemnozielona, niemal czarna tłusta pozostałość, która topi się nieco powyżej 30 °C. Rozpuścić kwasy tłuszczowe w sześciokrotnej objętości mieszaniny metanolu i chloroformu, a następnie przelać roztwór do grubościennego reaktora wysokociśnieniowego z mieszadłem magnetycznym, przepłukując naczynie, aby zapewnić przeniesienie wszystkich kwasów tłuszczowych do reaktora. Następnie, pod wyciągiem, dodać stężony kwas siarkowy.

Uszczelnij kolbę i podgrzewaj mieszaninę do 90 °C, stale mieszając przez godzinę. Po ochłodzeniu mieszaniny reakcyjnej do temperatury pokojowej, przelej ją do rozdzielacza i dodaj dwie objętości wody. Następnie wstrząśnij rozdzielaczem, poczekaj do rozdzielenia się faz i zlej dolną warstwę do wcześniej zważonej kolby okrągłodنnej.

Następnie zagęszcz roztwór za pomocą wirówki rotacyjnej i zmierz masę otrzymanego biodiesla; substancja ta może być teraz analizowana przy użyciu chromatografu gazowego. Lipidy obojętne można zebrać ze ścianek kolby okrągłodennej, zważyć i przenieść do kolby w celu puryfikacji. Rozpocznij od rozpuszczenia lipidów obojętnych w minimalnej ilości dichlorometanu.

Następnie nanieś roztwór na górną część kolumny chromatograficznej wypełnionej 100 g żelu krzemionkowego. Kolejnie, przy użyciu niewielkiego ciśnienia, wypłucz roztwór przez krzemionkę, używając około 150 ml dichlorometanu. Na górze kolumny należy dodać cienką warstwę piasku, aby zapobiec zmąceniu żelu podczas napełniania rozpuszczalnikiem.

Zebrać żółty osad do kolby okrągłodennej o pojemności 250 ml. Następnie odparować dichlorometan za pomocą rotacyjnego odparowacza. Wynikiem powinna być pomarańczowa substancja stała.

Przeprowadź ponowną krystalizację ciał stałych w gotujących się heksanach. Najpierw dodaj początkowo 100 milliliters, a następnie kontynuuj dodawanie gotujących się heksanów, aż roztwór stanie się jednorodny. Następnie powoli schłodź roztwór do temperatury pokojowej, aby wspomóc krystalizację, a następnie zbierz skrystalizowane alkenony za pomocą zestawu filtracyjnego.

Użyj niewielkiej objętości lodowatego heksanu do wypłukania kolby. Przed przetworzeniem pasta z isochrysis została najpierw wysuszona, aby uzyskać czarny, zielony, łuseczkowaty materiał o zapachu przypominającym wodorosty. Z kolei sproszkowana isochrysis była żółtobrązowym, drobno zmielonym suchym proszkiem, który wykorzystano bez dodatkowej obróbki.

Ekstrakcja z obu materiałów za pomocą aparatury Soxhleta z użyciem heksanów pozwoliła na uzyskanie olejów algowych o wydajnościach znacznie wyższych w przypadku pasty niż w przypadku proszku. Acylogliceryle w oleju algowym przekształcono w rozpuszczalne w wodzie karboksylany, z których neutralne lipidy i wolne kwasy tłuszczowe wyekstrahowano w objętościach bliskich ilościowych z obu materiałów wyjściowych. Jednakże stosunek produktów był różny.

W wyniku estryfikacji otrzymano metyloestry kwasów tłuszczowych. Są one znane również jako biodiesla, ciemnozielony, niemal czarny, oleisty płyn. Wydajność przekroczyła 90%. Produkt został odbarwiony zgodnie z opisem w protokole tekstowym.

Analiza FAME oczyszczonych biopaliw z diesla wykazała podobne, lecz nie identyczne profile dla obu materiałów wyjściowych. Filtrowanie rozpuszczonych lipidów obojętnych przez krzemionkę przy użyciu DCM pozwoliło na otrzymanie czerwonopomarańczowej substancji stałej, która została poddana rekrystalizacji z heksanami w celu uzyskania analitycznie czystych alkenonów. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat przetwarzania dostępnych komercyjnie glonów z rodzaju Isochrysis na biodiesla wraz z izolacją czystych alkenonów jako produktu ubocznego.

Po opanowaniu technika ta pozwala na systematyczne otrzymywanie znacznych ilości biodiesla z alg oraz alkenonów do dalszych badań. Jej opracowanie utorowało nam drogę do krytycznej oceny właściwości paliwowych biodiesla z alg, dostarczając wystarczających ilości substancji do przeprowadzenia różnych testów paliwowych, zamiast polegania na przewidywaniach lub symulacjach. Należy pamiętać, że praca z silnymi kwasami lub zasadami oraz podgrzewanie zawartości w zamkniętym naczyniu może być niezwykle niebezpieczne.

Należy pamiętać o stosowaniu odpowiednich środków ochrony osobistej i pracy w dygestorium podczas wykonywania tych kroków.