Experimenteel protocol voor de productie van biodiesel met Isolatie van Alkenones als coproducten van Commercial

Environment
 

Summary

Methoden worden voor de productie van biodiesel, samen met de co-isolatie van alkenones waardevolle coproducten van commerciële Isochrysis microalgen.

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

De noodzaak om stookolie te vervangen door alternatieven uit duurzame en ecologisch duurzame bronnen wordt steeds belangrijker. Biomassa afgeleide biobrandstoffen hebben veel aandacht gekregen in dit verband hebben echter de eerste generatie biobrandstoffen uit eetbare gewassen zoals maïs ethanol of biodiesel uit sojabonen in het algemeen uit de gratie geraakt. Er is derhalve grote belangstelling voor de ontwikkeling van werkwijzen voor de productie van vloeibare brandstoffen uit binnen en superieure niet-eetbare bronnen. Hier een gedetailleerde procedure beschrijven we de productie van een gezuiverd biodiesel uit de mariene microalgen Isochrysis. Bovendien, een unieke reeks van lipiden, bekend als meervoudig onverzadigde langketenige alkenones worden geïsoleerd parallel potentieel waardevolle coproducten de kosten van biodiesel compenseren. Multi-kilogram hoeveelheden Isochrysis worden ingekocht bij twee commerciële bronnen, een als een natte pasta (80% water) die eerst gedroogd voorafgaand aan de verwerking en de othaar een droge poeder gemalen (95% droog). Lipiden geëxtraheerd met hexaan in een Soxhlet-apparaat met een algenolie ( "hexaan algenolie") die zowel traditionele vetten (dwz, triglyceriden, 46-60% w / w) en alkenones (16-25% w / w) te produceren. Verzeping van de triglyceriden in het algenolie zorgt voor het scheiden van de resulterende vrije vetzuren (FFA) vanaf alkenon-bevattende neutrale lipiden. FFAs worden vervolgens omgezet in biodiesel (dwz vetzuurmethylesters, FAME's) door zuur gekatalyseerde verestering terwijl alkenones worden geïsoleerd en gezuiverd uit het neutrale lipiden door kristallisatie. We tonen aan dat biodiesel uit zowel commerciële Isochrysis biomassa vergelijkbare maar niet identieke FAME profielen, gekenmerkt door verhoogde meervoudig onverzadigd vetzuur inhoud (ongeveer 40% w / w). Opbrengsten van biodiesel waren consistent hoger bij het ​​starten van Isochrysis natte pasta (12% w / w vs. 7% w / w), die kunnen worden herleid tot lagere hoeveelheden hexaan algen oil verkregen van het poedervormige product Isochrysis.

Introduction

Er is onlangs een grote hernieuwde belangstelling het vermijden van bepaalde voedingsmiddelen is in biobrandstoffen uit algen, in het bijzonder voor de productie van vloeibare brandstoffen, zoals biodiesel 1 en andere van biomassa afgeleide oliën. 2 voorgestelde voordelen zijn versus brandstof controverse 3 en verluidt hogere productiviteiten en de CO 2 mitigatie mogelijkheden dan traditionele landbouwgewassen. 4 Dit volgt op de bijna 20 jaar United States Department of Energy's Aquatic Species Program (ASP) begon in 1978 met het oog op het onderzoek naar het vervoer brandstof uit algen. Zoals uiteengezet in het verslag van Sheehan's, 5 het programma eindigde in 1996 vooral omdat geraamde kosten waren niet concurrerend met aardolie in die tijd ($ 18,46 per vat (159 L)). Terwijl de kosten van aardolie sterk toegenomen sindsdien ($ 87,39 per vat in 2014) 6, die is verbonden met de Renaissance onderzoek algen biofuel, wat have betoogde dat desalniettemin algen biobrandstoffen te duur blijken te zijn. 7 Zoals een strategie om de productie van biobrandstoffen te compenseren, heeft de notie van coproducten toegevoegde waarde ontstond bij zowel critici 7,8 en voorstanders 9,10 en kenmerken als een van de belangrijkste redenen voor nastreven van algen biobrandstoffen in de United States Department of Energy (DOE) "Nationale algenachtige Biofuels Technology Roadmap". 11

Hier beschrijven we een werkwijze voor de coproductie van twee afzonderlijke brandstofstromen van commerciële Isochrysis microalgen. We hebben ons gericht op Isochrysis deels omdat het reeds industrieel wordt geproduceerd, geoogst behoeve van aquacultuur, en ook omdat Isochrysis is één van de weinige algensoorten die naast de traditionele lipiden (dwz vetzuren) biosynthesize een unieke klasse verbindingen bekend als meervoudig onverzadigde langketenige alkenones. 12 alkenon inrichting wordt gekenmerkt door zeer l ong koolwaterstofketens (36-40 koolstofatomen), 3:58 niet methyleengroep gescheiden trans-dubbele bindingen, en een methyl- of ethyl keton (figuur 1). Alkenon onverzadiging is gevoelig voor de algen groeitemperatuur, 13,14 zodanig dat het aandeel van de tweevoudig onverzadigd C37 methyl alkenon (de zogenaamde "onverzadigingsindex") kan worden gebruikt als indicatie van de laatste zeetemperaturen 15 -. 20 zijn Alkenones dacht te verblijven in cytoplasmatische lipide organen en kan overvloediger dan triglyceriden (TAGs) zijn. 21,22 Onder stikstof of fosfor beperkt tot 10-20% van cel koolstof in de stationaire fase geaccumuleerd als alkenones. 23,24 Vanuit evolutionair oogpunt, alkenones kunnen zijn bevoordeeld ten opzichte van TAG's, omdat hun trans -dubbele binding geometrie zorgt voor een meer stabiele vorm van energie-opslag. 21

189fig1.jpg "/>
Figuur 1. Structuren van polyonverzadigde lange-keten alkenones gemeenschappelijk alkenon 37 methyl. 3 geïsoleerd van Isochrysis tentoonspreiden lange koolwaterstofketenlengtes (36 - 40 koolstofatomen), trans non-methyleengroep gescheiden dubbele bindingen, en eindigt in een methyl- of ethyl keton. Nomenclatuur is vergelijkbaar met vetzuren waarbij #: # verwijst naar aantal koolstofatomen. Aantal dubbele bindingen Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

We stellen dat alkenones een veelbelovende hernieuwbare koolstof materiaal afkomstig van gemeenschappelijke algen met een geschiedenis van industrieel kweken. 25 biodiesel rechtstreeks van het totale lipide-extract van Isochrysis bevat een significante hoeveelheid (10-15% w / w) alkenones besmetting door deze high-smeltende verbindingen resulteert in een slechte koude vloei brandstof eigenschappen. Het gebruik van thij verzeping / extractie technieken die hier beschreven, kan alkenones worden verwijderd en herstelde daarmee de biodiesel kwaliteit te verbeteren, terwijl het produceren van een secundaire productstroom. Recent toonden we aan de omzetting van alkenones een vloeibare brandstof door de cross-metathese met 2-buteen (butenolysis). 26 De butenolysis reactie maakt gebruik van een commercieel ruthenium metathese-initiator, snel plaatsvindt bij lage temperaturen, en netjes levert een voorspelbare mengsel van vliegtuigbrandstof range koolwaterstoffen. Deze reactie wordt uitgevoerd in parallel met biodieselsynthese van vetzuren, die de eerste stappen naar een "biorefinery" benadering 27 commercieel levensvatbare productie Isochrysis biobrandstof.

Protocol

1. Microalgen en Biomassa Voorbereiding

Opmerking: De marine microalgen Isochrysis sp. "T-iso" gebruikt in de huidige studie kan worden gekocht (zie lijst van materialen). Multi-kilogram hoeveelheden Isochrysis kan worden gekocht als een bevroren natte plakken (Iso kopieëren plakken) met ongeveer 80% water en 20% biomassa en is donkergroen / bij zwart van kleur met een penetrante geur ruiken van de zee. Isochrysis kan ook worden gekocht als een droge (95% droog) geel-bruin poeder (Iso -powder) met een vergelijkbare geur.

  1. Om de Isochrysis pasta drogen, opent een 1 kg pakket door een snede 1-2 inch gat in de hoek van de kunststof verpakking met een schaar.
  2. Knijp ongeveer 300 g van dit Isochrysis plak door het gat in een 150 mm x 75 mm kristallisatieschaal een dunne laag (~ 20 mm) te maken.
  3. Laat de pasta aan de lucht drogen bij kamertemperatuur totdat het droog en schilferige (meestal 48 wordt -96 uur).
    Opmerking: de droogtijden kunnen variëren en zijn afhankelijk van de temperatuur. Er werd echter geen verschil opgemerkt in de opbrengst of kwaliteit van het product met een nog langere droogtijden (maximaal twee weken). Het droogproces kan ook overeenstemming worden gebracht en / of versneld door het plaatsen van de kristalliserende schotel op een warme plaat (30 - 40 ° C).
  4. Schraap de droge biomassa uit het kristalliseren van schotel met een spatel en verzamelen in een cellulose extractiehuls (Lengte: 123 mm, 43 mm ID). Noteer het gewicht van de droge biomassa Isochrysis.

2. Soxhlet extractie van Dry Isochrysis Biomassa

  1. Plaats een Isochrysis bevattend cellulose extractiehuls (meestal 50 - 60 g droge biomassa) in een Soxhlet extractie-inrichting.
  2. Vul het lege soxhletkolf met hexanen (400 ml), zet de condensor water en warmtebron, en laat de Soxhlet te fietsen voor 24 - 48 uur (tot de kleur van het oplosmiddel is gegaan van donkergroen tot eenflauw geel).
  3. Draai het vuur uit en laat het apparaat afkoelen tot kamertemperatuur, koppel vervolgens de kolf van het Soxhletapparaat.
  4. Verwijder het hexaan met een rotatieverdamper en het gewicht van de hexaan-extraheerbare materiaal ( "hexaan algenolie" (u-AO)) opnemen.

3. Verzeping van de algenolie en Scheiding van vetzuren en Neutral Lipids

  1. Los het h-AO in dezelfde rondbodemkolf van stap 2.4 met methanol: dichloormethaan (2: 1, volume = 10 x massa van algenolie).
  2. Voeg een roerstaaf en bevestig een terugvloeikoeler (Coil: 500 mm lengte).
  3. Voeg H 2 O (volume = 2,67 x massa van algenolie) en KOH (50% w / w algenolie) en verwarm de inhoud onder roeren tot 60 ° C gedurende 3 uur.
  4. Na afkoelen tot kamertemperatuur, verwijder de organische oplosmiddelen (methanol en dichloormethaan) op een roterende verdamper.
  5. Draagt ​​de resterende waterige mengsel door gieten in een 1L scheitrechter. hexaan (equivalent in volume aan de waterige oplossing) toe te voegen, schud de scheitrechter, en laat de lagen te scheiden.
  6. Giet de onderste waterlaag in een erlenmeyer en giet de bovenste organische fase in een aparte Erlenmeyer.
  7. Herhaal de stappen 3,5 en 3,6 totdat de organische laag kleurloos (typisch 1-2 keer).
  8. Concentreer de gecombineerde organische extracten op een rotatieverdamper de neutrale lipiden isoleren als een groenachtige vaste stof (smeltpunt ≈ 60 -. 70 ° C).
  9. Zuur de waterfase met HCl (6 M tot pH ~ 2 zoals aangegeven met pH-papier).
  10. Extraheer de vrije vetzuren (FFA) vanaf het aangezuurde waterfase met hexanen (Equivolume aan de waterfase) met een 1 L scheitrechter zoals beschreven in stappen 3,5 en 3,6.
  11. Verwijder de hexanen over een rotatieverdamper FFAs als donkergroene bijna zwarte olieachtige residu (vloeibaar bij temperaturen> 30 ° C) te verkrijgen.

4.Zuur gekatalyseerde verestering van vrije vetzuren en productie van een Green Biodiesel

  1. Breng de FFAs onder toepassing van methanol: chloroform (1: 1, 6 x volume algenolie) eerst los de FFAs en vervolgens gieten in een dikwandige hoge druk reactiekolf voorzien van een roerder.
  2. Voeg geconcentreerd H 2 SO 4 (20% w / w algenolie), sluit de kolf en verhit het mengsel tot 90 ° C onder roeren gedurende 1 uur.
  3. Na afkoelen tot kamertemperatuur, breng het mengsel door gieten in een scheitrechter.
  4. Voeg H 2 O (2 x volume van algenolie), schud de scheitrechter en laat de fasen te scheiden.
  5. Giet de onderste laag in een vooraf gewogen rondbodemkolf en geconcentreerd op een rotatieverdamper. Noteer de massa van het verkregen biodiesel.
  6. Analyseer het vetzuurprofiel van gaschromatografie met vlamionisatiedetector (GC-FID) 28 (gaschromatograaf uitgerust met een DB-88 [(88% cyanopropyl) methylarylpolysiloxane] kolom (30 mx 0,25 mm ID x 0,20 pm laagdikte).
    Opmerking: Common vetzuurmethylesters worden geverifieerd door retentietijd vergelijking met authentieke monsters in de handel verkrijgbaar. Bovendien gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS; gaschromatograaf gekoppeld aan een massa selectieve detector) wordt uitgevoerd onder identieke omstandigheden temperatuurprogramma en kolom componenten geanalyseerd zoals C18: 4 waarvoor geen authentieke standaarden beschikbaar met de resultaten toegepast tot kwantificering GC.

5. Biodiesel Ontkleuren

  1. Verwarm de donkergroen gekleurde biodiesel tot 60 ° C in een rondbodemkolf voorzien van een roerstaaf.
  2. Voeg montmorilloniet K 10 (MK10) poeder (10-20% w / w van de biodiesel) en roer gedurende 1 uur.
  3. Verwijder het ronde bodem van het vuur en laat de oplossing afkoelen tot kamertemperatuur.
  4. Bereid een filterinrichting bestaat uit een rondbodemkolf en filter pleziernel met een cellulose filterpapier (Ash 0,007%).
  5. Giet het afgekoelde ontkleurde biodiesel door het filter trechter onder toepassing van een minimale hoeveelheid hexanen om de rondbodemkolf te spoelen.
  6. Koppel de filter trechter uit de rondbodemkolf (dit bevat nu een hexaan oplossing van het ontkleurd biodiesel) en verwijder de hexaan met een roterende verdamper tot een oranje / rood biodiesel veroorloven.
  7. WINKEL monsters bij 4 ° C gedurende welke tijd enkele bezinken van onoplosbaar materiaal (~ 10% w / w) zal optreden.
  8. Verwijder het onoplosbare materiaal door decanteren of filtratie zoals beschreven in stap 5,4 en 5,5 een heldere homogene biodiesel voor analyse te produceren.

6. Isolatie en zuivering van Alkenones van de neutrale Lipids

  1. Los het neutrale lipiden (uit stap 3.8) in een minimale hoeveelheid dichloormethaan (ongeveer 50 ml voor 10 g neutrale lipiden) en voeg de oplossing met een pipet naar de top van een chromatografiekolom (O.D 60 mm, ID 55 mm, lengte 18 ') met silicagel (230-400 mesh, 100 g).
  2. Elueer de oplossing door de silica met druk (~ 5 psi) met dichloormethaan (ongeveer 150 ml) als oplosmiddel en verzamel het eluaat in een 250 ml rondbodemkolf.
  3. Verwijder het dichloormethaan met een rotatieverdamper, waarbij een oranje-kleurige vaste stof.
  4. Herkristalliseer de vaste stof onder toepassing van hexanen toevoeging van ongeveer 100 ml kokende hexanen gevolgd door tussentijdse extra hoeveelheden kokend hexaan totdat de oplossing homogeen is (totaalvolume ~ 150 ml). Vervolgens langzaam afkoelen van de oplossing tot kamertemperatuur om kristallisatie te bevorderen.
  5. Verzamel de gekristalliseerde alkenones met een filterinrichting zoals beschreven in stap 5.4 onder toepassing van een kleine hoeveelheid koud (0 ° C) hexanen aan de kolf te spoelen.

Representative Results

Voorafgaand aan de verwerking, werd de Isochrysis pasta (Iso- plakken) eerst gedroogd. Dit is gunstig bewerkstelligd op grotere schaal door toevoeging van de Iso kopieëren plakken in hoge kristallisatieschaal en waardoor het materiaal aan de lucht drogen bij kamertemperatuur. Tijdens het drogen, wat samengevoegde water vormt (algemeen roodachtig gekleurd) die kunnen worden verwijderd door decanteren of pipetteren om het droogproces te versnellen. Na ongeveer 48-96 uur, kunnen de nu droge Isochrysis worden geschraapt uit de kristallisatieschaal en verkregen als een zwart / groene vlokkig materiaal met een zeewier-achtige geur (figuur 2). Opbrengsten van droge biomassa over het algemeen 20% w / w van de pasta zoals geadverteerd. Daarentegen Isochrysis het poedervormige product (Iso- poeder) werd een geel-bruine, fijn gemalen droge poeder (95% droog) die direct werd gebruikt zonder verdere bewerking (figuur 2).

guur 2 "src =" / files / ftp_upload / 54189 / 54189fig2.jpg "/>
Figuur 2. Vergelijking van commerciële Isochrysis. Isochrysis pasta (80% nat) ligt langs de bodem van een kristallisatieschaal en aan de lucht drogen bij kamertemperatuur gedurende 48-96 uur vóór verwerking. De resulterende gedroogde Isochrysis wordt verkregen als een donker gekleurde schilferige materiaal (rechts) die verschillend qua uiterlijk dan de commerciële droog poeder Isochrysis (links). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Extractie van hetzij de gedroogde Iso kopieëren plakken of Iso- poeder door Soxhlet met hexanen leverde, na verwijdering van het hexaan, algenolie (h-AO) die qua uiterlijk als donkergroene / bijna zwarte vaste stof (smeltpunt waren. ~ 50 -60 ° C). Opbrengsten van h-AO bij het ​​starten van de pasta ( "Iso- pasta-Hao") Was kenmerkend 20% w / w van de droge biomassa Isochrysis, in overeenstemming met onze eerdere resultaten, 26 dat opbrengsten aan h-AO door Soxhlet extractie van de commerciële poedervormige Isochrysis (" Iso- poedervrij HAO ") was 15% w / w (Tabel 1).

Product (g) Iso kopieëren plakken Iso -powder-1 Iso -powder-2
droge biomassa 30 20 20
Hexaan algenolie 5.86 2.87 3.11
FFAs 3.52 1.34 1,38
neutrale lipiden 2.34 1,38 1.61
Alkenones 0.94 0.63 0.74
Opmerkingen: Iso-poeder-1 en Iso-poeder-2 vertegenwoordigen resultaten van twee monsters van poedervormige Isochrysis die parallel werden verwerkt. Voor andere rapporten met de opbrengst van deze producten uit Iso-paste zie referenties 26, 32, en 33.

Tabel 1. Productopbrengsten van commerciële Isochrysis biomassa.

Acylglycerolen in de h-AO werden omgezet in de overeenkomstige in water oplosbare zouten carboxylaat (bijv zeep) bij toevoeging van waterig KOH in methanol / CH 2Cl 2. Neutrale lipiden waaronder alkenones werden vervolgens geëxtraheerd uit het waterige mengsel door selectieve afscherming met hexanen. Na verwijdering van neutrale lipiden, reacidification van de zeep vervolgens geproduceerde overeenkomstige vrije vetzuren (FFA) die eveneens kan worden gewonnen uit de waterigeueous fase met hexaan. De totale massa terugvorderingen voor gecombineerde FFAs en neutrale lipiden uit ofwel Iso- pasta-Hao of Iso -powder-Hao waren constant in de buurt van kwantitatieve. De verhouding van de producten (dat wil zeggen neutrale lipiden + FFA) was verschillend. Van de Iso- pasta-HAO verkregen we 60% ​​(w / w) FFAs en 40% (w / w) neutrale lipiden (tabel 1). Omgekeerd, Iso- poeder-hao bleek verrijkt in neutrale lipiden (gemiddelde = 54% neutrale lipiden + 46% FFAs) zoals uiteengezet in tabel 1.

Verestering van de FFAs met H 2 SO 4 en vervolgens methanol geproduceerde vetzuurmethylesters (FAME, dwz biodiesel) als een donkergroene dichtbij zwarte olieachtige vloeistof in meer dan 90% opbrengst (figuur 3). Ontkleuring door verhitting van meer dan montmorilloniet K10 29 (MK10) klei gaf een geel / oranje product, lijken op andere commerciële bibiodieselproductie brandstoffen (zie lijst van materialen) (figuur 3). De resultaten van de FAME-analyse van ontkleurd Isochrysis biodiesel worden in tabel 2.

figuur 3
Figuur 3. Vergelijking van Isochrysis en soja biodiesel. Green Isochrysis biodiesel (midden) wordt verkregen door verestering van geëxtraheerde en gezuiverde vrije vetzuren. Ontkleuren produceert een product (rechts) met vergelijkbare eigenschappen met de commerciële biodiesel (links). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

FAME A Iso kopieëren plakken Iso -powder
14:00 16.4 19.4
14:01 - 0.3
15:00 spoor 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 Spoor 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
Opmerkingen: een vetzuur nomenclatuur #carbons:. # Cis-dubbele bindingen geregelde B Gecombineerd 18: 1 Δ9 + 18:.. 1 Δ11 C gecombineerde Δ6,9,12 en Δ9,12,15 isomeren D Het resterende materiaal is ongeveer 50 : 50 andere FAME en non-FAME componenten (Totaal ~ 95% FAME). ND = Niet bepaald.

Tabel 2. FAME samenstelling van biodiesel geproduceerd uit commerciële Iso -past en Iso -powder Isochrysis biomassa.

Neutrale lipiden werden verkregen als een groenachtige vaste stof mengsel bij 40% w / w van de Iso-HAO kopieëren plakken en 54% (gem.) Van de Iso- poedervrije HAO (Tabel 1). Filteren van de opgeloste neutrale lipiden door middel van het gebruik van silicaDCM gaf na verwijdering van het oplosmiddel, een rood / oranje vaste stof die kan worden geherkristalliseerd met hexanen analytisch zuiver alkenones als een witte vaste stof. Dit resulteerde in 16% (w / w) Geïsoleerde opbrengst alkenones van Iso- pasta-HAO en 25% opbrengst uit -powder Iso-HAO (Tabel 1).

Discussion

Isochrysis is een van slechts een select aantal algensoorten industrieel gekweekt, geoogst als een primaire component van schelpdieren voer, en dus representatief voor de schaal die nodig zijn voor de productie van biobrandstoffen. De beschikbaarheid van de algen benut en standaardwerkwijzen die in deze studie maken de gepresenteerde protocol ruime toegang voor andere groepen voor verder onderzoek. Kritische stappen omvatten luchtdrogende algen (in tegenstelling tot vriesdrogen 33), oplosmiddel extractie, verzeping en verestering. Door deze handelingen kunnen een opbrengst van lipiden en andere coproducten uit de verschillende beschikbare Isochrysis 30 onderzoeken. Verwacht wordt dat deze kunnen verschillen als gevolg van verschillende stammen en kweekmethoden, 31 en kan ook worden beïnvloed door de aard van het product en elke aanvullende verwerking (bijvoorbeeld drogen of vriezen) gebruikt door de leverancier. Zoals we hier laten zien, het protocol te ontwikkelened succes kan worden toegepast op verschillende soorten Isochrysis producten, variërend van een natte pasta om een droog poeder gemalen. Opbrengsten van biodiesel waren echter lager van de poedervormige biomassa (7% w / w droge biomassa vs. 12% w / w van de gedroogde pasta), die overeenkomt met lagere hoeveelheden algenolie (h-AO) geëxtraheerd. Dit kan erop wijzen dat een alternatieve extractieprotocol 32 zijnde een Soxhlet apparaat beter geschikt voor droge poedervormige producten Isochrysis zijn. De Isochrysis poeder gebruikt in deze studie wordt geadverteerd als met 23-25% lipiden, die vergelijkbaar zijn met wat we experimenteel hebben verkregen uit gedroogde Isochrysis pasta. 33,34,26

Ondanks de verschillende kleuren van de beginnende droge biomassa, de Iso- pasta-Hao en Iso -powder-Hao in wezen niet te onderscheiden, zowel donkergroen / dichtbij zwarte vaste stof met een smeltpunt van ongeveer 50 ° C. Interessant is dat de verhouding van FFAs neutrale lipids binnen twee hexaanextracten was anders. Na omzetting en scheiding van neutrale lipiden, verkregen we 60% ​​(w / w) FFAs en 40% (w / w) neutrale lipiden uit de Iso-HAO kopieëren plakken. Iso- de poeder-HAO geproduceerd gemiddeld 46% (w / w) FFAs en 54% (w / w) neutrale lipiden. De resultaten suggereren dat het begin- poedervormige biomassa grotere hoeveelheden van neutrale lipiden ten opzichte FA derivaten dan Isochrysis plakken of dat Soxhletextractie poedervormig Isochrysis enigszins selectief voor neutrale lipiden kunnen bevatten.

Niet alleen was de opbrengst aan verkregen door twee commerciële Isochrysis verschillende biomassa, maar ook de vetzuurprofielen van de resulterende biodiesel. Dit is belangrijk, omdat de brandstof eigenschappen van een biodiesel zijn direct afhankelijk van de aard en inhoud van afzonderlijke FAME. 35 te worden gecommercialiseerd, alle biodiesel moet voldoen aan de in de documenten beschreven ASTM normenD6751 of EN 14214 in respectievelijk de VS of Europa. Specificaties omvatten marges voor gladheid en kinematische viscositeit, en minimumwaarden voor het cetaangetal en oxidatieve stabiliteit. Andere belangrijke aanbevelingen hebben betrekking op koude vloei-eigenschappen in de vorm van een wolk punt (CP) of koud filter plugging point (CFPP). We hebben eerder gerapporteerde resultaten van de uitgebreide brandstof testen van biodiesel bereid uit Iso- pasta. 36 Aangezien de FAME profiel van biodiesel uit de Iso -powder in dit onderzoek komt overeen met dat eerder geteste, kunnen we voorspellen bepaalde brandstofeigenschappen vergelijkbaar zijn beide biodiesel. Bijvoorbeeld, meervoudig onverzadigde vetzuren (PuFAMEs, meer dan twee dubbele bindingen) zijn goed voor ongeveer 40% van zowel de FAME mengsels (35,2% en 39,9%, tabel 2). Dit zal leiden tot een slechte oxidatiestabiliteit en gunstige koude-stroom. 35 Er zijn echter kleine verschillen in de FAME profielen van de twee biodiesel brandstoffen. Biodiesel uit de poedervormige Isochrysis bevatten grotere hoeveelheden 14: 0 (19,4 mg / g versus 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g versus 8,5 mg / g) en 22: 6 (11,0 mg / g versus 6,9 mg / g) FAME, maar kleinere hoeveelheden 18: 4 (10,4 mg / g versus 19,8 mg / g). De omvang van het effect van deze verschillen op de verschillende brandstofeigenschappen die in de ASTM-normen nog worden onderzocht.

De eerste biodiesel van zowel commerciële Isochrysis algen waren ook donkergroen kan verklaard worden door de aanwezigheid van chlorofyl. 36 chlorofyl en zijn derivaten zijn gerapporteerd een negatief effect op de stabiliteit van plantaardige oliën en hun overeenkomstige biodiesel brandstoffen. 36,29 op basis van de wijze van Issariyakul en Dalai voor ontkleuren greenseed koolzaadolie met betrekking biodiesel, 29 roeren onze groene biodiesel dan 10% (w / w) MK10 bij 60 ° C gedurende 1 uur tot een scherpevermindering pigmentgehalte door visuele inspectie (ref. figuur 2). Mass terugvorderingen van het ontkleuren proces waren gemiddeld 90%.

Opbrengsten van gezuiverd alkenones van Iso- pasta-HAO en Iso- poeder-HAO neutrale lipiden waren vergelijkbaar bij 40% en 46% w / w respectievelijk (Tabel 1). Aangezien neutrale lipiden vormen een groter aandeel van het materiaal in de Iso- poeder-HAO (54% w / w vs. 40% w / w), alkenon opbrengst van de Iso- poedervrije HAO overschrijdt Iso- pasta-HAO alkenon rendement ongeveer 10% (25% w / w vs. 16% w / w). Aangezien echter de opbrengst van de Iso- poeder-HAO zich lager dan Iso- pasteuze HAO (15% vs. 20% w / w), totaalopbrengsten van alkenones van zowel droge Isochrysis biomassa meer vergelijkbaar (0,2 x 0,4 x waren 0,4 = 3,2% w / w van gedroogde Isochrysis plakken en 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% ten opzichte van Isochrysis poeder).

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation (CHE-1151492), de Northwest Geavanceerde Renewables Alliance (fellowship aan J. Wilson-Peltier), en via een eigen donatie van vrienden van WHOI. Wij danken Kevin R. Steidley en Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) voor een uitstekende technische ondersteuning.

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