Forsøksprotokoll for biodiesel produksjon med Isolering av Alkenones som biprodukter fra Commercial

Environment
 

Summary

Detaljerte metoder presenteres for produksjon av biodiesel sammen med co-isolering av alkenones som verdifulle biprodukter fra kommersielle 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 å erstatte fyringsolje med alternativer fra fornybare og mer bærekraftige kilder er av økende betydning. Biomassebasert biodrivstoff har fått betydelig oppmerksomhet i denne forbindelse har imidlertid første generasjons biodrivstoff fra spiselige avlinger som mais etanol eller soya biodiesel generelt falt i unåde. Det er derfor stor interesse for utvikling av metoder for produksjon av flytende drivstoff fra innenlandske og overlegne ikke-spiselige kilder. Her beskriver vi en detaljert fremgangsmåte for fremstilling av et renset biodiesel fra den marine mikroalger Isochrysis. I tillegg er en unik pakke med lipider kjent som flerumettede langkjedede alkenones isolert i parallell som potensielt verdifulle biprodukter å oppveie kostnaden av biodieselproduksjon. Multi-kilogram mengder av Isochrysis er kjøpt fra to kommersielle kilder, en som en våt pasta (80% vann) som er først tørket før behandling, og othenne et tørt oppmalt pulver (95% tørrstoff). Lipider ble ekstrahert med heksaner i et Soxhlet-apparat for å fremstille en algeolje ( "heksan alge-olje") inneholdende både tradisjonelle fett (dvs. triglycerider, 46-60% vekt / vekt) og alkenones (16-25% w / w). Forsåpning av triglyserider i alger olje tillater separasjon av de resulterende frie fettsyrer (FFA) fra alkenone holdige nøytrale lipider. FFA blir deretter omdannet til biodiesel (dvs. fettsyremetylestere, fames) ved syre-katalysert forestring mens alkenones blir isolert og renset fra de nøytrale lipider ved krystallisasjon. Vi viser at biodiesel fra både kommersielle Isochrysis biomasser har lignende, men ikke identisk FAME profiler, karakterisert ved forhøyede flerumettede fettsyreinnhold (ca. 40% vekt / vekt). Utbytter av biodiesel var konsekvent høyere når man starter fra den Isochrysis våt pasta (12% vekt / vekt sammenlignet med 7% vekt / vekt), som kan spores til lavere mengder av heksan alge oil oppnådd fra det pulveriserte Isochrysis produkt.

Introduction

Det har nylig vært en stor oppblomstring av interessen for biodrivstoff fra alger, spesielt for produksjon av flytende drivstoff som biodiesel en og annen biomasse-avledet oljer. 2 Forslag fordeler inkluderer å unngå visse matvarer vs. drivstoff kontroverser 3 og velig høyere productivities og CO 2 avbøtende muligheter enn tradisjonelle jordbruksprodukter. 4 Dette følger nesten 20 år energi~~POS=TRUNC departementet~~POS=HEADCOMP vannlevende arter Program (ASP) startet i 1978 med det formål å undersøke transport drivstoff fra alger. Som beskrevet i Sheehan rapport, 5 programmet ble avsluttet i 1996 først og fremst fordi beregnede kostnadene var ikke konkurransedyktig med råolje på den tiden ($ 18,46 per fat (159 L)). Mens kostnadene for petroleum har økt dramatisk siden den gang ($ 87,39 per fat i 2014) 6, som er koblet til renessanse i alge biodrivstoff forskning, noen have hevdet at likevel alge biodrivstoff vil være for kostbart. 7 som en strategi for å oppveie biodrivstoff produksjonskostnader, har tanken om verdiøkende biprodukter dukket blant både kritikere 7,8 og talsmenn 9,10 og funksjoner som en av de viktigste årsakene til forfølge alge biodrivstoff i USA Department of Energy (DOE) "National alge~~POS=TRUNC biodrivstoff Technology Roadmap". 11

Her beskriver vi en metode for samproduksjon av to separate drivstoff strømmer fra kommersielle Isochrysis mikroalger. Vi har fokusert på Isochrysis delvis fordi det allerede er produsert industrielt, høstet med henblikk på havbruk, og også fordi Isochrysis er en av bare noen få arter av alger som i tillegg til tradisjonelle lipider (dvs. fettsyrer) biosynthesize en unik klasse forbindelser kjent som flerumettede langkjedede alkenones. 12 Alkenone strukturer er preget av svært l ong hydrokarbonkjeder (36-40 karbonatomer), to til fire ikke-metylen avbrutt trans-dobbel bindinger, og en metyl- eller etyl-keton (figur 1). Alkenone umettethet er følsom for alger vokser temperatur, 13,14 slik at andelen av diunsaturated C37 methyl alkenone (den såkalte "umettethet indeks") kan brukes som en proxy for siste havtemperaturer 15 -. 20 Alkenones er antas å ligge i cytoplasmiske lipid organer, og kan være mer rikelig enn triglyserider (tags). 21,22 Under nitrogen eller fosfor begrensning, opp til 10-20% av celle karbon i den stasjonære fase akkumuleres som alkenones. 23,24 fra en evolusjonært ståsted kan alkenones er favoriserte over koder fordi deres trans-dobbel obligasjon geometri gir en mer stabil form for energilagring. 21

189fig1.jpg "/>
Figur 1. Strukturer av flerumettede langkjedede alkenones Common alkenone methyl 37: 3. Isolert fra Isochrysis eksemplifiserer lang hydrokarbonkjedelengde (36 - 40 karboner), trans ikke-metylen avbrutt dobbeltbindinger, og ender i en metyl eller etyl keton. Nomenklatur er lik fettsyrer der # # refererer til antall karbonatomer. Antall dobbeltbindinger Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Vi argumenterer for at alkenones representerer en lovende fornybar karbon råstoff fra en felles alger med en historie med industriell dyrking. 25 Biodiesel produseres direkte fra total lipid ekstrakt av Isochrysis inneholder en betydelig mengde (10-15% w / w) av alkenones og forurensning av disse høytsmeltende forbindelser resulterer i dårlig kald strømningsdrivstoffegenskaper. Imidlertid, under anvendelse av than forsåpning / utvinning teknikker er beskrevet her, kan alkenones fjernes og gjenvinnes dermed forbedre biodiesel kvalitet mens produsere en sekundær produktstrømmen. Nylig har vi demonstrert omdannelsen av alkenones til et flytende brensel ved kryssmetatese med 2-buten (butenolysis). 26 Den butenolysis reaksjonen anvender et kommersielt ruthenium metatese-initiator, skjer raskt ved lav temperatur, og en ren leverer en forutsigbar blanding av flydrivstoff range hydrokarboner. Denne reaksjonen utføres parallelt med biodiesel syntese fra fettsyrer, som representerer de første skritt mot en "bioraffineri" tilnærming 27 for kommersielt levedyktig Isochrysis biodrivstoffproduksjon.

Protocol

1. Mikroalger og biomasse Forberedelse

Merk: Den marine mikroalger Isochrysis sp. "T-iso" brukt i denne studien kan kjøpes (se liste over materialer). Multi-kilogram mengder av Isochrysis kan kjøpes som en frossen våt lim (Iso -paste) inneholder ca 80% vann og 20% biomasse, og er mørk grønn / nær sort i fargen med en stikkende lukt lukter av havet. Isochrysis kan også kjøpes som en tørr (95% tørr) gul-brunt pulver (Iso -powder) med en tilsvarende lukt.

  1. For å tørke Isochrysis lime, åpne en 1 kg pakke ved å kutte en 1-2 tommers hull i hjørnet av plastemballasjen med saks.
  2. Klem ca 300 g av denne Isochrysis lim gjennom hullet inn i en 150 mm x 75 mm krystallisasjon antenne for å skape et tynt lag (~ 20 mm).
  3. La pastaen lufttørke i romtemperatur før den blir tørr og flassende (typisk 48 -96 timer).
    Merk: Faktiske tørretider kan variere, og er avhengig av temperaturen. Men ingen forskjell ble lagt merke til i avkastning eller produktkvalitet med enda lengre tørketider (opptil to uker). Tørkeprosessen kan også gjøres mer ensartet, og / eller akselerert ved å plassere krystalliseringsskål på en varm plate (30 - 40 ° C).
  4. Skrape tørr biomasse fra utkrystalliserer tallerken med en slikkepott og samle inn en cellulose utvinning fingerbøll (Lengde: 123 mm, 43 mm ID). Ta opp vekten av den tørre Isochrysis biomasse.

2. Soxhlet Utvinning av Dry Isochrysis Biomass

  1. Legge en Isochrysis holdige cellulose utvinning fingerbøll (typisk 50 - 60 g tørr biomasse) i en Soxhlet utvinning apparat.
  2. Fylle Soxhlet kolbe med heksaner (400 ml), skru på kondensatoren vann og varmekilde, og tillate at Soxhlet til syklusen til 24 - 48 timer (inntil fargen av løsningsmidlet har gått fra mørkegrønn til ensvak gul).
  3. Slå av varmen og la apparatet avkjøles til romtemperatur, deretter koble kolben fra Soxhlet extractor.
  4. Fjern de heksaner ved bruk av en rotasjonsfordamper og registrere vekten av heksan-ekstraherbare materiale ( "heksan alger olje" (h-AO)).

3. Forsåpning av alger olje og separering av fettsyrer og nøytrale lipider

  1. Gjenoppløse h-AO i den samme rundkolbe fra trinn 2.4 over med metanol: diklormetan (2: 1, volum = 10 x masse av alger olje).
  2. Legg en rørepinne og legge ved en reflukskjøler (Coil: 500 mm lengde).
  3. Legg H 2 O (volum = 2.67 x masse av alger olje) og KOH (50% w / w alger olje) og oppvarme innholdet under omrøring til 60 ° C i 3 timer.
  4. Etter avkjøling til værelsestemperatur, fjerne de organiske løsningsmidler (metanol og diklormetan) på en rotasjonsfordamper.
  5. Overfør den gjenværende vandige blandingen ved å helle inn i en ett-L Skilletrakt. Legg heksaner (ekvivalent i volum til den vandige oppløsning), riste skilletrakt, og tillate lagene å separere.
  6. Tapp av lavere vannlaget i en Erlenmeyerkolbe, og hell på toppen organisk fase i en egen Erlenmeyer.
  7. Gjenta trinn 3,5 og 3,6 inntil det organiske sjiktet er fargeløse (typisk 1-2 ganger).
  8. Konsentrer de kombinerte organiske ekstraktene på en rotasjonsfordamper for å isolere de nøytrale lipider som et grønnaktig faststoff (smp ≈ 60 -. 70 ° C).
  9. Surgjør den vandige fase med HCl (6 M, inntil pH ~ 2 som angitt med pH-papir).
  10. Ekstraher den frie fettsyrer (FFA) fra den surgjorte vandige fase med heksaner (like volum til den vandige fase) ved hjelp av en 1-liters skilletrakt som er beskrevet i trinn 3,5 og 3,6.
  11. Fjern de heksaner på en rotasjonsfordamper for å oppnå de frie fettsyrer som en mørk grønn nær-sort oljeaktig rest (flytende ved temperaturer> 30 ° C).

4.Acid-katalysert Forestring av frie fettsyrer og produksjon av en grønn biodiesel

  1. Overfør FFA ved hjelp av metanol: kloroform (1: 1, 6 x volum av alger olje) for å oppløse de første FFA og deretter ved å helle inn i en tykkvegget høytrykksreaksjonskolbe utstyrt med en rørestav.
  2. Legg konsentrert H SO 2 4 (20% vekt / vekt algeolje), lukke kolben, og oppvarme blandingen til 90 ° C under omrøring i 1 time.
  3. Etter avkjøling til romtemperatur, overføre blandingen helt over i en skilletrakt.
  4. Legg H 2 O (2 x volum av algeolje), riste skilletrakt, og tillate fasene å separere.
  5. Drenere bunnlaget i et på forhånd veid rundkolbe og konsentrer på rotasjonsfordamper. Ta opp massen av den resulterende biodiesel.
  6. Analyser fettsyreprofilen ved gasskromatografi med flamme-ioniseringsdetektor (GC-FID) 28 (gasskromatograf utstyrt med en DB-88 [(88% cyanopropyl) methylarylpolysiloxane] kolonne (30 mx 0,25 mm ID x 0,20 mikrometer tykkelse).
    Merk: Common fettsyremetylestere er verifisert av retensjonstid sammenligning med autentiske prøver erholdt i handelen. I tillegg gasskromatografi-massespektrometri (GC-MS; gasskromatograf koblet til en masseselektiv detektor) utføres under identiske betingelser for temperatur program og kolonne for å analysere komponenter slik som C18: 4 hvor det ikke autentiske standarder er tilgjengelige med resultatene påført til GC kvantifisering.

5. Biodiesel Decolorization

  1. Varm opp mørk grønn biodiesel til 60 ° C i en rundbunnet kolbe utstyrt med en rørestav.
  2. Legg montmorillonitt K-10 (MK10) pulver (10-20% vekt / vekt av biodiesel) og omrør i 1 time.
  3. Fjern det rund bunn fra varmen og la oppløsningen avkjøles til romtemperatur.
  4. Forbered et filtreringsapparat som består av en rundkolbe og filter moronel inneholdende et cellulosefilterpapir (Aske 0,007%).
  5. Hell den avkjølte avfarges biodiesel gjennom filtertrakt ved anvendelse av en minimal mengde av heksaner for å skylle den rundbunnet kolbe.
  6. Koble fra filtertrakten fra rundbunnet kolbe (dette nå inneholder en heksan-løsning av avfarget biodiesel) og fjern heksaner med en rotasjonsfordamper, hvilket ga en oransje / rød biodiesel.
  7. Oppbevar prøver ved 4 ° C i løpet av hvilken tid noe avsetning av uoppløselig materiale (~ 10% vekt / vekt) vil forekomme.
  8. Fjern det uløselige materiale ved dekantering eller filtrering som beskrevet i trinn 5.4 og 5.5 for å fremstille en klar homogen biodiesel for analyse.

6. Isolering og rensing av Alkenones fra de nøytrale lipider

  1. Oppløs de nøytrale lipider (i trinn 3.8) i en minimal mengde diklormetan (ca. 50 ml til 10 g nøytrale lipider) og tilsett løsningen med en pipette til toppen av en kromatografikolonne (O.D 60 mm, ID 55 mm, lengde 18 ") inneholdende silikagel (230-400 mesh, 100 g).
  2. Eluering av oppløsningen gjennom silika med trykk (~ 5 psi) under anvendelse av diklormetan (ca. 150 ml) som oppløsningsmiddel og samle elueringsmiddelet i en 250 ml rundbunnet kolbe.
  3. Fjerne diklormetanet med en rotasjonsfordamper for å gi et orangefarget faststoff.
  4. Omkrystalliser det faste materiale ved bruk av heksaner ved tilsetning av omtrent 100 ml kokende heksaner, etterfulgt av trinnvis ytterligere mengder av kokende heksan inntil løsningen er homogen (totalt volum ~ 150 ml). Deretter, langsomt avkjøle løsningen til romtemperatur for å fremme krystallisering.
  5. Samle krystalliserte alkenones ved hjelp av et filtreringsapparat som er beskrevet i trinn 5,4 ved anvendelse av en liten mengde kald (0 ° C) heksaner for å skylle kolben.

Representative Results

Før behandlingen ble Isochrysis lim (ISO lim) først tørket. Dette ble hensiktsmessig utført i større målestokk ved å tilsette Iso -paste til en stor krystalliseringsskål og tillater materialet å lufttørke ved romtemperatur. Under tørking, noe sammenslåtte vann former (vanligvis rødlig farget) som kan fjernes ved dekantering eller pipettering for å fremskynde tørkeprosessen. Etter ca. 48-96 timer, kan den nå tørre Isochrysis skrapes ut av den krystalliserende fatet og oppnådd som et svart / grønn flassende materiale med en tang-lignende lukt (figur 2). Utbytter av tørr biomasse var vanligvis 20% vekt / vekt av pastaen som annonseres. I motsetning til det pulveriserte Isochrysis produkt (iso- pulver) var en gul-brun, finmalt, pulver (95% tørr) som ble anvendt direkte uten ytterligere behandling (figur 2).

gur 2 "src =" / files / ftp_upload / 54189 / 54189fig2.jpg "/>
Figur 2. Sammenligning av kommersiell Isochrysis. Isochrysis-pasta (80% våt) er spredt langs bunnen av en krystalliseringsskål og overlatt til lufttørke ved romtemperatur i 48-96 timer før behandling. Den resulterende tørkede Isochrysis oppnås som en mørk-farget flassende materiale (til høyre) som er forskjellig i utseende enn de kommersielle pulver Isochrysis (til venstre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Ekstraksjon av enten det tørkede Iso -paste eller iso- pulver ved Soxhlet med heksaner ga, etter fjernelse av heksaner, alge oljer (h-AO) som var tilsvarende i utseende som mørkegrønn / nær-sort faststoff (smp. ~ 50 -60 ° C). Avlingene av h-AO når du starter fra lim ( "iso- lim-hao") Var vanligvis 20% vekt / vekt av den tørre Isochrysis biomassen, i samsvar med våre tidligere resultater, 26 mens utbyttene av h-AO etter Soxhlet-ekstraksjon av det kommersielle pulverisert Isochrysisiso- pulver-Hao ") var 15% vekt / w (tabell 1).

Produkt (g) Iso -paste Iso -powder-en Iso -powder-2
tørr Biomasse 30 20 20
Heksan Alge Oil 5.86 2,87 3.11
FFA 3,52 1,34 1,38
nøytrale lipider 2,34 1,38 1,61
Alkenones 0,94 0,63 0,74
Merknader: Iso-pulver-en og Iso-pulver-2 representerer resultater fra to prøver av pulverisert Isochrysis som ble behandlet parallelt. For andre rapporter med utbyttet av disse produktene fra Iso-lim se referanser 26, 32 og 33.

Tabell 1. Produkt utbytter fra kommersielle Isochrysis biomasse.

Acylglyseroler i h-AO ble omdannet til de tilsvarende vannoppløselige karboksylatsalter (dvs. såper) ved tilsetning av vandig KOH i metanol / CH 2Cl 2. Nøytrale lipider inkludert alkenones ble deretter ekstrahert fra den vandige blanding ved selektiv partisjonering med heksaner. Etter fjerning av de nøytrale lipider, reacidification av såper deretter produsert de tilsvarende frie fettsyrer (FFA) som kan likeledes ekstraheres fra det vandigeueous fase med heksan. Den samlede masse inngang for kombinerte FFA og nøytrale lipider fra enten iso- lim-hao eller Iso -powder-Hao var konsekvent i nærheten av kvantitative. Imidlertid er forholdet mellom produktene (dvs. nøytrale lipider + FFA) var forskjellig. Fra iso- lim-hao vi oppnådd 60% (w / w) FFA og 40% (w / w) nøytrale lipider (tab 1). Omvendt, iso- pulver Hao viste seg anriket i nøytrale lipider (gjennomsnitt = 54% nøytrale lipider + 46% FFA) som beskrevet i tabell 1.

Forestring av de frie fettsyrer med H 2 SO 4 og metanol, deretter produsert fettsyremetylestere (Slike fettsyremetylestere, dvs. biodiesel) som et mørkegrønt nær svart oljeaktig væske i mer enn 90% utbytte (figur 3). Avfarging ved oppvarming i løpet Montmorillonite K10 29 (MK10) leire ga en gul / orange produkt, som kan ligne på andre kommersielle biodiesel brensler (se liste over materialer) (figur 3). Resultater fra FAME analyse av avfarget Isochrysis biodiesel drivstoff er vist i tabell 2.

Figur 3
Figur 3. Sammenligning av Isochrysis og soyabønner biodiesel drivstoff. Grønn Isochrysis biodiesel (i midten) er produsert ved forestring av ekstrahert og renset frie fettsyrer. Avfarging produserer et produkt (til høyre) med tilsvarende egenskaper til kommersiell biodiesel (til venstre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

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
Merknader: En Fettsyre nomenklatur er #carbons:. # Cis-dobbel obligasjoner b Kombinert 18: 1 Δ9 + 18:.. En Δ11 C Kombinert Δ6,9,12 og Δ9,12,15 isomerer D De resterende materialet er omtrent 50 : 50 andre Slike fettsyremetylestere og ikke-FAME komponenter (Total ~ 95% FAME). ND = ikke påvist.

Tabell 2. FAME sammensetning av biodiesel produsert fra kommersielle Iso -past og Iso -powder Isochrysis biomasse.

Nøytrale lipider ble oppnådd som et grønnaktig solid blanding på 40% w / w fra Iso -paste-hao og 54% (avg.) Fra iso- pulver Hao (tabell 1). Filtrering de oppløste nøytrale lipider gjennom silika hjelpDCM ga etter fjerning av oppløsningsmidlet, til et rødaktig / oransje, fast stoff som kunne omkrystalliseres med heksan ga analytisk rene alkenones som et hvitt, fast stoff. Dette resulterte i 16% (w / w) isolert utbytte på alkenones fra iso- lim-hao og 25% utbytte fra Iso -powder-Hao (tabell 1).

Discussion

Isochrysis er en av bare et begrenset antall algearter oppdretts industrielt, høstes som en primær komponent av skalldyr feed, og derfor representative for omfanget som er nødvendig for produksjon av biodrivstoff. Tilgjengeligheten av alger utnyttet og standard metoder som benyttes i denne studien, må protokollen presenteres allment tilgjengelig for andre grupper for nærmere undersøkelser. Kritiske trinnene omfatter luft-tørking av alger (i motsetning til frysetørking 33), løsemiddel ekstraksjon, forsåpning, og forestring. Gjennom disse operasjonene kan man undersøke utbytte av lipider og andre biprodukter fra de ulike Isochrysis tilgjengelige 30. Det er forventet at disse kan variere som et resultat av forskjellige stammer og dyrkingsmetoder, 31 og kan også være påvirket av naturen av produktet og eventuell ytterligere behandling (f.eks, tørking eller frysing) benyttet av leverandøren. Som vi viser her, utvikle protokollened kan med hell anvendes på forskjellige typer av Isochrysis produkter, som strekker seg fra en våt pasta til et tørt oppmalt pulver. Utbytter av biodiesel var imidlertid lavere fra det pulverformede biomasse (7% vekt / vekt tørr biomasse vs. 12% vekt / vekt fra den tørkede pasta), som korresponderer med lavere mengder av alger olje (h-AO) ekstraheres. Dette kan tyde på at et alternativ utvinning protokoll 32 annet enn en Soxhlet apparat kan være bedre egnet for tørre pulverisert Isochrysis produkter. Den Isochrysis pulver som brukes i denne studien er annonsert som inneholder 23-25% fett, noe som ligner på det vi har eksperimentelt hentet fra tørket Isochrysis lim. 33,34,26

Til tross for de ulike fargene på tørr start biomasse, iso lim-Hao og Iso -powder-Hao var hovedsakelig utvisket, både mørk grønn / nær sorte faste stoffer med smeltepunkt på ca 50 ° C. Interessant, forholdet mellom FFA'er til nøytral leppeIDer innen to hexanekstrakter var annerledes. Etter forsåpning og separering av de nøytrale lipider, erholdt vi 60% (w / w) FFA og 40% (vekt / vekt) nøytrale lipider fra Iso -paste-ho. Den iso- pulver-Hao produsert i gjennomsnitt 46% (vekt / vekt) FFA og 54% (vekt / vekt) nøytrale lipider. Resultatene tyder på at enten utgangs-pulverformede biomassen kan inneholde høyere mengder av nøytrale lipider i forhold til FA-derivater enn Isochrysis lim, eller som Soxhlet-ekstraksjon av pulverisert Isochrysis er noe selektiv for nøytrale lipider.

Ikke bare var utbyttet av produkter oppnådd fra de to kommersielle Isochrysis biomasser forskjellig, men også fettsyreprofiler av den resulterende biodiesel. Dette er viktig, ettersom drivstoff egenskapene til en biodiesel er direkte avhengig av naturen og innholdet i de enkelte Slike fettsyremetylestere. 35 Å bli kommersialisert, all biodiesel må være i henhold til de standardene som er beskrevet i dokumentene ASTMD6751 eller EN 14214 i henholdsvis USA eller Europa. Spesifikasjoner inkluderer områder for smøring og kinematisk viskositet, og minimumsverdier for cetantall og oksidativ stabilitet. Andre viktige anbefalinger er relatert til kaldflytegenskaper i form av et blakningspunkt (CP) eller cold filter plugging point (CFPP). Vi har tidligere rapportert resultater fra omfattende drivstoff testing av biodiesel fremstilt av ISO-lim. 36 Siden FAME profilen til biodiesel produsert fra Iso -powder i denne studien er lik de tidligere testet, kan vi forutsi visse drivstoff egenskaper til å være lik både for biodiesel. For eksempel, flerumettede fettsyrer (PuFAMEs, mer enn to dobbeltbindinger) utgjør omtrent 40% av begge FAME blandinger (35,2% og 39,9%, tabell 2). Dette vil resultere i dårlig oksydativ stabilitet og gunstig kaldflyt. 35 Det er imidlertid små forskjeller i de FAME profiler av de to biodiesel drivstoff. Biodiesel fremstilt fra pulverisert Isochrysis inneholdt høyere mengder av 14: 0 (19,4 mg / g vs. 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g sammenlignet med 8,5 mg / g) og 22: 6 (11,0 mg / g vs. 6,9 mg / g) Slike fettsyremetylestere, men lavere mengder av 18: 4 (10,4 mg / g vs. 19,8 mg / g). Omfanget av virkningen av disse forskjellene på de ulike drivstoff egenskapene som finnes i ASTM standarder gjenstår å bli undersøkt.

Den initiale biodiesel oppnådd fra både kommersiell Isochrysis alger var tilsvarende mørk grønn i fargen, hvilket kan forklares ved tilstedeværelsen av klorofyll. 36 klorofyll og dets derivater er blitt rapportert å ha en negativ effekt på stabiliteten av vegetabilske oljer og deres tilsvarende biodiesel. 36,29 Basert på fremgangsmåten til Issariyakul og Dalai for avfarvende greenseed rapsolje i forbindelse med produksjonen av biodiesel, 29 omrøring vår grønn biodiesel over 10% (vekt / vekt) MK10 ved 60 ° C i 1 time resulterte i en dramatiskreduksjon av pigmentinnhold ved visuell inspeksjon (ref. figur 2). Masse inngang fra avfarging prosessen var i gjennomsnitt 90%.

Avlingene av rensede alkenones fra iso- lim-Hao og iso- pulver-hao nøytrale lipider var sammenlignbare på 40% og 46% w / w (Tabell 1). Siden nøytrale lipider utgjør en høyere andel av materialet i iso- pulver Hao (54% w / w vs. 40% w / w), alkenone utbytte fra ISO pulver-hao overgår ISO- lim-hao alkenone utbytte med ca 10% (25% vekt / vekt sammenlignet med 16% vekt / vekt). Men med tanke på at utbyttene av iso- pulver Hao selv var lavere enn iso- lim-Hao (15% vs. 20% w / w), samlede avkastning av alkenones fra både tørre Isochrysis biomasser er flere lignende (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% w / w fra tørket Isochrysis lim og 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% fra Isochrysis pulver).

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation (CHE-1151492), Nordvest Advanced Renewables Alliance (fellesskap til J. Wilson-Peltier), og gjennom en privat donasjon fra venner av WHOI. Vi takker Kevin R. Steidley og Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) for utmerket teknisk assistanse.

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