Caracterização qualitativa da fração aquosa de Hydrothermal Liquefação de algas por cromatografia gasosa 2D com Time-of-flight Espectrometria de Massa

Resumo

Um método bidimensional de cromatografia gasosa e espectrometria de massa por tempo de voo é descrito para caracterização da fração aquosa de bio-crude produzido a partir da liquefação hidrotermal de algas. Este protocolo também pode ser empregado para analisar a fração aquosa de produtos líquidos de pirólise rápida, pirólise rápida catalítica, desoxigenação catalítica e hidrotratamento.

Resumo

cromatografia gasosa bidimensional acoplada a espectrometria de massa de tempo de voo é uma ferramenta poderosa para a identificação e quantificação de componentes químicos em misturas complexas. Ele é frequentemente usado para analisar a gasolina, querosene de aviação, diesel, bio-diesel e da fracção orgânica do bio-crude / bio-óleo. Na maioria destas análises, a primeira dimensão de separação é não polar, seguido de uma separação polar. As fracções aquosas de bio-crude e de outras amostras aquosas de produção de biocombustíveis foram examinados com combinações de colunas semelhantes. No entanto, as técnicas de preparação de amostras, tais como a derivatização, extracção por solventes e extracção em fase sólida foram necessárias antes da análise. Neste estudo, as fracções aquosas obtidas a partir da liquefacção hidrotérmica de algas foram caracterizados por cromatografia em fase gasosa bidimensional acoplada a espectrometria de massa de tempo-de-voo, sem técnicas de preparação da amostra anterior usando uma separação polar na primeira dimensão, seguidopor uma separação de não-polar no segundo. parcelas bidimensionais desta análise foram comparados com os obtidos a partir da configuração da coluna mais tradicional. Os resultados de caracterização qualitativa das fracções aquosas de algas bio-em bruto são discutidos em detalhe. As vantagens da utilização de uma separação polar seguido por uma separação de não-polar para a caracterização de produtos orgânicos em amostras aquosas por cromatografia em fase gasosa bidimensional acoplada a espectrometria de massa de tempo-de-voo são realçados.

Introdução

Crescimento constante da procura de combustíveis líquidos, finitos recursos de combustíveis fósseis, a incerteza do abastecimento de combustíveis fósseis e as preocupações com o aumento da concentração de gases de efeito estufa na atmosfera têm aumentado a consciência global por recursos renováveis ^​​1. A energia solar (incluindo energia fotovoltaica e termo-solar), energia eólica, hidráulica, geotérmica e biomassa são as fontes renováveis ​​primárias que poderiam substituir a energia derivado de energia fóssil ^2. Destes, a biomassa é a única fonte de energia alternativa à base de carbono para a produção de combustíveis de transporte de líquidos e produtos químicos de alto valor ^3. A biomassa inclui qualquer material orgânico, como recursos florestais, resíduos agrícolas, algas, sementes oleaginosas, resíduos sólidos urbanos e resíduos industriais ricos em carbono (por exemplo, da indústria de celulose e papel ou de processamento de alimentos) ^1. A biomassa é classificados em duas grandes categorias: matérias-primas lignocelulósicas e não-lenhosas com base em COMcaracterísticas posicionais. A biomassa lignocelulósica é composta de carboidratos e lignina, enquanto matérias-primas não-lenhosas têm proteínas, hidratos de carbono e lípidos / óleos ^4. Matérias-primas lignocelulósicas, derivados de plantas terrestres, só pode satisfazer 30% do combustível atual líquido (gasolina, combustível de aviação e diesel) a demanda se sustentavelmente cultivadas e colhidas ^5,6. Assim, os microorganismos aquáticos não-lenhosas, como microalgas e fungos, são consideradas matérias-primas potenciais para a produção de combustíveis líquidos renováveis ​​para complementar os recursos lignocelulósicos.

Matérias-primas de microalgas têm o potencial para satisfazer transporte de combustíveis líquidos atual exigir ^7,8. As algas têm muitas vantagens: alta produtividade areal ^8, a capacidade de crescer em baixa qualidade, salobra ou água do mar ^9, e a capacidade de acumular triglicérides ou hidrocarbonetos ^7,8 densos em energia. liquefação hidrotermal (HTL) é uma co viável e escalávelnVersão processo que utiliza água naturalmente associado com matérias-primas de algas ou aquáticos ^10,11. É um processo de termo-química com temperaturas de operação de 250-400 ° C e pressões de funcionamento de 10-25 MPa, o que produz um produto líquido, ou bio-bruto, o qual pode ser transformada numa mistura de estoque de combustível. Bio-HTL em bruto produzido a partir de algas tem fracções orgânicas e aquosas distintas e facilmente separáveis. A fracção orgânica dos bio-crude podem ser eficientemente convertido em um estoque de mistura pronta refinaria via catalíticos processos de hidro-tratamento ^11. A fracção aquosa de bio-bruto contem ~ 30% do total de carbono presente na matéria-prima de algas. Apesar de milhares de compostos foram identificados na corrente aquosa HTL, as fracções predominantes consistem em produtos oxigenados de baixo peso molecular (incluindo os ácidos, álcoois, cetonas e aldeídos) formados pela degradação de hidratos de carbono e lípidos, e heterociclos de azoto (incluindo pirroles, piridinas , pirazines, e imidazoles) derivados da decomposição de proteínas ^12. Estudos sobre a utilização da fracção aquosa para melhorar a economia global do processo, bem como a sustentabilidade estão em andamento. O gás de síntese pode ser produzido a partir da fracção aquosa de algas bio-catalítico em bruto através hidrotérmica gaseificação ^{10,13, 14.} Alternativamente, compostos orgânicos na fracção aquosa pode também ser cataliticamente convertido em aditivos para combustíveis e produtos químicos especiais. A pesquisa sobre otimização de estudos de gaseificação hidrotermal e triagem catalisador catalíticos para a conversão de orgânicos na fase líquida aquosa está em andamento no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL). Para este trabalho, tanto qualitativa como quantitativa caracterização da fracção aquosa de algas bio-bruto é necessária. Desde a fração aquosa de algas bio-crude é considerado um fluxo de resíduos, há muito poucos estudos que analisaram a fração aquosa de algas bio-crude ^13,15. Além disso, a recenteestudos concluíram que converter essa água algas HTL para de alto valor bio-produtos melhoraria a sustentabilidade, bem como a economia de uma baseada em HTL bio-refinaria ^11. Portanto, este estudo centrou-se no desenvolvimento de um método para a caracterização qualitativa da fracção aquosa de bio-em bruto obtido a partir de HTL de algas por meio de cromatografia gás-bidimensional acoplada a espectrometria de massa de tempo-de-voo (GC × GC-TOF-MS).

GC × GC-TOF-MS é a técnica mais promissora cromatográfica analítica para aumentar a resolução de (ou separação de compostos químicos numa amostra), a capacidade de pico (isto é, número de picos resolvidos), a relação sinal-para-ruído (para a identificação de compostos químicos com alta confiança), e para evitar a co-eluição de ¹⁶ compostos químicos. A fim de maximizar a resolução, a capacidade de pico, e o sinal e o ruído, duas colunas de GC com diferentes fases estacionárias são ligados em série através de um encaixe à pressão connector ou micro-união ¹⁷ (ver Figura 1 que é um diagrama de blocos de sistema GC × GC-TOF-MS encontrado utilizada neste estudo). Um modulador está localizada entre o conector de encaixe por pressão e colunas secundárias a armadilha, reorientar e re-injectar-se os efluentes da coluna primária na coluna secundária ^18. Modulação ocorre na coluna secundária no presente estudo, como mostrado na Figura 1. A coluna secundária é então ligado ao TOF-MS por meio de um conjunto de linha de transferência.

GC × GC-TOF-MS foi utilizada anteriormente para qualitativa, bem como análise quantitativa de amostras orgânicas tais como petróleo bruto ^16,19, gasolina, jet-fuel, diesel, bio-diesel, e da fracção orgânica do bio-combustível ^{20- 22} produzida a partir de termo-química bem como a conversão catalítica processos ^termo-23,24. Para caracterização destas amostras orgânicos em GC × instrumentos GC-TOF-MS, uma longa coluna não polar Wcomo utilizada como a coluna principal, enquanto uma coluna curta polar foi utilizada como a coluna secundária. Esta configuração de coluna convencional resolve compostos químicos baseados nas diferenças de volatilidade ao longo da primeira dimensão, seguido de polaridade na segunda dimensão ^18. Amostras aquosas ou água de processos biológicos, processamento de alimentos e resíduos ambientais também foram caracterizados usando configurações similares primário / secundário coluna após a amostra tinha sido através da preparação passos ^17,25-30. Técnicas de preparação de amostras, tais como a derivatização, de extracção em fase sólida, e extracção com solvente orgânico ter sido utilizada antes de GC × análise por GC-TOF-MS ^{17,27-29,31,32.} Estas técnicas foram destinadas a diminuir a polaridade dos compostos na amostra para análise utilizando uma coluna de configuração convencional ^33. Uma estratégia alternativa foi empregada no presente estudo baseado na natureza da amostra (compostos orgânicos polares aqui em água)utilizando a configuração / primário inverso secundário coluna de GC × análise por GC-TOF-MS. Uma vez que a fracção aquosa da bio-em bruto produzido a partir de HTL tem compostos polares ^13, uma combinação de coluna de uma coluna polar primária e uma coluna não polar secundária foi usada no GC × GC-TOF-MS, sem qualquer preparação da amostra a montante. Esta combinação coluna primário / secundário resolve compostos químicos baseados nas diferenças de polaridade sobre a primeira dimensão, seguido pela volatilidade na segunda dimensão. Existem métodos analíticos limitada na literatura para a caracterização de amostras aquosas utilizando cromatografia gasosa bidimensional sem processamento da amostra ¹⁵ antes.

O objetivo deste estudo foi determinar os compostos químicos presentes na fração aquosa de algas bio-crude. Para atingir este objectivo, a GCxGC-TOF-MS método de aquisição de dados foi desenvolvido com uma combinação coluna de coluna polar (primAry) × não polar (secundária). Klenn et ai. (2015) sugeriram que o aumento do comprimento da coluna principal (especialmente 60 m colunas de GC) e reduzindo o desvio de temperatura da coluna secundária em relação à coluna primária seria maximizar a capacidade de pico e resolução ^16-18. Portanto, uma coluna de 60 m primário e 5 ° C compensada temperatura da coluna secundária em relação à coluna primária foram utilizados neste estudo. O período de modulação óptima foi determinada seguindo um protocolo descrito neste estudo (ver secção 4). A taxa óptima rampa de temperatura da coluna de GC foi determinada por um método de tentativa e erro e é semelhante ao valor sugerido na literatura ^16-18. Para discutir as vantagens desta combinação coluna para amostras aquosas, analisamos amostras de água algas HTL com a combinação de coluna convencional de × não polares polares. Os parâmetros de operação sugeridas na literatura foram utilizados para analisar a aquosafração de algas bio-crude com um × não-polar combinação coluna polar ^18.

Protocolo

Preparação 1. Amostra

1. Gerar um fluxo misto aquoso / orgânico do produto através de HTL fluxo contínuo de algas de acordo com o desenho do reactor e procedimento experimental encontrada na literatura ^10,11.
2. Utilizar um separador por gravidade para separar a corrente de produto para uma fase aquosa e a fase orgânica.
3. Filtro de 10 ml da fase aquosa HTL utilizando um filtro de seringa de 0,45 um e guardar num frigorífico mantida a 4 ° C durante GC × análise por GC-TOF-MS.

2. Componentes Instrument

1. Use um cromatógrafo a gás (GC) equipado com um duplo estágio modulador jet-quad refrigeração à base e time-of-flight (TOF) espectrômetro de massa (MS) para estes experimentos.
2. Configurar o amostrador automático para injectar 1 ml de cada amostra ou padrão para a GC. Use um delineamento em blocos casualizados da amostra e injeções padrão para a sequência de auto-amostrador como descrito na literatura ^13. o randomiblocos zed é comumente usado em estudos quantitativos para controlar a operação do instrumento. Nosso laboratório utiliza o design rotineiramente, mesmo em estudos comparativos para verificar o funcionamento do aparelho.
3. Ligue a coluna primária e secundária através de um conector de imprensa estanque antes do modulador. Certifique-se que ambas as bordas de ambas as colunas primárias e secundárias são cortadas em linha reta, sem bordas afiadas antes de ligar ao conector de press-apertado.
4. Coloque virola na coluna de GC e, em seguida, ligar coluna primária para o injector de CG, de forma que 5 milímetros de coluna está dentro do injector.
5. Certifique-se que revestimento de vidro, non-stick forro O-ring e septos para injector GC são novos e livres de contaminação.
6. Use 1/16 x 0,5 mm virolas linha de transferência ID para conectar a linha da coluna e transferência secundária. Coloque uma porção de 0,2 m de coluna secundária na linha de transferência.
7. Assegure-se que uma porção da coluna secundária é de 0,1 m no modulador.
8. Use ultra pureza de héliogás como um gás de transporte para a GC, a uma taxa de fluxo de 1,5 ml min ^-1.
9. Assegurar que existe azoto líquido suficiente no vaso Dewar, que actua como um fluido de arrefecimento no modulador. O nível de azoto líquido no vaso Dewar pode ser previsto utilizando um manómetro ligado à sua saída. A 69 kPa a leitura do medidor de pressão indica que o Dewar é cheio, enquanto que 0 indica que kPa ela está vazia.

3. Protocolos antes de analisar amostras

1. Garantir que não haja grandes vazamentos no instrumento. Se a leitura do indicador de vácuo do MS-TOF é maior do que 2,7 x 10 ⁵ Pa durante 1,5 ml caudal da coluna min ^-1 GC, isto indica uma grande fuga no sistema.
2. Set-up o método de controle de qualidade (QC) e correr embutido protocolo "de aquisição de ajustes no sistema 'para obter uma resposta máxima do sinal usando o protocolo do fabricante.
3. Execute embutido protocolos 'otimização instrumento' de método QC, em série - FILAMfoco ent, foco ion óptica e testes de calibração de massa usando o protocolo do fabricante. Certifique-se de que o teste de calibragem de massa passa. Este método QC garante que todos os parâmetros do instrumento de hardware está no nível óptimo.
4. Executar uma "verificação de vazamento", usando o protocolo do fabricante. Analisar gera automaticamente relatório de verificação de vazamento. Certifique-se de que a concentração relativa de 28 (N _2), 32 (O ₂₎ e 18 (humidade) iões deve ser inferior a menos de 10%, 3% e 5% de espectros de massa do padrão interno de 69 iónica, respectivamente.
5. Sintonize o TOF-MS usando o protocolo do fabricante.
6. método de executar controle de qualidade, bem como protocolo de sintonia TOF-MS antes e depois da verificação de vazamento e também ao analisar as amostras e padrões.

4. protocolo para determinar o Optimum Modulation Período de modulador

1. Arbitrariamente selecionar um longo período de modulação (por exemplo, 10 segundos ou 13 segundos). Injectar uma amostra, conforme descrito no ponto 2.2.
2. Identificar o tempo de retenção na segunda dimensão do gráfico de contorno após o qual há picos elui. Selecione o tempo de retenção dimensão segunda identificada como período de modulação ideal. Figura 2 claramente elucidar a identificação do tempo de retenção na segunda dimensão do gráfico de contorno.
3. Aumentar o período de modulação utilizado no passo 4.1 e executar a análise novamente se "envolvente" é observada ^18. Envolver em torno de fenômenos ocorre se os picos na segunda dimensão elui abaixo da linha de base da primeira dimensão. Gráfico de contorno Exemplo para 'envolvente' é mostrado em informações suplementares Figura 3.
4. Repita os passos 4.2 e 4.3 até que o valor ideal é determinado.

5. Parâmetros experimentais de Instrumento Set-up

1. Instalar um (60 mx 0,25 mm x 0,5 mm de espessura de filme) coluna capilar como a coluna principal e um não-polar (2,3 mx 0,25 mm x 0,5 mm de espessura de filme) Capilla polarRY coluna como a coluna secundária. Cozer a coluna primária e secundária, durante pelo menos 2 horas, para remover quantidades vestigiais de humidade, do ar e contaminantes associados com novas colunas de GC.
2. Use ultra pureza gás hélio como gás de transporte para a GC, a uma taxa de fluxo de 1,5 ml min ^-1.
3. Definir o injector de GC para uma temperatura de 260 ° C e a uma razão de divisão de 1: 250.
4. Empregar o seguinte programa de temperatura para a coluna primária: uma temperatura constante de 40 ° C durante 0,2 minutos, seguido de uma rampa de temperatura de 260 ° C a 5 ° C ^min-1, seguida de uma temperatura constante de 260 ° C durante 5 min.
5. Manter o modulador de temperatura 5 ° C mais elevada do que a da coluna secundária e a temperatura da coluna secundária a 5 ° C mais elevada do que a da coluna primária.
6. Use um período de modulação ideal de 4 segundos com 0,8 seg de pulso quente e 1.2 seg de pulso frio. Este valor é determinado com base no protocolo descrito no section 4.
7. Ajuste a temperatura linha de transferência a 270 ° C.
8. Definir o atraso de aquisição ou atraso solvente a 0 seg.
9. Defina o intervalo inferior e superior de m / z de 35 e 800, respectivamente.
10. Definir a taxa de aquisição de detector MS em 400 espectros / seg.
11. Manter a tensão detector MS a 150 V superior ao valor otimizado.
12. Manter a temperatura da fonte MS de iões a 225 ° C.

Análise 6. Os dados

1. Executar o processamento de dados usando o software fornecido pelo fabricante do instrumento.
2. Selecione as seguintes tarefas no método de análise de dados - Compute linha de base, encontrar picos acima da linha de base, pesquisa de biblioteca e calcular são / altura.
3. Acompanhe a linha de base por meio do arquivo de dados. Enter base deslocamento como 0,5.
   Entre largura do pico esperado de 15 segundos na primeira dimensão e 0,15 segundos na segunda dimensão.
4. Definir a relação sinal-ruído como 5.000 e similaridade valores de> 850 para identificação de compostos.
5. Selecione uma biblioteca de espectros de massa disponíveis comercialmente para identificar compostos químicos presentes em amostras e definir o modo de busca da biblioteca de transmitir.
6. Processar os arquivos de dados usando este método de análise de dados utilizando o protocolo do fabricante. Ele requer pelo menos 1 hora para processar um arquivo de dados.

Resultados

Um cromatograma iónico total (TIC) obtido para a fracção aquosa de algas bio-bruto analisada com uma combinação de coluna de × polar não polar é mostrado na Figura 4. Os tempos de retenção e os valores de semelhança ou factor de partida de compostos identificados através de pesquisa contra um Nacional Instituto de Padrões e Tecnologia biblioteca (NIST) estão tabelados na Tabela 1. oxigenados (tais como cyclopenatanone, compostos furânicos e dianhydromann...

Discussão

Os resultados ilustram claramente a capacidade da combinação de coluna × polar não-polar para resolver os compostos polares e de materiais voláteis leves presentes na fracção aquosa de algas bio-bruto, sem técnicas de preparação da amostra antes. Drástica distorção de picos foi observado para os ácidos orgânicos e compostos N-possível, usando a combinação × coluna polar não-polar. Este tailing pico não foi observado para os primeiros produtos orgânicos leves de eluição. Este comportamento foi reprodutível quando a verif...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
GC &vezes; GC– TOF/MS	Leco	PEG4D11DLN15	Comercial Pegasus 4D
ChromaTOF versão 4.50	Leco		Software de análise de dados
Rxi-5MS GC coluna	Restek	13420	coluna de 2,3 m foi utilizada a partir desta coluna.
Coluna Stabilwax GC	Restek	10626
HP-5 Coluna GC	Agilent	19091J-416
Coluna Stabilwax GC	Restek	15121
Conector Presstight	Restek	20430
Revestimento do injetor GC	Restek	23305.5
Virolas do injetor GC	Agilent	5181-3323
Anéis de vedação de revestimento antiaderente	Agilent	5188-5365
Virulas de linha de transferência	Restek	20212
Etanol	Sigma-Aldrich	459844	Grau de cromatografia
Acetona	Sigma-Aldrich	414689	Grau de cromatografia
Ácido acético	Sigma-Aldrich	320099	Cromatografia grau
2-butanona	Sigma-Aldrich	360473	Grau de cromatografia
Ácido propanóico	Sigma-Aldrich	402907	Grau de cromatografia
butanóico	Sigma-Aldrich	19215	Grau de cromatografia
Piridina	Sigma-Aldrich	270970	Grau de cromatografia
Pirazina	Sigma-Aldrich	65693	Grau
Acetamida	Sigma-Aldrich	695122	Cromatografia grau
2,5-pirrolididiona	Sigma-Aldrich	S9381	Cromatografia grau
N-metilsuccinimida	Sigma-Aldrich	325384	Cromatografia grau
N-(2-hidroxietil)succinimida	Sigma-Aldrich	444073	Cromatografia grau