Experimentellt protokoll för produktion av biodiesel med isolering av Alkenones som samprodukter från Commercial

Environment
 

Summary

Detaljerade metoder presenteras för produktion av biodiesel tillsammans med co-isolering av alkenones som värdefulla samprodukter från kommersiella 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 av att ersätta petroleumbränslen med alternativ från förnybara och mer miljömässigt hållbara källor är av växande betydelse. Biomassa härrörande biobränslen har fått stor uppmärksamhet i detta avseende, har dock första generationens biobränslen från ätbara grödor som majs etanol eller soja biodiesel i allmänhet fallit i onåd. Det finns således ett stort intresse för utveckling av metoder för framställning av flytande bränslen från inhemska och överlägsna icke-ätbara källor. Här beskriver vi ett detaljerat förfarande för framställning av en renad biodiesel från den marina mikroalger Isochrysis. Dessutom är en unik svit av lipider kända som fleromättade långkedjiga alkenones isolerades parallellt som potentiellt värdefulla samprodukter att kompensera kostnaderna för produktion av biodiesel. Multi-kilogram kvantiteter av Isochrysis köps från två kommersiella källor, en som en våt pasta (80% vatten) som först torkas före behandlingen, och othenne en torrmalda pulver (95% torr). Lipider extraheras med hexaner i en Soxhlet-apparat för att producera en alger olja ( "hexan algolja") som innehåller både traditionella fetter (dvs triglycerider, 46-60% vikt / vikt) och alkenones (16-25% vikt / vikt). Förtvålning av triglycerider i algolja möjliggör separation av de resulterande fria fettsyror (FFAs) från alkenone innehållande neutrala lipider. Ffas omvandlas sedan till biodiesel (dvs. fettsyrametylestrar, fames) genom syrakatalyserad förestring medan alkenones isoleras och renas från de neutrala lipiderna genom kristallisation. Vi visar att biodiesel från både kommersiella Isochrysis biomassor har liknande men inte identiska FAME profiler, som kännetecknas av förhöjda fleromättade fettsyror innehåll (ca 40% v / v). Utbyten av biodiesel genomgående var högre när man utgår från den Isochrysis våt pasta (12% vikt / vikt vs. 7% vikt / vikt), som kan spåras för att sänka mängder av hexan alger oil erhållen från den pulverformiga Isochrysis produkten.

Introduction

Det har nyligen varit en stor uppsving av intresset för biobränslen från alger, särskilt för produktion av flytande bränslen såsom biodiesel en och annan biomassa härrörande oljor. 2 Föreslagna fördelar är att undvika vissa livsmedel vs. bränsle kontroverser 3 och enligt uppgift högre produktivitet och CO 2 begränsnings kapacitet än traditionella jordbruksgrödor. 4 Detta följer nästan 20 år United States Department of Energy Aquatic Species Program (ASP) startade 1978 i syfte att undersöka transportbränsle från alger. Såsom anges i Sheehan rapport slutade 5 programmet 1996 främst på grund beräknade kostnaderna inte var konkurrenskraftig med råolja vid den tiden ($ 18,46 per fat (159 liter)). Medan kostnaden för petroleum har ökat dramatiskt sedan dess ($ 87,39 per fat under 2014) 6, som är ansluten till renässansen i alger biobränsle forskning, några have hävdade att ändå alger biobränslen kommer att visa sig alltför kostsam. 7 Som en strategi för att kompensera biobränsleproduktionskostnaderna, har begreppet mervärdes samprodukter uppstått bland både kritiker 7,8 och förespråkare 9,10 och funktioner som en av de viktigaste orsakerna till bedriver alger biobränslen i Förenta staternas Department of Energy (DOE) "National alger Biofuels Technology Roadmap". 11

Här beskriver vi en metod för samproduktion av två separata bränsleströmmar från kommersiella Isochrysis mikroalger. Vi har fokuserat på Isochrysis delvis eftersom det redan produceras industriellt, skördas i syfte att havsbruk, och också eftersom Isochrysis är en av endast ett fåtal arter av alger som utöver traditionella lipider (dvs fettsyror) biosyntetisera en unik klass av föreningar kända som fleromättade långkedjiga alkenones. 12 Alkenone strukturer kännetecknas av mycket l ong kolvätekedjor (36-40 kolatomer), två till fyra icke-metylenstörda trans -Double bindningar och en metyl eller etyl keton (figur 1). Alkenone omättnad är känslig för algerna växer temperatur, 13,14 så att andelen diomättad C37 metyl alkenone (den så kallade "omättnad index") kan användas som ett mått på tidigare hav yttemperaturer 15 -. 20 Alkenones är tros uppehålla sig i cytoplasmatiska lipidkroppar och kan vara rikligare än triglycerider (TAG). 21,22 under kväve eller fosfor begränsning, upp till 10-20% av cell kol i den stationära fasen ackumuleras som alkenones. 23,24 från en evolutionär synvinkel kan alkenones har gynnas framför TAGs eftersom deras trans -Dubbel bond geometri ger en mer stabil form av energilagring. 21

189fig1.jpg "/>
Figur 1. Strukturer av fleromättade långkedjiga alkenones Common alkenone metyl 37:. 3 isolerades från Isochrysis exemplifierande lång kolväte-kedjelängder (36 - 40 kolatomer), trans icke-metylenstörda dubbelbindningar, och slutar i en metyl- eller etyl-keton. Nomenklatur liknar fettsyror där #: # avser antalet kolatomer. Antal dubbelbindningar Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Vi menar att alkenones utgör en lovande råmaterial förnybart kol från en gemensam alger med en historia av industriell odling. 25 Biodiesel produceras direkt från den totala lipid extrakt av Isochrysis innehåller en betydande mängd (10-15% vikt / vikt) av alkenones och förorening av dessa högsmältande föreningar resulterar i dålig kallt flytegenskaper bränsle. Men med hjälp av than förtvålning / utvinning tekniker som beskrivs här, kan alkenones tas bort och återvinns därmed förbättra biodiesel kvalitet samtidigt som det producerar en sekundär produktström. Nyligen har vi visat att omvandlingen av alkenones till ett flytande bränsle genom tvär metates med 2-buten (butenolysis). 26 Den butenolysis Reaktionen utnyttjar en kommersiell rutenium metates-initiator, sker snabbt vid låg temperatur, och rent levererar en förutsägbar blandning av flygbränsle range kolväten. Denna reaktion genomförs parallellt med biodiesel syntes från fettsyror, som representerar de första stegen mot en "bioraffinaderi" strategi 27 för kommersiellt gångbar Isochrysis biobränsle.

Protocol

1. Mikroalger och biomassa Förberedelse

Obs: Den marina mikroalger Isochrysis sp. "T-iso" som används i denna studie kan köpas (se lista över material). Multi-kilogram kvantiteter av Isochrysis kan köpas som en frusen våt pasta (Iso -paste) innehållande ca 80% vatten och 20% av biomassa, och är mörkgrön / nära svart färg med en stickande lukt luktade havet. Isochrysis kan också köpas som ett torrt (95% torr) gulbrunt pulver (Iso -powder) med en liknande lukt.

  1. I syfte att torka Isochrysis pastan, öppna en 1 kg paket genom att skära ett 1 - 2 tums hål i hörnet av plastförpackningar med sax.
  2. Pressa ca 300 g av denna Isochrysis klistra genom hålet in i en 150 mm x 75 mm kristallisationsskål för att skapa ett tunt skikt (~ 20 mm).
  3. Låt pastan lufttorka vid rumstemperatur tills den blir torr och fjällig (typiskt 48 -96 h).
    Obs: Faktiska torktider kan variera och är beroende av temperaturen. Dock ingen skillnad noterades i utbytet eller produktens kvalitet med ännu längre torktider (upp till två veckor). Torkningsprocessen kan också göras mer likformig och / eller accelereras genom att placera det kristallisationsskål på en varm platta (30-40 ° C).
  4. Skrapa torr biomassa från kristalliserande skålen med en spatel och samla in en cellulosa extraktionshylsan (Längd: 123 mm, 43 mm ID). Notera vikten av den torra Isochrysis biomassa.

2. Soxhlet extraktion av torkade Isochrysis biomassa

  1. Fyll en Isochrysis-innehållande extraktion cellulosafingerborg (typiskt 50-60 g torr biomassa) i en soxhletutrustning.
  2. Fyll Soxhletkolvens med hexaner (400 ml), slå på kondensorns vatten och värmekälla, och göra det möjligt för Soxhlet till cykeln för 24 - 48 h (tills färgen av lösningsmedlet har gått från mörkgrön till ensvagt gul).
  3. Stäng av värmen och låt apparaten svalna till rumstemperatur, sedan koppla kolven från Soxhlet extraktionsutrustning.
  4. Avlägsna de hexaner med användning av en rotationsindunstare och notera vikten av hexaner-extraherbara material ( "hexan algolja" (h-AO)).

3. Förtvålning av algolja och Separation av fettsyror och neutrala lipider

  1. Återupplösa h-AO i samma rundkolv från steg 2.4 ovan med metanol: diklormetan (2: 1, volym = 10 x massa av alger olja).
  2. Lägg en omrörare och bifoga en återflödeskondensor (Coil: 500 mm längd).
  3. Lägg H2O (volym = 2,67 x massa av alger olja) och KOH (50% vikt / vikt alger olja) och värma innehållet under omröring till 60 ° C under 3 h.
  4. Efter kylning till rumstemperatur, avlägsna de organiska lösningsmedlen (metanol och diklormetan) på en rotationsindunstare.
  5. Överföra den återstående vattenhaltiga blandningen genom att hällas i en 1-L Separertratt. Lägg till hexan (motsvarande volym till vattenlösningen), skaka separertratt, och tillåta skikten att separera.
  6. Dränera lägre vattenskiktet i en Erlenmeyerkolv, och häll bort den övre organiska fasen i en separat Erlenmeyer.
  7. Upprepa steg 3,5 och 3,6 tills det organiska skiktet är färglösa (typiskt 1-2 gånger).
  8. Koncentrera de kombinerade organiska extrakten på en roterande indunstare för att isolera de neutrala lipiderna som en grönaktig fast substans (smp ≈ 60 -. 70 ° C).
  9. Surgör vattenfasen med HCl (6 M, till pH ~ 2 såsom indikeras med pH-papper).
  10. Extrahera den fria fettsyror (FFAs) från den surgjorda vattenhaltiga fasen med hexaner (lika stor volym till den vattenhaltiga fasen) där en 1 L separationstratt som beskrivs i steg 3.5 och 3.6.
  11. Avlägsna de hexaner på en rotationsindunstare för att erhålla de ffas som en mörkgrön nära-svart oljig återstod (flytande vid temperaturer> 30 ° C).

4.Syrakatalyserad förestring av fria fettsyror och produktion av en grön Biodiesel

  1. Överför ffas med användning av metanol: kloroform (1: 1, 6 x volym av alger olja) för att först upplösa ffas och sedan genom att hällas i ett tjockväggigt högtrycksreaktionskolv försedd med en omrörarstav.
  2. Lägga koncentrerad H 2 SO 4 (20% vikt / vikt algolja), försegla kolven och värm blandningen till 90 ° C under omröring under 1 timme.
  3. Efter kylning till rumstemperatur, för över blandningen genom att hällas i en separationstratt.
  4. Lägg H2O (2 x volym alger olja), skaka separertratten och låt faserna separera.
  5. Dränera det undre skiktet in i en förvägd kolv med rund botten och koncentrera på en rotationsindunstare. Notera den totala massan av den resulterande biodiesel.
  6. Analysera fettsyraprofilen genom gaskromatografi med flamjoniseringsdetektor (GC-FID) 28 (gaskromatograf utrustad med en DB-88 [(88% cyanopropyl) methylarylpolysiloxane] kolonn (30 mx 0,25 mm ID x 0,20 ^ m filmtjocklek).
    Obs: Gemensam fettsyrametylestrar verifieras genom uppehållstid jämförelse med autentiska prover erhållna kommersiellt. Dessutom, gaskromatografi-masspektrometri (GC-MS; gaskromatograf kopplad till en masselektiv detektor) utförs under identiska betingelser av temperaturprogram och kolumn för att analysera komponenter såsom C18: 4 för vilka inga autentiska standarder finns med tillämpade resultaten till GC kvantifiering.

5. biodiesel Avfärgning

  1. Värm den mörka grönfärgade biodiesel till 60 ° C i en rundbottnad kolv utrustad med en omrörarstav.
  2. Lägg montmorillonit K 10 (MK10) pulver (10-20% vikt / vikt av biodiesel) och rör om under 1 timme.
  3. Ta bort den rundbottnade från värmen och låt lösningen svalna till rumstemperatur.
  4. Förbereda en filtreringsapparat som består av en rundbottnad kolv och filter kulnel innehåller en cellulosafilterpapper (Ash 0,007%).
  5. Häll den kylda avfärgade biodiesel genom filtertratt med användning av en minimal mängd av hexaner för att skölja den rundbottnade kolven.
  6. Koppla bort filtertratt från den rundbottnade kolven (detta innehåller nu en hexaner lösning av den avfärgade biodiesel) och ta bort hexaner med en rotationsindunstare för att ge en orange / röd biodiesel.
  7. Förvara proverna vid 4 ° C under vilken tid en viss sedimentering av olösligt material (~ 10% vikt / vikt) kommer att inträffa.
  8. Avlägsna det olösliga materialet genom dekantering eller filtrering som beskrivs i steg 5,4 och 5,5 för att framställa en klar homogen biodiesel för analys.

6. Isolering och rening av Alkenones från de neutrala lipider

  1. Upplösa neutrala lipider (från steg 3,8) i en minimal mängd av diklormetan (approximativt 50 ml för 10 g neutrala lipider) och tillsätt lösningen med en pipett till toppen av en kromatografikolonn (O.D 60 mm, ID 55 mm, längd 18 ") innehållande silikagel (230-400 mesh, 100 g).
  2. Eluera lösningen genom silika med tryck (~ 5 psi) med användning av diklormetan (ca 150 ml) som lösningsmedel och samla eluenten i en 250 ml rundbottnad kolv.
  3. Avlägsna diklormetan med en rotationsindunstare för att ge en orange-färgad fast substans.
  4. Omkristallisera den fasta användning av hexaner genom att tillsätta ca 100 ml kokande hexan följt av ökande ytterligare mängder av kokande hexan tills lösningen är homogen (total volym ~ 150 ml). Sedan, långsamt kyla lösningen till rumstemperatur för att främja kristallisation.
  5. Samla de kristallise alkenones med användning av en filtreringsapparat som beskrivs i steg 5,4 med användning av en liten mängd av kall (0 ° C) hexaner för att skölja kolven.

Representative Results

Före bearbetning, Isochrysis pastan (Iso- pasta) torkades först. Denna fram lämpligen åstadkommas i större skala genom att lägga till Iso -paste till en stor kristallisationsskål och låta materialet lufttorka vid rumstemperatur. Under torkning några poolade vatten bildar (rödaktig i allmänhet färgade) som kan avlägsnas genom dekantering eller pipettering för att påskynda torkningen. Efter cirka 48 till 96 h, den nu torra Isochrysis kunde skrapas ut ur kristallisationsskål och erhölls som en svart / grön gulaktigt material med en tång-liknande lukten (Figur 2). Utbyten av torra biomassan var i allmänhet 20% vikt / vikt av pastan som annonseras. Däremot den pulverformiga Isochrysis produkt (Iso- pulver) var en gul-brun, finmalt, torrt pulver (95% torr) som användes direkt utan ytterligare bearbetning (Figur 2).

gur 2 "src =" / filer / ftp_upload / 54.189 / 54189fig2.jpg "/>
Figur 2. Jämförelse av kommersiell Isochrysis. Isochrysis pasta (80% våt) sprids längs botten av en kristallisationsskål och lämnades att lufttorka vid rumstemperatur under 48 till 96 h före bearbetningen. Det resulterande torkade Isochrysis erhålls som en mörk flagnande material (till höger) som är annorlunda utseende än den kommersiella pulver Isochrysis (till vänster). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Utvinning av antingen den torkade Iso -paste eller Iso- pulver genom Soxhlet med hexan gav, efter avlägsnande av hexan, alger oljor (h-AO) som var liknande utseende som mörkgrön / nästan svart fast substans (smp. ~ 50 -60 ° C). Utbyten av h-AO vid start från pastan ( "Iso- pasta HAO") Var generellt 20% vikt / vikt av den torra Isochrysis biomassa, överensstämmer med våra tidigare resultat, 26 medan utbyten av h-AO genom Soxhlet-extraktion av den kommersiella pulverformiga Isochrysis (" Iso- pulver HAO ") var 15%, vikt / w (tabell 1).

Produkt (g) iso -paste Iso -powder-1 Iso -powder-2
torr biomassa 30 20 20
Hexan algolja 5,86 2,87 3,11
ffas 3,52 1,34 1,38
neutrala lipider 2,34 1,38 1,61
Alkenones 0,94 0,63 0,74
Anmärkningar: Iso-pulver en och Iso-pulver 2 representerar resultaten från två prov av pulveriserad Isochrysis som bearbetades parallellt. För andra rapporter med utbyten av dessa produkter från Iso-pasta se referenser 26, 32 och 33.

Tabell 1. Produkt avkastningen från kommersiella Isochrysis biomassa.

Acylglyceroler i h-AO konverterades till de motsvarande vattenlösliga karboxylatsalter (dvs., tvålar) efter tillsats av vattenhaltig KOH i metanol / CH 2 Cl 2. Neutrala lipider inklusive alkenones extraherades sedan från denna vattenhaltiga blandning genom selektiv avskärmning med hexaner. Efter avlägsnande av de neutrala lipiderna, reacidification av de tvålar som produceras sedan de motsvarande fria fettsyror (FFAs) som kan framställas på liknande extraheras från aqueous fas med hexaner. De totala massåtervinningar till kombinerade ffas och neutrala lipider från antingen Iso- pasta HAO eller Iso -powder-Hao var genomgående nära kvantitativt. Men förhållandet av produkter (dvs neutrala lipider + FFAs) var olika. Från Iso- pasta HAO erhöll vi 60% (vikt / vikt) ffas och 40% (vikt / vikt) neutrala lipider (tabell 1). Omvänt, iso- pulver HAO visat anrikat i neutrala lipider (genomsnitt = 54% neutrala lipider + 46% ffas) som anges i tabell 1.

Förestring av ffas med H 2 SO 4 och metanol som framställs sedan fettsyrametylestrar (FAME, ie, biodiesel) som ett mörkgrönt nära svart oljig vätska i mer än 90% utbyte (figur 3). Avfärgning genom upphettning över Montmorillonit K10 29 (MK10) lera gav sedan en gul / orange produkt, samma utseende som andra kommersiella biodiesel bränslen (se lista över material) (Figur 3). Resultat från FAME-analys av avfärgas Isochrysis biodieselbränslen visas i tabell 2.

Figur 3
Figur 3. Jämförelse av Isochrysis och sojabönor biodiesel. Grön Isochrysis biodiesel (mitten) framställs genom förestring av extraherade och renade fria fettsyror. Avfärgning producerar en produkt (till höger) med liknande egenskaper som kommersiell biodiesel (till vänster). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

FAME A iso -paste iso -powder
14:00 16,4 19,4
14:01 - 0,3
15:00 spår 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 Spår 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
Anmärkningar: en fettsyra nomenklaturen #carbons. # Cis -Double obligationer B sammantaget 18: 1 Δ9 + 18:.. En Δ11 C Kombinerad Δ6,9,12 och Δ9,12,15 isomerer D återstående materialet är ungefär 50 : 50 andra FAME och icke-FAME komponenter (Totalt ~ 95% FAME). ND = ej detekterad.

Tabell 2. FAME sammansättningen av biodiesel från kommersiella Iso -past och Iso -powder Isochrysis biomassa.

Neutrala lipider erhölls som ett grönaktigt fast blandning vid 40% vikt / vikt från Iso -paste-Hao och 54% (avg.) Från Iso- pulver HAO (tabell 1). Filtrering av de upplösta neutrala lipider genom kiseldioxid med användning avDCM gav efter avlägsnande av lösningsmedlet, till en rödaktig / orange fast substans som kunde omkristalliseras med hexaner ge analytiskt ren alkenones som ett vitt fast ämne. Denna procedur resulterade i 16% (vikt / vikt) isolerade utbytet av alkenones från Iso- pasta Hao och 25% utbyte från Iso -powder-HAO (tabell 1).

Discussion

Isochrysis är en av endast ett begränsat antal algarter odlade industriellt, skördas som en primär komponent av skaldjur foder, och därmed representativa för den skala som krävs för produktion av biobränsle. Tillgängligheten av alger utnyttjas och standardmetoder som används i denna studie gör Protokollet presenteras allmänt tillgängliga för andra grupper för ytterligare undersökningar. Kritiska steg innefattar lufttorkning av alger (i motsats till lyofilisering 33), lösningsmedelsextraktionerna, förtvålning och förestring. Genom dessa operationer kan man undersöka halterna av lipider och andra samprodukter från olika Isochrysis tillgängliga 30. Man räknar med att dessa kan skilja sig som ett resultat av olika stammar och odlingsmetoder, 31 och kan också påverkas av vilken typ av produkt och ytterligare bearbetning (t.ex. torkning eller frysning) som används av leverantören. Som vi visar här, protokollet utvecklaed kan med framgång tillämpas på olika typer av Isochrysis produkter, allt från en våt pasta till en torr malda pulvret. Utbyten av biodiesel men var lägre från det pulverformiga biomassa (7% vikt / vikt torr vs biomassa 12% vikt / vikt från den torkade pastan), vilket motsvarar med lägre mängder av alger olja (h-AO) extraheras. Detta kan tyda på att ett alternativt extraktion protokoll 32 annan än en Soxhlet-apparat kan vara bättre lämpade för torrt pulver Isochrysis produkter. Den Isochrysis pulver som används i denna studie är marknadsförs som innehåller 23-25% lipider, som liknar vad vi experimentellt har erhållits från torkat Isochrysis pasta. 33,34,26

Trots de olika färgerna i utgångs torr biomassa, det Iso- pasta Hao och Iso -powder Hao var i huvudsak oskiljbara, både mörkgrön / nära svarta fasta ämnen med smältpunkter av ca 50 ° C. Intressant nog är förhållandet mellan ffas till neutralt läppids inom två hexanextrakten var annorlunda. Efter förtvålning och separation av neutrala lipider, erhöll vi 60% (vikt / vikt) ffas och 40% (vikt / vikt) neutrala lipider från Iso -paste-Hao. Den Iso- pulver-HAO producerade i medeltal 46% (vikt / vikt) ffas och 54% (vikt / vikt) neutrala lipider. Resultaten tyder på att antingen utgångspulverformiga biomassan kan innehålla högre mängder av neutrala lipider i förhållande till FA-derivat än Isochrysis pastan, eller att Soxhlet-extraktion av pulverformigt Isochrysis är något selektiv för neutrala lipider.

Inte bara var utbytena av produkter som framställts av de två kommersiella Isochrysis biomassor annorlunda, men också fettsyraprofilerna för den resulterande biodiesel. Detta är viktigt, eftersom bränsle egenskaperna hos en biodiesel är direkt beroende av naturen och innehållet i enskilda FAME. 35 kommersialiseras, all biodiesel måste följa de normer som beskrivs i dokument ASTMD6751 eller EN 14214 i USA eller Europa respektive. Specifikationer inkluderar intervall för smörj och kinematisk viskositet, och minimivärden för cetantal och oxidativ stabilitet. Andra viktiga rekommendationer är relaterade till kallflödesegenskaper i form av en grumlingspunkt (CP) eller kall filterpluggpunkten (CFPP). Vi har tidigare rapporterat resultat från omfattande bränsletester av biodiesel framställd från Iso- pasta. 36 Eftersom FAME profilen för biodiesel från Iso -powder i denna studie är liknande de som tidigare testats, kan vi förutsäga vissa bränsleegenskaper för att likna både biodiesel. Till exempel, fleromättade fettsyror (PuFAMEs, mer än två dubbelbindningar) står för cirka 40% av både FAME-blandningar (35,2% och 39,9%, tabell 2). Detta kommer att resultera i dålig oxidativ stabilitet och god kallflöde. 35 Det finns dock små skillnader i FAME profiler två biodieSEL bränslen. Biodiesel från pulveriserade Isochrysis innehöll större mängder av 14: 0 (19,4 mg / g jämfört med 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g jämfört med 8,5 mg / g), och 22: 6 (11,0 mg / g vs. 6,9 mg / g) FAMEs, ännu lägre mängder av 18: 4 (10,4 mg / g vs. 19,8 mg / g). Omfattningen av effekterna av dessa skillnader på de olika bränsleegenskaper som finns i ASTM standarder återstår att undersöka.

Den initiala biodiesel som erhålls från både kommersiella Isochrysis alger var lika mörkt grön färg som kan förklaras av förekomsten av klorofyller. 36 Klorofyll och dess derivat har rapporterats ha en negativ effekt på stabiliteten av vegetabiliska oljor och deras motsvarande biodiesel. 36,29 Baserat på metoden för Issariyakul och Dalai för avfärgning greenseed rapsolja i samband med produktion av biodiesel, 29 omrörning vår gröna biodiesel över 10% (v / v) MK10 vid 60 ° C under 1 h resulterade i en dramatiskminskning av pigmenthalt genom visuell inspektion (ref. Figur 2). Massåtervinningar från avfärgning processen var i genomsnitt 90%.

Utbyten av renade alkenones från Iso- pasta Hao och iso- pulver-HAO neutrala lipider var jämförbara vid 40% och 46% vikt / vikt (tabell 1). Eftersom neutrala lipider representerar en högre andel material som finns i Iso- pulver HAO (54% vikt / vikt vs. 40% vikt / vikt), alkenone utbyte från Iso- pulver HAO överskrider Iso- pasta HAO alkenone utbyte med cirka 10% (25% vikt / vikt vs. 16% vikt / vikt). Men med tanke på att avkastningen av Iso- pulver HAO själv var lägre än Iso- pasta HAO (15% jämfört med 20% vikt / vikt), totalt utbyte av alkenones från både torra Isochrysis biomassa är mer likartade (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% vikt / vikt av torkad Isochrysis pasta och 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% från Isochrysis pulver).

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av National Science Foundation (CHE-1.151.492), nordvästra Advanced Renewables Alliance (gemenskap J. Wilson-Peltier), och genom en privat donation från vänner WHOI. Vi tackar Kevin R. Steidley och Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) för utmärkt tekniskt stöd.

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