פרוטוקול ניסויי עבור ייצור ביודיזל עם בידוד של Alkenones כמו קו-מכפלה מ מסחרי

Environment
 

Summary

שיטות מפורטות מוצגות לייצור ביודיזל יחד עם שיתוף הבידוד של alkenones כמו קו-מכפלה חשובה מכל microalgae המסחרי Isochrysis.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

O'Neil, G. W., Williams, J. R., Wilson-Peltier, J., Knothe, G., Reddy, C. M. Experimental Protocol for Biodiesel Production with Isolation of Alkenones as Coproducts from Commercial Isochrysis Algal Biomass. J. Vis. Exp. (112), e54189, doi:10.3791/54189 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

הצורך להחליף דלקי נפט עם חלופות מתחדשים ועוד מקורות קיימים סביבתי היא גובר חשיבות. ביומסה הנגזרות דלק הביולוגי זכה לתשומת לב ניכר בעניין זה, אולם דלק ביולוגי מהדור הראשון מגידולים אכילים כמו אתנול תירס או סויה ביודיזל כלל נפל מחוץ טוב. יש אפוא עניין רב בפיתוח שיטות לייצור דלקים נוזליים שנתקבלו מהארץ מעולה שאינו אכיל. כאן אנו מתארים הליך מפורט לייצור של ביודיזל מטוהר מן Isochrysis microalgae הימי. בנוסף, חבילה ייחודית של שומנים המכונים alkenones ארוך שרשרת רבה בלתי רווי מבודדת במקביל כמו קו-מכפלת ערך הפוטנציאלי כדי לקזז את העלות של ייצור ביו דיזל. כמויות Multi-קילו של Isochrysis נרכשות משני מקורות מסחריים, אחד בתור (מי 80%) רטוב דבק כי הוא מיובש ראשון לפני העיבוד, ואת otלה אבקה הסתובבה יבשה (95% יבשים). ליפידים מחולצים עם hexanes במנגנון Soxhlet לייצר שמן אצות ( "שמן אצות הקסאן") המכיל גם שומנים מסורתיים (כלומר, טריגליצרידים, 46-60% w / w) ו alkenones (16-25% w / w). סבון של וטריגליצרידים שמן האצות מאפשר פרדה של חומצות שומן חופשיות שתעוררנה (חומצות שומן חופשיות) מן השומנים ניטראליים המכיל alkenone. חומצות שומן חופשיות ואז מומרים ביודיזל (כלומר, אסטרים מתיל חומצות שומן, fames) על ידי esterification חומצה-catalyzed בעוד alkenones מבודדים מטוהר מן השומנים הניטראליים ידי התגבשות. אנו מדגימים כי ביודיזל משני biomasses המסחרי Isochrysis יש פרופילי FAME דומים אך לא זהה, מאופיין תוכן חומצת שומן רב בלתי רווי גבוה (כ 40% w / w). תשואות של ביודיזל היו גבוהות באופן עקבי כאשר החלו המשחה הרטובה Isochrysis (12% w / w לעומת 7% w / w), אשר ניתן לייחס להנמיך סכומים אוי אצות הקסאןl המתקבל מוצר Isochrysis האבקה.

Introduction

לאחרונה חלו התעוררות מחודשת גדולה של עניין דלק ביולוגי מאצות, במיוחד לייצור דלקים נוזליים כגון ביודיזל 1 ושמנים הנגזרים ביומסה אחרת. 2 יתרונות מוצעים הסרים מזון מסוים לעומת מחלוקות דלק 3 ועל פי דיווחי productivities הגבוה ויכולות הקלה CO 2 מאשר גידולים חקלאיים מסורתיים. 4 זאת בעקבות כמעט 20 שנה ארצות הברית מחלקת תוכנית מינים ימיים של אנרגיה (ASP) החלה בשנת 1978 לצורך חקירת דלק תחבורה מאצות. כפי שצוין בדוח של שיהאן, 5 והתכנית הסתיימה בשנת 1996 בעיקר בשל עלויות חזויות לא היו תחרותיים עם נפט גולמי באותה עת (18.46 $ לחבית (159 L)). בעוד העלות של נפט גדל באופן דרמטי מאז (87.39 $ לחבית ב -2014) 6, אשר מחובר הרנסנס במחקר ביו-דלק אצות, כמה שעותave טען כי בכל זאת דלק ביולוגי אצות יוכיח יקר מדי. 7 כפי אסטרטגיה אחת כדי לקזז עלויות ייצור דלק ביולוגי, הרעיון של קו-מכפלה ערך מוסף התפתחה בקרב מבקרי 7,8 ו חסידי 9,10 ותכונות כאחת הסיבות המרכזיות רודף דלק ביולוגי אצות במחלקה אנרגיה ארצות הברית (DOE) "מפת הדרכים הטכנולוגית הלאומי אצות Biofuels". 11

כאן אנו מתארים שיטה קופרודוקציה של שני זרמי דלק נפרדים מן microalgae המסחרי Isochrysis. התמקדנו Isochrysis בין שאר משום שהוא כבר מיוצר באופן תעשייתי, שנקטף למטרות של חקלאות ימית, וגם בגלל Isochrysis הוא רק אחד מתוך כמה מינים של אצות שבנוסף שומנים מסורתיים (כלומר, חומצות שומן) biosynthesize מח' ייחודית של תרכובות המכונה alkenones ארוכי שרשרת רב בלתי רווי. 12 מבנים Alkenone מאופיינים מאוד l שרשראות פחמימנים אונג (36-40 פחמנים) שתים עד ארבע-מתילן הלא מופרע אג"ח -double טרנס, קטון מתיל או אתיל (איור 1). Alkenone unsaturation רגישה לטמפרטורה הגוברת אצות, 13,14 כגון כי שיעור של alkenone מתיל C37 diunsaturated ( "מדד unsaturation" מה שנקרא) יכול לשמש כמדד טמפרטורות פני הים בעבר 15 -. 20 Alkenones הם חשב להתגורר בגופי שומנים ציטופלסמית ויכול להיות שופע יותר טריגליצרידים (תגיות). 21,22 תחת חנקן או הגבלת זרחן, עד 10-20% של פחמן תא בשלב הנייח מצטבר כמו alkenones. 23,24 מנקודה מבט אבולוציונית, alkenones ייתכן העדיף על פני תגיות בגלל גיאומטרית אג"ח -double טרנס שלהם מספקת צורה יציבה יותר של אחסון אנרגיה. 21

189fig1.jpg "/>
איור 1. מבנים של alkenones ארוכי שרשרת רב בלתי רווי alkenone נפוצות מתיל 37:. 3 מבודד Isochrysis הממחיש אורכי שרשרת פחמימנים ארוכים (36 - 40 פחמנים), שאינם מתילן טרנס קטע קשרים כפולים, ו שמסתיים בבית קטון מתיל או אתיל. המינוח דומה חומצות שומן כש- #: # מתייחס למספר פחמנים:. מספר קשרים כפולים אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

לטענתנו alkenones מייצג זינת פחמן מתחדשת מבטיחות של אצה משותפת עם היסטוריה של גידול תעשייתי. 25 ביודיזל מיוצר ישירות מתמצית השומנים הכוללת של Isochrysis מכילה כמות משמעותית (10-15% w / w) של alkenones וזיהום על ידי אלה תרכובות גבוהה היתוך תוצאות בנכסי דלק תזרים קר עניים. עם זאת, באמצעות tהוא טכניקות סבון / חילוץ המתואר כאן, alkenones ניתן להסיר התאושש ובכך לשפר את איכות ביודיזל תוך הפקת זרם מוצר משני. לאחרונה הראינו את ההמרה של alkenones על דלק נוזלי ידי-metathesis צלב עם 2-Butene (butenolysis). 26 התגובה butenolysis מעסיקה יוזם metathesis-רותניום מסחרי, מתרחשת במהירות בטמפרטורה נמוכה, ו למשעי מספק תערובת צפויה של דלק סילוני פחמימנים טווח. תגובה זו מבוצעת במקביל סינתזת ביודיזל מחומצות שומן, המייצג את הצעדים הראשונים לקראת גישה "biorefinery" 27 לייצור דלק ביולוגי Isochrysis בכמות מסחרית.

Protocol

1. microalgae והכנה ביומסה

הערה: sp Isochrysis microalgae הימי. "T-iso" השתמשו במחקר הנוכחי ניתן לרכוש (ראה רשימה של חומרים). כמויות Multi-קילוגרם של Isochrysis ניתן לרכוש משחה רטובה קפוא (Iso -paste) המכיל כ 80% ביומסה מים ו -20%, והוא כהה שחור ירוק / ליד בצבע עם ריח ריח חריף של הים. Isochrysis יכול גם שיירכש (-powder Iso) אבקה יבשה (95% יבש) צהוב-חום עם ריח דומה.

  1. על מנת לייבש את הדבק Isochrysis, פתח חבילה 1 ק"ג על ידי חיתוך 1 - חור 2 אינץ 'בפינה של אריזות פלסטיק באמצעות מספריים.
  2. סוחטים כ 300 גרם של Isochrysis ולהדביק דרך החור לתוך 150 מ"מ x 75 מ"מ גיבוש צלחת כדי ליצור שכבה דקה (~ 20 מ"מ).
  3. השאירו את העיסה אוויר יבש בטמפרטורת החדר עד שהוא הופך יבש ומתקלף (בדרך כלל, 48 -96 שעות).
    הערה: פעמי ייבוש בפועל עשויות להשתנות ותלויי טמפרטורה. עם זאת, לא נמצא הבדל בזמן לב בתשואות או איכות המוצר עם פעמים ייבוש ארוך יותר אפילו (עד שבועיים). תהליך הייבוש עשוי גם להתבצע אחיד יותר ו / או מואץ על ידי נחת הצלחת המגובשות על צלחת חמה (30 - 40 מעלות צלזיוס).
  4. גרד את ביומסה היבשה מהצלחת לגבש בעזרת מרית ולאסוף לתוך חילוץ תאי אצבעון (אורך: 123 מ"מ, 43 מ"מ ID). רשום את המשקל של ביומסה Isochrysis היבשה.

2. הפקת Soxhlet של ניקוי Isochrysis ביומסה

  1. טען אצבעון החילוץ תאי המכיל Isochrysis (בדרך כלל 50 - 60 גרם ביומסה יבשה) לתוך מנגנון חילוץ Soxhlet.
  2. מלאו את הבקבוק Soxhlet עם hexanes (400 מ"ל), להפעיל את מקור המים הקבל חום, ולאפשר Soxhlet למחזור עבור 24 - 48 שעות (עד שהצבע של הממס נעלם מירוק כהה עלצהוב קלוש).
  3. מכבים את האש ולאפשר המנגנון כדי להתקרר לטמפרטורת החדר, ולאחר מכן נתק את הבקבוק מן חולץ Soxhlet.
  4. הסר את hexanes באמצעות המאייד רוטרי ולהקליט את משקל החומר hexanes-שניתן להפיק ( "שמן אצות הקסאן" (h-AO)).

3. סבון של שמן אצות והפרדה של חומצות שומן ושומנים Neutral

  1. Redissolve H-AO בבקבוק התחתון באותו סיבוב משלב 2.4 לעיל עם מתנול: dichloromethane (2: 1, נפח = 10 x מונית של שמן אצות).
  2. הוספת בר ומערבב ולצרף קבל ריפלוקס (קויל: אורך מ"מ 500).
  3. הוסיפו H 2 O (נפח = 2.67 x מונית של שמן אצות) ו KOH (50% w / w שמן אצות) ומחמם את התוכן עם ערבוב עד 60 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות.
  4. לאחר הקירור לטמפרטורת חדר, להסיר את הממסים האורגניים (מתנול dichloromethane) על מאייד סיבובי.
  5. מעבירים את התערובת מימית הנותרים על ידי שפיכת לתוך 1משפך separatory -L. להוסיף hexanes (שווה ערך בהיקף של בתמיסה מימית), לנער את המשפך separatory, ולאפשר שכבות להפריד.
  6. מסנן את השכבה המימית הנמוכה לתוך בקבוק Erlenmeyer, ויוצק את השלב האורגני העליון לתוך Erlenmeyer נפרד.
  7. חזור על שלבי 3.5 ו -3.6 עד השכבה האורגנית היא חסרות צבע (בדרך כלל 1-2 פעמים).
  8. לרכז את התמציות אורגניות בשילוב על מאייד סיבובי לבודד את השומנים הניטראליים כמו מוצק ירקרק (mp ≈ 60 -. 70 ° C).
  9. להפוך לחומצת השלב המימי עם HCl (6 M, עד pH ~ 2 כפי שצוין על ידי נייר pH).
  10. חלץ את חומצות השומן החופשיות (חומצות שומן חופשיות) מן השלב מימית acidified עם hexanes (equivolume לשלב מימית) באמצעות משפך 1 ליטר separatory כמתואר בשלבים 3.5 ו -3.6.
  11. הסר את hexanes על המאייד סיבובית כדי לקבל את חומצות שומן חופשיות כשארית ירוק כהה כמעט שחור שמנוני (נוזלי בטמפרטורות> 30 ° C).

4.חומצה-catalyzed esterification של חינם חומצות שומן והפקה של גרין ביודיזל

  1. מעביר את FFAs באמצעות מתנול: כלורופורם (1: 1, 6 נפח x של שמן אצות) קודם לפרק את חומצות שומן החופשיות ואז על ידי שפיכה לתוך בקבוק תגובה בלחץ גבוה עבה חומה מאובזרת עם בר ומערבב.
  2. הוסף מרוכז H 2 SO 4 (20% w / w שמן אצות), לאטום את הבקבוק, ומחממים את התערובת עד 90 ° C תוך ערבוב במשך שעה 1.
  3. לאחר הקירור לטמפרטורת חדר, להעביר את התערובת על ידי שפיכה לתוך משפך separatory.
  4. הוסף H 2 O (נפח x 2 של שמן אצות), לנער את המשפך separatory, ולאפשר שלבים להפריד.
  5. מסנן את השכבה התחתונה לתוך בקבוק תחתי עגול טרום שקל ולהתרכז מאייד סיבובי. רשמו את המסה של ביודיזל שהתקבל.
  6. ניתוח פרופיל חומצות שומן על ידי גז כרומטוגרפיה עם גלאי יינון להבה (GC-FID) 28 (כרומטוגרפיה גזית מצויד DB-88 [(88% cyanopropyl) methylarylpolysiloxane] טור (30 MX 0.25 מ"מ מזהה x 0.20 מיקרומטר סרט עובי).
    הערה: אסטרים מתיל נפוץ חומצות שומן מאומתים על ידי השוואת זמן שמירה עם דגימות אותנטיות שהושגו באופן מסחרי. בנוסף, ספקטרומטריית כרומטוגרפיה-מסת הגז (GC-MS; כרומטוגרפיה גזייה מצמידה את גלאים קיבוציים) מבוצעת בתנאים זהים של תכנית הטמפרטורה ועמודה לנתח רכיבים כגון C18: 4 עבורו אין סטנדרטים אותנטיים זמינים מהתוצאות מיושמות כדי GC quantitation.

5. ביודיזל הַדהָיָה

  1. מחמם את ביודיזל בצבע הירוק הכהה עד 60 ° C בבקבוק תחתי עגול מאובזר עם בר ומערבב.
  2. להוסיף montmorillonite K 10 (MK10) אבקת (10-20% w / w של ביודיזל) ומערבבים במשך שעה 1.
  3. הסר את תחתית עגולה מהאש לאפשר פתרון להתקרר לטמפרטורת החדר.
  4. כן מנגנון סינון מורכב בקבוק תחתי עגול וכיף מסנןnel המכיל נייר תאי מסנן (Ash 0.007%).
  5. יוצק את ביודיזל המקורר decolorized דרך המשפך המסנן באמצעות כמות מזערית של hexanes לשטוף את הבקבוק התחתי העגול.
  6. ניתקתי את המשפך המסנן מהבקבוק התחתי העגול (זה מכיל כעת פתרון hexanes של ביודיזל decolorized) ולהסיר את hexanes עם מאייד סיבובי להרשות לעצמו ביודיזל כתום / אדום.
  7. דגימות חנות ב 4 מעלות צלזיוס שבמהלכם שיקוע חלק מהחומר מסיס (~ 10% w / w) יתרחשו.
  8. הסר את החומר המסיס באמצעות אחסון או סינון כמתואר בשלב 5.4 ו -5.5 לייצר ביודיזל הומוגנית ברור לניתוח.

6. בידוד וטיהור של Alkenones מן ליפידים Neutral

  1. ממיסים את השומנים נייטרלי (מ שלב 3.8) בסכום מינימלי של dichloromethane (כ 50 מ"ל במשך 10 גרם שומנים נייטרלי) ולהוסיף הפתרון עם pipet לראש טור כרומטוגרפיה (O.D 60 מ"מ, 55 מ"מ מזהה, אורך 18 ") ג'ל סיליקה המכיל (230-400 רשת, 100 גרם).
  2. Elute הפתרון דרך סיליקה עם הלחץ (~ 5 psi) באמצעות dichloromethane (כ -150 מ"ל) ממס כמו לאסוף את eluent בתוך 250 מ"ל עגול הבקבוק התחתון.
  3. הסר את dichloromethane עם מאייד סיבובי לתת מוצק בצבע כתום.
  4. Recrystallize hexanes באמצעות מוצק על ידי הוספת כ 100 מ"ל של hexanes רותחים ואחריו כמויות נוספות מצטבר של hexanes רותחים עד הפתרון הוא הומוגני (הנפח הכולל ~ 150 מ"ל). ואז, לאט מגניב הפתרון בטמפרטורת החדר כדי לקדם התגבשות.
  5. אסוף את alkenones התגבשה באמצעות מנגנון סינון כמתואר בשלב 5.4 באמצעות כמות קטנה של קר (0 ° C) hexanes לשטוף את הבקבוק.

Representative Results

לפני עיבוד, את רסק Isochrysis (רסק שָׁוֶה) היה מיובש הראשון. הדבר זה הושג בנוחות בקנה מידה גדולה יותר על ידי הוספת -paste Iso לצלחת המתגבשת גדולה המאפשרים חומר אוויר יבש בטמפרטורת חדר. במהלך ייבוש, כמה צורות מים נקוות (בדרך כלל אדמדמות בצבע) כי ניתן להסיר באמצעות אחסון או pipetting כדי להאיץ את תהליך הייבוש. לאחר כ 48 - 96 שעות, את Isochrysis עכשיו היבש יכול להיות מגורד מתוך צלחת הגיבוש וקבל כחומר שחור / ירוק מתקלף עם ריח אצות דמויות (איור 2). תשואות של ביומסה היבשה היו בדרך כלל 20% w / w של הרסק כפי שפורסמו. לעומת זאת, מוצר Isochrysis האבקה (האבקה שָׁוֶה) היה חום צהוב, הסתובב דק, אבקה יבשה (95% יבשים) ששמשה ישירות ללא עיבוד נוסף (איור 2).

איור 2 "src =" / files / ftp_upload / 54,189 / 54189fig2.jpg "/>
איור 2. השוואה בין מסחר Isochrysis. רסק Isochrysis (80% רטובים) משתרע לאורך החלק התחתון של צלחת מתגבשת והשאיר אוויר יבש בטמפרטורת חדר למשך 48-96 שעות לפני העיבוד. וכתוצאה מכך היבשה Isochrysis מתקבל כחומר מקושקש בצבע כהה (מימין) כי הוא שונה במראו מאשר אבקת המסחרי היבשה Isochrysis (משמאל). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הפקה או אבקת -paste או שָׁוֶה Iso יבשים ידי Soxhlet עם hexanes נתנה, לאחר הסרת hexanes, שמני אצות (h-AO) שהיו דומים במראה כמו ירוק כהה / כמעט שחור (mp המוצק. ~ 50 -60 ° C). תשואות של h-AO כאשר החלו את העיסה ( "שָׁוֶה רסק-האו") היו בדרך כלל 20% w / w של ביומסה Isochrysis היבשה, עולה בקנה אחד עם תוצאות ניסויים עד כה, 26 ואילו תשואות של h-AO ידי מיצוי Soxhlet של Isochrysis האבקה המסחרית ("-האו האבקה שָׁוֶה ") היו 15% w / w (טבלה 1).

מוצרים (ז) Iso -paste Iso -powder-1 Iso -powder-2
ביומסה היבשה 30 20 20
הקסאן אצות שמן 5.86 2.87 3.11
חומצות שומן חופשיות 3.52 1.34 1.38
שומני Neutral 2.34 1.38 1.61
Alkenones 0.94 0.63 0.74
הערות: Iso-אבקת-1 ו- ISO-אבקה-2 מייצגות תוצאות משתי דגימות של Isochrysis האבקה עובדו במקביל. לקבלת דיווחים אחרים עם תשואות של מוצרים אלה מן Iso-הדבק לראות אזכור 26, 32, ו -33.

טבלה 1. תשואות מוצרים מן Isochrysis ביומסה המסחרית.

Acylglycerols ב h-AO הוסבו מלחי carboxylate מסיסים במים המתאים (כלומר, סבונים) על תוספת של KOH מימית מתנול / CH 2 Cl 2. שומני Neutral כולל alkenones חולצו אז מן התערובת מימית זאת על ידי יצירת מחיצות סלקטיבית עם hexanes. לאחר הסרת השומנים הניטראליים, reacidification של הסבונים מכן הפיק את חומצות שומן חופשיות המתאימות (חומצות שומן חופשיות) שתוכל להפיק באופן דומה מן aqשלב ueous עם hexanes. החלמת המסה הכוללת עבור FFAs בשילוב ושומנים ניטראליים משני שָׁוֶה רסקו-האו או Iso -powder-האו היו באופן עקבי ליד כמותית. עם זאת, היחס של מוצרים (כלומר, ניטראליים שומנים + חומצות שומן חופשיות) היה שונה. מתוך הרסק-האו שָׁוֶה השגנו 60% (w / w) חומצות שומן חופשיות ו -40% (w / w) שומנים ניטראליים (טבלה 1). לעומת זאת,-האו אבקת שָׁוֶה הוכיח מועשר בשומנים נייטרלי (ממוצע = 54% נייטרלי שומנים + 46% חומצות שומן חופשיות) כמפורט בטבלה 1.

Esterification של חומצות שומן חופשיות עם H 2 SO 4 מתנול מכן הפיק אסטרים מתיל חומצות שומן (fames, כלומר, ביו דיזל) כמו ירוק כהה ליד נוזל שמנוני שחור יותר מ -90% תשואה (איור 3). הַדהָיָה ע"י חימום מעל montmorillonite K10 29 (MK10) חימר אז נתן מוצר צהוב / כתום, דומה במראהו דו מסחריים אחריםדלקי odiesel (ראה רשימה של חומרים) (איור 3). תוצאות מניתוח FAME של דלק ביו דיזל decolorized Isochrysis מוצגים בלוח 2.

איור 3
איור 3. השוואת Isochrysis ודלקים ביודיזל סויה. ביודיזל גרין Isochrysis (באמצע) מופק על ידי esterification של חומצות שומן חופשיות חילוץ וטיהר. הַדהָיָה מייצרת מוצר (מימין) עם תכונות דומות לאלו של ביודיזל מסחרי (משמאל). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

FAME Iso -paste Iso -powder
14:00 16.4 19.4
14:01 - 0.3
15:00 זֵכֶר 0.3
16:00 10.1 8.8
16: 1 Δ9 7.6 5.5
16:02 ND 0.3
16:03 ND 0.5
18:00 זֵכֶר 0.2
18: 1 B 12.1 14.3
18:02 8.1 7.1
18: 3 C 8.5 13.5
18:04 19.8 10.4
18:05 ND 3
20:05 ND -
22:05 ND 2
22:06 6.9 11
Σ D 89.8 96.2
הערות: המינוח בחומצת שומן #carbons:. # ציס אג"ח -double B בשילוב 18: 1 Δ9 + 18:.. 1 Δ11 C משולב Δ6,9,12 ו Δ9,12,15 איזומרים D החומר הנותר הוא בערך 50 : 50 fames אחרים ורכיבים שאינם FAME (סה"כ כ -95% FAME). ND = לא זוהה.

הרכב FAME טבלה 2. של ביודיזל המופק -past מסחרי Iso ו- ISO -powder ביומסה Isochrysis.

שומני Neutral התקבלו כתערובת מוצקה ירקרקה ב 40% w / w מן Iso -paste-האו ו -54% (ממוצעת.) מן האבקה-האו (טבלת 1) שָׁוֶה. סינון שומנים נייטרלי מומס באמצעות סיליקה באמצעותDCM נתן לאחר הסרת ממס, אדמדם / כתום מוצק יכול להיות recrystallized עם hexanes להרשות alkenones טהור אנליטית כמו מוצק לבן. הליך זה הביא 16% (w / w) תשואה מבודד של alkenones מתשואה רסק-האו ו -25% שָׁוֶה מ Iso -powder-האו (טבלה 1).

Discussion

Isochrysis הוא אחד מתוך מספר נבחר בלבד של מיני אצות מעובדים תעשייתיים, שנקטפו כמרכיב עיקרי של מזון רכיכה, ולכן נציג של הסקאלה הדרוש לייצור דלק ביולוגי. הזמינות של האצות לנצל ואת שיטות סטנדרטיות מועסקים במחקר זה, להפיק את הפרוטוקול המובא נגיש לציבור רחב לקבוצות אחרות עבור חקירות נוספות. צעדים קריטיים כוללים מיזוג ייבוש האצות (להבדיל lyophilizing 33), עקירות ממסות, סבון, ו esterification. באמצעות פעולות אלה ניתן לבחון תשואות של שומני קו-מכפלה אחרת מהעמוד בו Isochrysis השונה 30 זמינים. זה צפוי כי אלו עלולות להיות שונות כתוצאה שונה זנים ושיטות טיפוח, 31 ועשויה להיות מושפעות גם את האופי של המוצר וכן כל עיבוד נוסף (למשל, ייבוש או הקפאה) מנוצל על ידי הספק. ככל שאנו להפגין כאן, הפרוטוקול לפתחאד יכול להיות מיושם בהצלחה סוגים שונים של מוצרי Isochrysis, החל משחה רטובה לאבקה הסתובבה יבשה. תשואות של ביודיזל היו אולם נמוכים מביומסה האבקה (7% w / w לעומת ביומסה יבש 12% w / w מ להתייבשות דבקה), אשר עולה בקנה אחד עם כמויות נמוכות של שמן אצות (h-AO) חילוץ. זה יכול לרמז על כך פרוטוקול חילוץ חלופת 32 למעט מנגנון Soxhlet עשוי להיות מתאים יותר עבור מוצרי Isochrysis אבקה יבשים. אבקת Isochrysis השתמשה במחקר זה היא כפי שפורסם המכיל 23-25 ​​שומני%, אשר דומה למה השגנו ניסיוני מן דבק Isochrysis יבש. 33,34,26

למרות בצבעים השונים של ביומסה היבשה תחילתו, שָׁוֶה רסק-האו Iso -powder-האו היו בלתי שונים במהותה, הוא בצבע ירוק כהים / ליד מוצקים שחור עם נקודות היתוך של כ -50 מעלות צלזיוס. מעניין לציין, כי היחס בין חומצות שומן חופשיות אל שפתה הניטראליתמזהים בתוך שתי תמציות הקסאן היו שונים. אחרי הסבון והפרדה של ליפידים הניטראלי, השגנו 60% (w / w) חומצות שומן חופשיות ו -40% (w / w) שומנים ניטראליים Iso -paste-האו. שָׁוֶה האבקה-האו המיוצר על 46% בממוצע (w / w) חומצות שומן חופשיות ו -54% (w / w) שומנים ניטראליים. התוצאות מצביעות על כך גם את ביומסה האבקה החל עשויה להכיל כמויות גדולות יותר של ניטראלי שומנים ביחס נגזר FA מאשר להדביק Isochrysis, או כי מיצוי Soxhlet של Isochrysis אבקה מעט סלקטיבית עבור שומנים ניטראליים.

לא רק היו התשואות של מוצרים המופקים שתיים המסחרי Isochrysis biomasses שונים, אלא גם את הפרופילים של חומצות שומן של ביודיזל שהתקבל. זה חשוב, כמו תכונות הדלק של ביודיזל תלויות באופן ישיר על אופי תכני fames פרט. 35 כדי להיות ממוסחר, כל ביודיזל חייב לעמוד בסטנדרטים המתוארים ASTM המסמכיםD6751 או EN 14214 בארה"ב או באירופה בהתאמה. מפרט כולל טווחים עבור lubricity וצמיגות קינמטיקה, וערכי מינימום עבור מספר cetane ויציבות חמצונים. המלצות חשובות נוספות קשורות תכונות זרימה קרות בצורת נקודת ענן (CP) או נקודת פקיקה המסננת קר (CFPP). דיווחנו בעבר תוצאות של בדיקות דלק המקיפות של ביודיזל שהוכנו רסק שָׁוֶה. 36 מאז פרופיל FAME של ביודיזל המופק -powder Iso במחקר זה דומה לשיעורים נבדקו בעבר, נוכל לחזות מאפייני דלק מסוימים להיות דומה הן דלק ביו דיזל. למשל, חומצות שומן רב בלתי רווי (PuFAMEs, יותר משני קשרים כפולים) מהווים כ -40% הן תערובות FAME (35.2% ו 39.9%, טבלה 2). זה יגרום ליציבות חמצוני עניים וקר תזרים חיובי. 35 יש, עם זאת, הבדלים קלים בין פרופילי FAME של שני biodieדלקי SEL. ביודיזל המופק Isochrysis אבקת כלול כמויות גדולות יותר של 14: 0 (19.4 מ"ג / g לעומת 16.4 מ"ג / g), 18: 3 (13.5 מ"ג / g לעומת 8.5 מ"ג / g), ו -22: 6 (11.0 מ"ג / לעומת g 6.9 מ"ג / g) fames, עדיין כמויות נמוכות של 18: 4 (10.4 מ"ג / g לעומת 19.8 מ"ג / g). מידת ההשפעה של הבדלים אלה על מאפייני דלק שונים המצויים התקן ASTM נשארה להיחקר.

ביודיזל הראשוני המתקבל שניהם ירוק המסחריות Isochrysis האצות היו דומה כהה אשר יכול להיות מוסבר על ידי הנוכחות של כלורופיל. 36 כלורופיל ונגזרותיו דווחו להיות השפעה שלילית על יציבות שמנים צמחיים הדלק ביו דיזל המקביל שלהם. 36,29 בהתבסס על שיטת Issariyakul ו הדלאי עבור decolorizing שמן קנולה greenseed בקשר עם ייצור ביו דיזל, 29 בחישה ביודיזל הירוק שלנו מעל 10% (w / w) MK10 ב 60 מעלות צלזיוס במשך שעה 1 הביא דרמטיהפחתת התוכן פיגמנט על ידי בדיקה ויזואלית (נ"צ. איור 2). החלמה Mass מתהליך הַדהָיָה היו על 90% בממוצע.

תשואות alkenones מטוהר מן שָׁוֶה רסק-האו ושומנים ניטראליים אבקה-האו שָׁוֶה היו דומות ב 40% ו -46% w / w בהתאמה (לוח 1). מאז שומנים ניטראליים מייצגים שיעור גבוה יותר של חומר כלול האבקה-האו שָׁוֶה (54% w / w לעומת 40% w / w), תשואת alkenone מן האבקה-האו שָׁוֶה עולה תשואת alkenone הרסק-האו שָׁוֶה בכ 10% (25% w / w לעומת 16% w / w). עם זאת, בהתחשב בכך התשואות של האבקה-האו שָׁוֶה עצמו היו נמוכות יותר מאשר הרסק-האו שָׁוֶה (15% לעומת 20% w / w), תשואות כוללות של alkenones משני biomasses היבש Isochrysis הדומה יותר (0.2 x 0.4 x 0.4 = 3.2% w / w מ להדביק Isochrysis יבשים 0.15 x 0.54 x 0.46 = 3.7% מאבקת Isochrysis).

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (מל"ג 1,151,492), הברית מתחדש Northwest המתקדם (המילגה ג'יי וילסון-פלטייה), ובאמצעות תרומה פרטית מחברים של WHOI. אנו מודים קווין ר Steidley וקים Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) לקבלת סיוע טכני מעולה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Isochrysis Reed Mariculture Iso, Raw, Unprocessed, 20%dw Live culture paste, 20% w/w biomass
Isochrysis Necton, S.A AADISS004 PhytoBloom Prof Isochrysis (Freeze-dried)
Hexanes Fisher Chemical H291-4 ACS Certified
Methanol Fisher Chemical A452-4 HPLC Grade
Dichloromethane Fisher Chemical D37-4 Certified/Stabilized
Soxhlet Apparatus Sigma Aldrich 64826
Extraction Thimble Sigma Aldrich 64842
Büchner Funnel Chemglass CG-1406-25
High Pressure Reaction Vessel Chemglass CG-1880-12
Whatman Filter Paper GE Life Sciences 1442-042 Grade 42, Ash 0.007%, circle, 42.5 mm
Biodiesel (B100) Bellingham Shell The biodiesel (B100) in Figure 3 was purchased at a local filling station: Bellingham Shell, Bellingham, WA 98226
Isochrysis Aquacave In addition to Reed and Necton, Isochrysis can also be purchased from Aquacave (Gurnee, IL) at: www.aquacave.com (accessed September 30, 2015).
Isochrysis Brine Shrimp Direct Isochrysis can also be purchased from Brine Shrimp Direct (Ogden, UT) at: www.brineshrimpdirect.com (accessed September 30, 2015).

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics