Eksperimentel Protokol for Biodiesel Production med Isolering af Alkenones som sam-produkter fra Commercial

Environment
 

Summary

Detaljerede metoder præsenteres til produktion af biodiesel sammen med co-isolering af alkenones som værdifulde samprodukter fra kommercielle Isochrysis mikroalger.

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

Behovet for at erstatte brændstoffer med alternativer fra vedvarende og flere miljømæssigt bæredygtige kilder er af stigende betydning. Biomasse-afledte biobrændstoffer har fået betydelig opmærksomhed i den forbindelse, har dog første generations biobrændstoffer fra spiselige afgrøder som majs-ethanol eller sojabønner biodiesel generelt faldet i unåde. Der er således stor interesse for udvikling af metoder til produktion af flydende brændstoffer fra indenlandske og overlegne ikke-spiselige kilder. Her beskriver vi en detaljeret procedure til fremstilling af en renset biodiesel fra det marine mikroalger Isochrysis. Derudover er en unik pakke af lipider kendt som flerumættede langkædede alkenones isoleret parallelt som potentielt værdifulde samprodukter at opveje udgifterne til produktion af biodiesel. Multi-kilogram mængder Isochrysis indkøbes fra to kommercielle kilder, en som en våd pasta (80% vand), som tørres først inden forarbejdning, og othende et tørt formalet pulver (95% tørstof). Lipider ekstraheres med hexaner i et Soxhlet-apparat til fremstilling af en algeolie ( "hexan algeolie") indeholdende både traditionelle fedtstoffer (dvs. triglycerider, 46-60% vægt / vægt) og alkenones (16-25% vægt / vægt). Forsæbning af triglycerider i algeolie tillader separation af de resulterende frie fedtsyrer (FFA'ere) fra alkenone-holdige neutrale lipider. FFA'er omdannes derefter til biodiesel (dvs. fedtsyremethylestere, fames) ved syrekatalyseret forestring mens alkenones isoleres og oprenses fra de neutrale lipider ved krystallisation. Vi viser, at biodiesel fra både kommercielle Isochrysis biomasser har tilsvarende, men ikke identiske FAME profiler, karakteriseret ved forhøjede flerumættede fedtsyrer indhold (ca. 40% vægt / vægt). Udbytter af biodiesel var konsekvent højere ved start fra Isochrysis våd pasta (12% vægt / vægt vs. 7% vægt / vægt), som kan spores til lavere mængder af hexan alger OIl opnået fra det pulverformige Isochrysis produkt.

Introduction

Der har for nylig været en stor genopblussen af interesse i biobrændstoffer fra alger, navnlig til fremstilling af flydende brændstoffer såsom biodiesel 1 og andre biomasse-afledte olier. 2 Foreslåede fordele omfatter undgåelse af visse fødevarer vs. brændstof kontroverser 3 og sigende højere produktiviteter og CO 2 afbødende muligheder end traditionelle landbrugsafgrøder. 4 Dette følger den næsten 20 år amerikanske Energys Aquatic Arter Program (ASP) startede i 1978 med det formål at undersøge transport brændstof fra alger. Som beskrevet i Sheehan rapport, 5 programmet sluttede i 1996, primært fordi forventede omkostninger ikke var konkurrencedygtige med råolie dengang ($ 18,46 per tønde (159 L)). Mens udgifterne til råolie er steget dramatisk siden da ($ 87,39 per tønde i 2014) 6, der er forbundet med renæssance i alge forskning biobrændstof, nogle have hævdede, at alligevel alger biobrændstoffer vil vise sig for dyrt. 7. Som en strategi for at udligne biobrændstoffer produktionsomkostninger, har begrebet værdiskabende samprodukter opstået blandt både kritikere 7,8 og fortalere 9,10 og funktioner som en af de vigtigste årsager til forfølge alger biobrændstoffer i USA Department of Energy (DOE) "National alge- biobrændstoffer Technology Roadmap". 11

Her beskriver vi en fremgangsmåde til samtidig fremstilling af to separate brændselsstrømme fra kommerciel Isochrysis mikroalger. Vi har fokuseret på Isochrysis dels fordi det allerede produceres industrielt, høstet med henblik på havbrug, og også fordi Isochrysis er en af kun få arter af alger, der udover traditionelle lipider (dvs. fedtsyrer) biosyntetiserer en unik klasse af forbindelser kendt som flerumættede langkædede alkenones. 12 Alkenone strukturer er kendetegnet ved meget l ong carbonhydridkæder (36-40 carbonatomer), to til fire ikke-methylen-afbrudte trans -Double obligationer, og en methyl- eller ethyl keton (figur 1). Alkenone umættethed er følsom over for algerne voksende temperatur, 13,14, således at andelen af den diumættet C37 methyl alkenone (det såkaldte "umættethed index") kan anvendes som en proxy for tidligere havoverfladetemperaturer 15 -. 20 Alkenones er menes at opholde sig i cytoplasmatiske lipid organer og kan være mere rigelig end triglycerider (tags). 21,22 Under nitrogen eller fosfor begrænsning, op til 10-20% af celle kulstof i den stationære fase akkumuleres som alkenones. 23,24 fra et evolutionære synspunkt kan alkenones blevet foretrukket frem TAG fordi deres trans-dobbelt bond geometri giver en mere stabil form for energilagring. 21

189fig1.jpg "/>
Figur 1. Strukturer af polyumættede langkædede alkenones Fælles alkenone methyl 37:. 3 isoleret fra Isochrysis eksemplificerende lang carbonhydridkæde længder (36 - 40 carbonatomer), trans ikke-methylen-afbrudte dobbeltbindinger, og ender i en methyl eller ethyl keton. Nomenklatur ligner fedtsyrer hvor #: # refererer til antallet af kul:. Antal dobbeltbindinger Klik her for at se en større version af dette tal.

Vi hævder, at alkenones repræsenterer en lovende vedvarende kulstof råvare fra en fælles alger med en historie af industriel dyrkning. 25. Biodiesel produceres direkte fra den samlede lipid ekstrakt af Isochrysis indeholder en betydelig mængde (10-15% vægt / vægt) af alkenones og forurening med disse high-smeltende forbindelser resulterer i fattige koldt flow brændstof egenskaber. Men ved anvendelse af than forsæbning / ekstraktion teknikker beskrevet her, kan alkenones fjernes og genvindes dermed forbedre biodiesel kvalitet og samtidig producere et sekundært produkt stream. For nylig vist, vi omdannelse af alkenones til en flydende brændstof ved cross-metatese med 2-buten (butenolysis). 26 butenolysis reaktion anvender en kommerciel ruthenium metatese-initiator, sker hurtigt ved lav temperatur, og rent leverer en forudsigelig blanding af jetbrændstof range carbonhydrider. Denne reaktion udføres parallelt med biodiesel syntese af fedtsyrer, der repræsenterer de første skridt mod en "bioraffinaderi" tilgang 27 for kommercielt levedygtige produktion Isochrysis biobrændstof.

Protocol

1. Mikroalger og biomasse Forberedelse

Bemærk: Det marine mikroalger Isochrysis sp. "T-iso", der anvendes i nærværende undersøgelse kan købes (se liste over materialer). Multi-kg mængder Isochrysis kan købes som en frossen våd pasta (Iso -paste), der indeholder ca. 80% vand og 20% biomasse, og er mørk grøn / nær sort i farven med en stikkende lugt ildelugtende af havet. Isochrysis kan også købes som et tørt (95% tør) gulbrunt pulver (Iso -powder) med en lignende lugt.

  1. For at tørre Isochrysis pasta, åbne en 1 kg pakke ved at skære en 1 - 2 tommer hul i hjørnet af plastemballage med en saks.
  2. Klem ca. 300 g af denne Isochrysis indsætte gennem hullet i et 150 mm x 75 mm krystalliseringsskål at skabe et tyndt lag (~ 20 mm).
  3. Efterlad pastaen lufttørre ved stuetemperatur, indtil den bliver tør og skællet (typisk 48 -96 timer).
    Bemærk: De faktiske tørretid kan variere og er afhængige af temperaturen. Imidlertid blev ingen forskel bemærket i udbytterne eller produktkvalitet med endnu længere tørretider (op til to uger). Tørringen kan også gøres mere ensartet og / eller accelereret ved at placere krystalliseringsskål på en varm plade (30 - 40 ° C).
  4. Skrabe den tørre biomasse fra krystalliseringsskål anvendelse af en spatel og anbring i cellulose ekstraktionshætte (Længde: 123 mm, 43 mm ID). Noterer vægten af den tørre Isochrysis biomasse.

2. Soxhlet Udvinding af Dry Isochrysis Biomasse

  1. Læg et Isochrysis holdig cellulose ekstraktionshætte (typisk 50-60 g tør biomasse) i en Soxhlet ekstraktion apparat.
  2. Fyld soxhletkolben med hexaner (400 ml), tænde for kondensatoren vand og varmekilden, og lad Soxhlet at cykle i 24 - 48 timer (indtil farven af ​​opløsningsmidlet er gået fra mørkegrøn til ensvag gul).
  3. Sluk for varmen og lad apparatet afkøle til stuetemperatur, hvorefter kolben fra Soxhlet afbryde.
  4. Fjern hexaner anvendelse af en rotationsfordamper, og vægten af ​​hexaner-ekstraherbare materiale ( "hexan algeolie" (h-AO)).

3. forsæbning af algeolie og Adskillelse af fedtsyrer og neutrale lipider

  1. Genopløse h-AO i samme rundbundet kolbe fra trin 2.4 ovenfor med methanol: dichlormethan (2: 1, volumen = 10 x massen af ​​algeolie).
  2. Tilføj en omrører og vedhæfte tilbagesvaler (Coil: 500 mm længde).
  3. Tilføj H2O (volumen = 2,67 x massen af algeolie) og KOH (50% vægt / vægt algeolie) og opvarme indholdet under omrøring til 60 ° C i 3 timer.
  4. Efter afkøling til stuetemperatur, fjernelse af de organiske opløsningsmidler (methanol og dichlormethan) på en rotationsfordamper.
  5. Overfør den resterende vandige blanding ved udhældning i en 1-L Skilletragt. Tilføj hexaner (svarende i volumen til den vandige opløsning), ryste skilletragt, og tillade lagene at skille.
  6. Tøm den nederste vandige lag i en Erlenmeyerkolbe, og hæld den øverste organiske fase i en separat Erlenmeyer.
  7. Gentag trin 3.5 og 3.6 indtil det organiske lag er farveløse (typisk 1-2 gange mere).
  8. Koncentrer de kombinerede organiske ekstrakter på en rotationsinddamper for at isolere de neutrale lipider som et grønligt fast stof (smp ≈ 60 -. 70 ° C).
  9. Syrne den vandige fase med HCI (6 M, indtil pH ~ 2 som angivet ved pH-papir).
  10. Ekstraher frie fedtsyrer (FFA) af den forsurede vandige fase med hexaner (rumfang til den vandige fase) ved anvendelse af en 1 liters skilletragt som beskrevet i trin 3.5 og 3.6.
  11. Fjern hexaner på en rotationsfordamper til opnåelse af de FFA'ere som en mørk grøn næsten sort olieagtig rest (flydende ved temperaturer> 30 ° C).

Fire.Syre-katalyseret forestring af frie fedtsyrer og Produktion af en grøn Biodiesel

  1. Overfør FFAs anvendelse af methanol: chloroform (1: 1, 6 x volumen af ​​algeolie) til først opløse FFAs og derefter ved udhældning i en tykvægget højt tryk reaktionskolbe udstyret med en omrører.
  2. Tilføj koncentreret H 2 SO 4 (20% vægt / vægt algeolie), Kolben lukkes, og blandingen opvarmes til 90 ° C under omrøring i 1 time.
  3. Efter afkøling til stuetemperatur, overføre blandingen ved udhældning i en skilletragt.
  4. Tilføj H2O (2 x volumen af algeolie), ryste skilletragt, og lade faserne adskilles.
  5. Dræne det nederste lag i en forud vejet rundbundet kolbe og koncentreres på en rotationsfordamper. Noter den samlede masse af den resulterende biodiesel.
  6. Analyser fedtsyreprofilen ved gaschromatografi med Flammeioniseringsdetektor (GC-FID) 28 (gaskromatograf udstyret med en DB-88 [(88% cyanopropyl) methylarylpolysiloxane] søjle (30 mx 0,25 mm ID x 0,20 um filmtykkelse).
    Bemærk: Fælles fedtsyremethylestere verificeres ved retentionstid sammenligning med autentiske prøver opnået kommercielt. Derudover gaskromatografi-massespektrometri (GC-MS; gaskromatograf koblet til en masse selektiv detektor) udføres under identiske betingelser for temperatur program og kolonne for at analysere komponenter såsom C18: 4, hvor der ikke autentiske standarder er tilgængelige med resultaterne anvendt til GC kvantificering.

5. Biodiesel Affarvning

  1. Varm mørkegrøn farvet biodiesel til 60 ° C i en rundbundet kolbe udstyret med en omrører.
  2. Tilføj montmorillonit K 10 (MK10) pulver (10-20% vægt / vægt af biodiesel) og omrør i 1 time.
  3. Fjern den rundbundede fra varmen og lad opløsningen afkøle til stuetemperatur.
  4. Forbered en filtrering apparat bestående af en rundbundet kolbe og filter sjovnel indeholdende et cellulose filtrerpapir (Ash 0,007%).
  5. Hæld den afkølede affarvet biodiesel gennem filtertragten under anvendelse af en minimal mængde hexaner til skylning af rundbundet kolbe.
  6. Afbryd filtertragten fra den rundbundede kolbe (dette nu indeholder en hexanopløsning af affarvet biodiesel) og tag hexaner med en rotationsfordamper til opnåelse af en orange / rød biodiesel.
  7. Opbevar prøver ved 4 ° C, i hvilket tidsrum nogle bundfældning af uopløseligt materiale (~ 10% vægt / vægt) vil forekomme.
  8. Fjern det uopløselige materiale ved dekantering eller filtrering som beskrevet i trin 5.4 og 5.5 for at frembringe en klar homogen biodiesel til analyse.

6. Isolering og oprensning af Alkenones fra neutrale lipider

  1. Opløs de neutrale lipider (fra trin 3.8) i en minimal mængde dichlormethan (ca. 50 ml til 10 g neutrale lipider) og tilsæt opløsningen med en pipette til toppen af ​​en kromatografisøjle (O.D 60 mm, ID 55 mm, længde 18 ") indeholdende silicagel (230-400 mesh, 100 g).
  2. Eluering af opløsningen gennem silica med tryk (~ 5 psi) under anvendelse af dichlormethan (ca. 150 ml) som opløsningsmiddel og samle eluenten i en 250 ml rundbundet kolbe.
  3. Fjern dichlormethan med en rotationsfordamper til opnåelse af en orangefarvet fast stof.
  4. Det faste stof omkrystalliseres anvendelse af hexaner ved at tilsætte ca. 100 ml kogende hexaner efterfulgt af inkrementale yderligere mængder af kogende hexaner, indtil opløsningen er homogen (totalvolumen ~ 150 ml). Derefter langsomt opløsningen afkøles til stuetemperatur for at fremme krystallisation.
  5. Indsamle krystalliseret alkenones bruger filtrering Apparat som beskrevet i trin 5.4 under anvendelse af en lille mængde af kold (0 ° C) hexaner til skylning af kolben.

Representative Results

Forud for behandling blev Isochrysis pasta (iso- paste) først tørret. Dette var bekvemt udført på større skala ved at tilføje Iso -paste til en stor krystallisationsskål og lade materialet lufttørre ved stuetemperatur. Under tørring, nogle poolede vand former (generelt rødlig farvet), der kan fjernes ved dekantering eller pipettering at accelerere tørreprocessen. Efter ca. 48 - 96 timer, kunne den nu tørre Isochrysis skrabes ud af krystalliseringsskål og opnået som et sort / grøn flaky materiale med en tang-lignende lugt (figur 2). Udbytter af tør biomasse var generelt 20% vægt / vægt af pastaen som annonceret. Derimod det pulverformige Isochrysis produkt (iso pulver) var en gul-brun, fint formalet, tørt pulver (95% tørstof), der blev anvendt direkte uden yderligere forarbejdning (figur 2).

gur 2 "src =" / files / ftp_upload / 54.189 / 54189fig2.jpg "/>
Figur 2. Sammenligning af kommercielle Isochrysis. Isochrysis pasta (80% våd) spredes langs bunden af en krystalliseringsskål og overladt til lufttørre ved stuetemperatur i 48-96 timer før behandling. Det resulterende tørrede Isochrysis opnås som en mørk-farvet skællet materiale (til højre), der er anderledes i udseende end den kommercielle tørre pulver Isochrysis (til venstre). Klik her for at se en større version af dette tal.

Udvinding af enten tørrede Iso -paste eller iso pulver ved Soxhlet med hexaner gav, efter fjernelse af hexan, alger olier (h-AO), der var ens i udseende som mørkegrøn / nær-sorte faste stoffer (mp. ~ 50 -60 ° C). Udbytter af h-AO når der startes fra pastaen ( "iso pasta-Hao") Var typisk 20% vægt / vægt af den tørre Isochrysis biomasse, i overensstemmelse med vores tidligere resultater, 26 hvorimod udbytter af h-AO efter Soxhlet-ekstraktion af den kommercielle pulveriseret Isochrysis (" iso pulver-Hao ") var 15% vægt / w (tabel 1).

Produkt (g) Iso -paste Iso -powder-1 Iso -powder-2
tør biomasse 30 20 20
Hexan algeolie 5,86 2,87 3.11
FFAs 3,52 1,34 1,38
neutrale lipider 2,34 1,38 1,61
Alkenones 0,94 0,63 0,74
Bemærkninger: Iso-pulver-1 og Iso-pulver-2 repræsenterer resultater for to prøver af pulveriseret Isochrysis der blev forarbejdet parallelt. For andre rapporter med udbytter af disse produkter fra Iso-paste se referencer 26, 32, og 33.

Tabel 1. Produkt udbyttet fra kommerciel Isochrysis biomasse.

Acylglyceroler i H-AO omdannet til de tilsvarende vandopløselige carboxylatsalte (dvs. sæber) ved tilsætning af vandig KOH i methanol / CH2C! 2. Neutrale lipider, herunder alkenones blev derefter ekstraheret fra denne vandige blanding ved selektiv opdeling med hexaner. Efter fjernelse af de neutrale lipider, reacidification af sæberne produceres derefter de tilsvarende frie fedtsyrer (FFA'ere), som kan være tilsvarende ekstraheret fra det vandigeueous fase med hexaner. De overordnede masse inddrivelser for kombinerede FFA'er og neutrale lipider fra enten iso pasta-Hao eller Iso -powder-Hao var konsekvent nær kvantitativ. Imidlertid er forholdet mellem produkter (dvs. neutrale lipider + FFA'ere) var forskellige. Fra iso-pasta-Hao opnåede vi 60% (w / w) FFA'er og 40% (vægt / vægt) neutrale lipider (tabel 1). Omvendt iso pulver-Hao viste sig beriget i neutrale lipider (gennemsnit = 54% neutrale lipider + 46% FFA'ere) som beskrevet i tabel 1.

Forestring af FFA'er med H 2 SO 4 og methanol produceret derefter fedtsyremethylestere (FAME'er, dvs. biodiesel) som et mørkegrønt nær sort olieagtig væske i mere end 90% udbytte (figur 3). Affarvning ved opvarmning i Montmorillonit K10 29 (MK10) ler gav derefter en gul / orange produkt, der ligner andre kommercielle biodiesel brændstoffer (se Liste over Materials) (Figur 3). Resultater fra FAME analyse af affarvet Isochrysis biodieselbrændstoffer er vist i tabel 2.

Figur 3
Figur 3. Sammenligning af Isochrysis og sojabønner biodiesel. Grøn Isochrysis biodiesel (midten) er fremstillet ved forestring af udtrukket og oprensede frie fedtsyrer. Affarvning producerer et produkt (til højre) med lignende egenskaber til kommerciel biodiesel (til venstre). Klik her for at se en større version af dette tal.

FAME A Iso -paste Iso -powder
14:00 16,4 19.4
14:01 - 0,3
15:00 spor 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 Trace 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
Bemærkninger: En Fedtsyre nomenklatur er #carbons:. # Cis -Double obligationer B tilsammen 18: 1 Δ9 + 18:.. 1 Δ11 C Kombineret Δ6,9,12 og Δ9,12,15 isomerer D Det resterende materiale er omtrent 50 : 50 andre FAME'er og ikke-FAME komponenter (alt ~ 95% FAME). ND = Ikke påvist.

Tabel 2. FAME sammensætning af biodiesel fremstillet af kommercielle Iso -past og Iso -powder Isochrysis biomasse.

Neutrale lipider blev opnået som et grønligt fast blanding ved 40% vægt / vægt fra Iso -paste-Hao og 54% (gns.) Fra iso pulver-Hao (tabel 1). Filtrering de opløste neutrale lipider gennem silica ved anvendelse afDCM gav efter fjernelse af opløsningsmidlet, til en rødlig / orange fast stof, som kunne omkrystalliseres med hexaner, hvilket gav analytisk ren alkenones som et hvidt fast stof. Denne procedure resulterede i 16% (vægt / vægt) isolerede udbytte af alkenones fra iso pasta-Hao og 25% udbytte ud fra Iso -powder-Hao (tabel 1).

Discussion

Isochrysis er en af kun et udvalgt antal algearter opdrættede industrielt, høstet som en primær komponent af skaldyr foder, og derfor repræsentative for den målestok er nødvendige til produktion af biobrændstoffer. Tilgængeligheden af ​​algerne udnyttes og standard metoder, der anvendes i denne undersøgelse, gør den protokol præsenteret bredt tilgængelige for andre grupper for yderligere undersøgelser. Kritiske skridt omfatter air-tørring af alger (i modsætning til lyofilisering 33), opløsningsmidler ekstraktioner, forsæbning, og forestring. Gennem disse operationer kan man undersøge udbyttet af lipider og andre samprodukter fra de forskellige Isochrysis rådighed 30. Det forventes, at disse kan variere som følge af forskellige stammer og dyrkningsmetoder, 31 og kan også påvirkes af naturen af produktet og yderligere forarbejdning (f.eks tørring eller frysning) anvendes af leverandøren. Som vi demonstrerer her, protokollen udvikleed held kan anvendes på forskellige typer af Isochrysis produkter, der spænder fra en våd pasta til et tørt formalet pulver. Udbytter af biodiesel var dog lavere fra den pulveriserede biomasse (7% vægt / vægt tør biomasse vs. 12% vægt / vægt fra den tørrede pasta), hvilket svarer til lavere mængder af algeolie (h-AO) udvindes. Dette kan tyde på, at en alternativ ekstraktionsprotokol 32 bortset fra et Soxhlet-apparat kan være bedre egnet til tørre pulverformige Isochrysis produkter. Den Isochrysis pulver, der anvendes i denne undersøgelse er annonceret som indeholder 23-25% lipider, som svarer til, hvad vi eksperimentelt har fået fra tørret Isochrysis pasta. 33,34,26

Trods de forskellige farver af udgangs tør biomasse, den iso pasta-Hao og Iso -powder-Hao væsentlige var uskelnelige, både mørk grøn / nær sorte faste stoffer med smeltepunkter på ca. 50 ° C. Interessant er forholdet mellem FFA'er til neutral læbeids i de to hexanekstrakter var forskellige. Efter forsæbning og adskillelse af de neutrale lipider, opnået vi 60% (w / w) FFA'er og 40% (vægt / vægt) neutrale lipider fra Iso -paste-Hao. Den iso pulver-Hao produceret i gennemsnit 46% (vægt / vægt) FFA'er og 54% (vægt / vægt) neutrale lipider. Resultaterne antyder, at enten starter pulveriserede biomasse kan indeholde større mængder af neutrale lipider i forhold til FA derivater end Isochrysis pasta, eller at Soxhlet ekstraktion af pulveriseret Isochrysis er noget selektivt for neutrale lipider.

Ikke kun var udbytterne af produkter fremstillet af de to kommercielle Isochrysis biomasse anderledes, men også fedtsyre-profiler af den resulterende biodiesel. Dette er vigtigt, da brændstof egenskaber for en biodiesel er direkte afhængige af arten og indholdet af de enkelte FAME'er. 35 For at blive kommercialiseret, al biodiesel skal være i overensstemmelse med de standarder, der er beskrevet i dokumenter ASTMD6751 eller EN 14214 i USA eller Europa hhv. Specifikationer omfatter intervaller for smøreevne og kinematisk viskositet, og minimumsværdier for cetantal og oxidativ stabilitet. Andre vigtige anbefalinger er relateret til kolde flydeegenskaber i form af en sky punkt (KP) eller koldfilterpunkt (CFPP). Vi har tidligere rapporteret resultater fra omfattende brændstof afprøvning af biodiesel fremstillet ud fra iso-pasta. 36 Da FAME profil biodiesel produceret fra Iso -powder i denne undersøgelse er sammenlignelig med tidligere testede, kan vi forudsige bestemte brændselsegenskaber at være den samme for begge biodiesel. For eksempel polyumættede fedtsyrer (PuFAMEs, mere end to dobbeltbindinger) tegner sig for ca. 40% af både FAME blandinger (35,2% og 39,9%, tabel 2). Dette vil resultere i dårlig oxidativ stabilitet og gunstige kold-flow. 35 Der er imidlertid små forskelle i de FAME profiler af de to biodieSEL brændstoffer. Biodiesel fremstillet af den pulveriserede Isochrysis indeholdt større mængder af 14: 0 (19,4 mg / g vs. 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g vs. 8,5 mg / g), og 22: 6 (11,0 mg / g vs. 6,9 mg / g) FAME'er, men lavere mængder af 18: 4 (10,4 mg / g vs. 19,8 mg / g). Omfanget af virkningen af ​​disse forskelle på de forskellige brændselsegenskaber indeholdt i ASTM standarder mangler at blive undersøgt.

Den oprindelige biodiesel fremstillet af både kommercielle Isochrysis alger var tilsvarende mørk grøn farve, som kan forklares med tilstedeværelsen af chlorophyler. 36 Klorofyl og dets derivater er blevet rapporteret at have en negativ effekt på stabiliteten af vegetabilske olier og deres tilsvarende biodiesel. 36,29 Baseret på metoden til Issariyakul og Dalai til affarvning greenseed raps olie i forbindelse med produktion af biodiesel, 29 omrøring vores grønne biodiesel over 10% (w / w) MK10 ved 60 ° C i 1 time resulterede i en dramatiskreduktion i pigmentindhold ved visuel inspektion (ref. figur 2). Masse inddrivelser fra affarvning proces var i gennemsnit 90%.

Udbytter af oprensede alkenones fra ISO-pasta-Hao og iso-pulver-Hao neutrale lipider var sammenlignelige ved 40% og 46% vægt / vægt (tabel 1). Da neutrale lipider udgør en højere andel af materiale indeholdt i iso-pulver-Hao (54% vægt / vægt vs. 40% vægt / vægt), alkenone udbytte af iso-pulver-Hao overstiger iso pasta-Hao alkenone udbytte med ca. 10% (25% vægt / vægt vs. 16% vægt / vægt). Men i betragtning af, at udbytter af det iso pulver-Hao selv var lavere end iso pasta-Hao (15% vs. 20% vægt / vægt), de samlede udbytter af alkenones fra både tørre Isochrysis biomasser er mere ens (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% vægt / vægt af tørrede Isochrysis pasta og 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% fra Isochrysis pulver).

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation (CHE-1.151.492), det nordvestlige Advanced Renewables Alliance (stipendium til J. Wilson-Peltier), og gennem en privat donation fra venner af WHOI. Vi takker Kevin R. Steidley og Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) for fremragende teknisk bistand.

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