Versuchsprotokoll für die Biodieselproduktion mit Isolierung von Alkenone als Co-Produkte von der Commercial

Environment
 

Summary

Detaillierte Beschreibung der Methoden für die Herstellung von Biodiesel präsentiert zusammen mit dem Co-Isolierung von Alkenone als wertvolle Nebenprodukte aus kommerziellen Isochrysis Mikroalge.

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

Die Notwendigkeit Erdölbrennstoffen mit Alternativen aus erneuerbaren und umwelt nachhaltigen Quellen zu ersetzen ist von wachsender Bedeutung. Biomasse-Biokraftstoffe erhebliche Aufmerksamkeit in dieser Hinsicht gewonnen haben, aber Biokraftstoffe der ersten Generation aus essbaren Pflanzen wie Mais-Ethanol oder Soja Biodiesel haben in der Gunst der Regel gefallen. Es besteht daher ein großes Interesse an der Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von flüssigen Kraftstoffen aus in- und überlegen nicht essbaren Quellen. Hier beschreiben wir ein detailliertes Verfahren zur Herstellung eines gereinigten Biodiesel aus der marinen Mikroalge Isochrysis. Zusätzlich ist eine einzigartige Suite von Lipiden als mehrfach ungesättigte langkettige Alkenone bekannt sind parallel isoliert als potenziell wertvolle Nebenprodukte, die Kosten für die Biodieselproduktion zu kompensieren. Multi-Kilogramm - Mengen von Isochrysis werden aus zwei kommerziellen Quellen erworben, eine als feuchte Paste (80% Wasser) , die zuerst vor der Verarbeitung getrocknet wird, und die otihr ein trockenes gemahlenes Pulver (95% trocken). Lipide werden mit Hexan in einem Soxhlet - Apparat extrahiert , was ein Algenöl ( "Hexan Algenöl") zu erzeugen , sowohl traditionelle Fette enthalten (dh, Triglyceride, 46-60% w / w) und Alkenonen (16-25% w / w). Verseifung der Triglyceride im Algenöl ermöglicht eine Trennung der resultierenden freien Fettsäuren (FFAs) von Alkenon-enthaltenden neutralen Lipiden. FFAs umgewandelt werden dann Biodiesel (dh Fettsäuremethylester, FAME) durch säurekatalysierte Veresterung während Alkenonen von den neutralen Lipiden durch Kristallisation isoliert und gereinigt. Wir zeigen , dass Biodiesel aus den kommerziellen Isochrysis Biomassen haben ähnliche , aber nicht identische FAME - Profile, die durch erhöhte mehrfach ungesättigte Fettsäure Inhalt gekennzeichnet (etwa 40% w / w). Ausbeuten von Biodiesel waren durchweg höher , wenn von der Isochrysis feuchte Paste (12% w / w gegenüber 7% w / w) ausgehend, die zurückgeführt werden können Mengen von Hexan Algen oi abzusenkenl aus dem pulverisierten Isochrysis Produkt erhalten.

Introduction

Es hat ein großes Wiederaufleben des Interesses an Biokraftstoffen aus Algen, insbesondere für die Herstellung von flüssigen Kraftstoffen wie Biodiesel 1 und anderen Biomasse-Öle in jüngster Zeit. 2 Vorgeschlagen Vorteile sind die Vermeidung bestimmter Lebensmittel gegen Kraftstoff Kontroversen 3 und angeblich höhere Produktivitäten und CO 2 Minderungsmöglichkeiten als traditionelle landwirtschaftliche Kulturen. 4 Dies folgt der fast 20 Jahre United States Department of Energy Aquatic Species Program (ASP) im Jahr 1978 für den Zweck begann der Transport von Kraftstoff aus Algen zu untersuchen. Wie in Sheehan Bericht skizziert, 5 beendet das Programm im Jahr 1996 in erster Linie , weil projizierten Kosten , die mit Rohöl zu dieser Zeit nicht konkurrenzfähig waren (18,46 $ pro Barrel (159 L)). Während die Kosten für Erdöl hat sich seitdem (87,39 $ pro Barrel im Jahr 2014) 6, dramatisch erhöht , die zur Renaissance in Algenbiokraftstoffforschung verbunden ist, einige have argumentiert , dass dennoch Algen Biokraftstoffe zu kostspielig erweisen. 7 als eine Strategie , die Produktion von Biokraftstoffen Kosten zu kompensieren, der Begriff der Wert Koprodukte unter Kritikern 7,8 und Befürworter 9,10 und Merkmale als einer der wichtigsten Gründe , entstanden ist , für Algen Biokraftstoffe in den Vereinigten Staaten Department of Energy (DOE) "Nationale Algal Biofuels Technology Roadmap" zu verfolgen. 11

Hier beschreiben wir ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von zwei getrennten Brennstoffströme aus kommerziellen Isochrysis Mikroalge. Wir haben uns auf Isochrysis teilweise konzentriert , weil es bereits industriell, für die Zwecke der mariculture geerntet wird, und auch , weil Isochrysis ist einer von nur wenigen Arten von Algen , die zu den traditionellen Lipide zusätzlich (dh Fettsäuren) Biosynthese eine einzigartige Klasse von Verbindungen bekannt als mehrfach ungesättigte langkettige Alkenone. 12 Alkenon Strukturen zeichnen sich durch sehr l gekennzeichnet Ong Kohlenwasserstoffketten (36-40 Kohlenstoffatome), zwei bis vier nicht-Methylen unterbrochen trans -double Bindungen und eine Methyl- oder Ethyl - Keton (Abbildung 1). Alkenon Ungesättigtheit ist empfindlich für die Algenwachstumstemperatur, 13,14 , so dass der Anteil an diungesättigtem C37 methyl Alkenon (die sogenannte "Ungesättigtheit index") kann für vergangene Seeoberflächentemperaturen als Proxy verwendet werden . 15 - 20 sind Alkenonen gedacht , um in cytoplasmatischen Lipidkörper befinden und reichlicher vorhanden als Triglyceride (TAGs) sein kann. 21,22 unter Stickstoff oder Phosphor Einschränkung, bis zu 10-20% der Zell Kohlenstoff in der stationären Phase als Alkenonen akkumuliert. 23,24 aus einem evolutionären Standpunkt, Alkenone haben über TAGs , weil ihre trans -Doppelbindung Geometrie bietet eine stabilere Form der Energiespeicherung begünstigt worden. 21

189fig1.jpg "/>
Abbildung 1. Strukturen von polyungesättigten langkettigen Alkenonen gemeinsame Alkenon methyl . 37: 3 , isoliert aus Isochrysis langen Kohlenwasserstoffkettenlängen Ausführungs (36 bis 40 Kohlenstoffatome), trans non-Methylen - Doppelbindungen unterbrochen und in eine Methyl- oder Ethyl - Keton endet. Nomenklatur ist ähnlich wie Fettsäuren , wo #: # Anzahl der Kohlenstoffe bezeichnet. Anzahl der Doppelbindungen Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Wir argumentieren , dass Alkenone eine vielversprechende erneuerbare Kohlenstoffquelle aus einer gemeinsamen Algen darstellen mit einer Geschichte der industriellen Anbau. 25 Biodiesel produziert direkt aus dem Gesamtlipidextrakt von Isochrysis enthält eine beträchtliche Menge (10-15% w / w) von Alkenone und Verschmutzung durch diese hochschmelzenden Verbindungen führt zu einer schlechten Kaltfließbrennstoffeigenschaften. Jedoch unter Verwendung von ter Verseifung / Extraktionstechniken hier beschrieben ist, kann Alkenone entfernt und dadurch zurückgewonnen werden, um die Biodieselqualität verbessert wird, während eine Sekundärproduktstrom erzeugt. Kürzlich haben wir gezeigt , um die Umwandlung von Alkenonen zu einem flüssigen Brennstoff durch Kreuzmetathese mit 2-buten (Butenolyse). 26 Die Butenolyse Reaktion verwendet eine kommerzielle ruthenium Metathese-Initiator, erfolgt rasch bei niedriger Temperatur, und liefert saubere eine vorhersagbare Mischung von Düsentreibstoff Bereich Kohlenwasserstoffe. Diese Reaktion wird parallel mit Biodiesel Synthese von Fettsäuren durchgeführt, die die ersten Schritte in Richtung einer "Bioraffinerie" Ansatz 27 für den kommerziell rentablen Isochrysis die Produktion von Biokraftstoffen.

Protocol

1. Mikroalge und Biomasse Vorbereitung

Hinweis: Die marine Mikroalge Isochrysis sp. "T-iso" in der vorliegenden Studie verwendet (siehe Liste der Materialien) erworben werden. Multi-Kilogramm - Mengen von Isochrysis kann als gefrorene feuchte Paste (Iso -paste) , die etwa 80% Wasser und 20% Biomasse und ist dunkelgrün / schwarz in der Nähe mit stechendem Geruch riechend des Meeres in Farbe erhältlich. Isochrysis können auch als trocken (95% trocken) gelbbraunes Pulver (Iso -Pulver) mit einem ähnlichen Geruch erworben werden.

  1. 2 - Zoll - Loch in der Ecke der Kunststoffverpackungen mit einer Schere - Um durch Schneiden eines 1 die Isochrysis Paste, öffnen Sie ein 1 kg - Paket , um zu trocknen.
  2. Squeeze ca. 300 g dieser Isochrysis Paste durch das Loch in eine 150 mm x 75 mm Schale Kristallisieren eine dünne Schicht zu erzeugen (~ 20 mm).
  3. Lassen Sie die Paste an der Luft trocknen bei Raumtemperatur, bis es trocken und schuppig wird (in der Regel 48 -96 h).
    Hinweis: Die tatsächliche Trocknungszeiten sind temperaturabhängig variieren und kann. Jedoch wurde in den Ausbeuten oder Produktqualität mit noch längeren Trocknungszeiten (bis zu zwei Wochen) kein Unterschied bemerkt. (- 40 ° C 30) der Trocknungsvorgang kann auch durch Anordnen der Kristallisierschale auf einer warmen Platte gleichmäßiger und / oder beschleunigt erfolgen.
  4. Kratzen Sie die trockene Biomasse aus der Kristallisierschale mit einem Spatel und sammeln in ein Zellulose Extraktionshülse (Länge: 123 mm, 43 mm ID). Das Gewicht des trockenen Isochrysis Biomasse.

2. Soxhlet Extraktion von Trocken Isochrysis Biomasse

  1. Legen Sie eine Isochrysis -haltigen Zellulose Extraktionshülse ( in der Regel 50 bis 60 g trockene Biomasse) in eine Soxhlet - Extraktionsvorrichtung.
  2. Füllen Sie den Soxhletkolbens mit Hexan (400 ml), schalten Sie den Kondensator Wasser und Wärmequelle, und ermöglichen die Soxhlet zu Zyklus für 24 bis 48 Stunden (bis die Farbe des Lösungsmittels aus dunkelgrün bis ein gegangen istschwach gelb).
  3. Schalten Sie die Hitze und lassen Sie das Gerät auf Raumtemperatur abkühlen, dann ziehen Sie den Kolben aus dem Soxhlet-Extraktor.
  4. Entfernen Sie die Hexan mit einem Rotationsverdampfer und das Gewicht des Hexan-extrahierbaren Material aufnehmen ( "Hexan Algenöl" (h-AO)).

3. Verseifung des Algenöl und Trennung von Fettsäuren und neutrale Lipide

  1. Abgeblasen, und der h-AO in der gleichen Rundkolben aus Schritt 2.4 oben mit Methanol: Dichlormethan (2: 1, Volumen = 10 x Masse von Algenöl).
  2. Fügen Sie einen Rührstab und befestigen einen Rückflußkühler (Spule: 500 mm Länge).
  3. Hinzufügen H 2 O (Volumen = 2,67 x Masse von Algenöl) und KOH (50% w / w Algenöl) und erhitzt den Inhalt unter Rühren auf 60 ° C für 3 Stunden.
  4. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur, Entfernen der organischen Lösungsmittel (Methanol und Dichlormethan) am Rotationsverdampfer.
  5. Die restliche wässrige Mischung, indem sie in eine 1 Gießen-L Trenntrichter. Hinzufügen Hexane (entspricht im Volumen der wässrigen Lösung) und schüttelt den Scheidetrichter, und lassen die Schichten zu trennen.
  6. Lassen Sie das untere wässrige Schicht in einem Erlenmeyerkolben, und gießen Sie die obere organische Phase in einen separaten Erlenmeyer ab.
  7. Wiederholen Sie die Schritte 3.5 und 3.6, bis die organische Schicht farblos ist (in der Regel 1-2 weitere Male).
  8. Konzentrieren Sie die kombinierten organischen Extrakte am Rotationsverdampfer die neutralen Lipiden als grünlicher Feststoff zu isolieren (mp ≈ 60 -. 70 ° C).
  9. Säure die wässrige Phase mit HCl (6 M, bis pH ~ 2, wie durch pH-Papier angezeigt).
  10. Extrahieren der freien Fettsäuren (FFAs) aus der angesäuerten wäßrigen Phase mit Hexanen (Equivolume in die wässrige Phase) unter Verwendung eines 1 l-Scheidetrichter als 3,5 und 3,6 in Schritten beschrieben.
  11. Entfernen Sie die Hexanen am Rotationsverdampfer die FFAs als dunkelgrünes fast schwarze ölige Rückstand (flüssig bei Temperaturen> 30 ° C) zu erhalten.

4.Säurekatalysierte Veresterung von freien Fettsäuren und Herstellung eines Grün Biodiesel

  1. Übertragen Sie die FFS unter Verwendung von Methanol: Chloroform (1: 1, 6 x Volumen von Algenöl), zuerst die FFS aufzulösen, und dann, indem sie in einem dickwandigen Hochdruckreaktionskolben, der mit einem Rührstab ausgestattet Gießen.
  2. Konzentrierte H 2 SO 4 (20% w / w Algenöl), dichten den Kolben und erhitzt das Gemisch auf 90 ° C während 1 Stunde gerührt wurde.
  3. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur, überführt die Mischung, indem sie in einen Scheidetrichter gegossen.
  4. In H 2 O (2 x Volumen von Algenöl) und schüttelt den Trenntrichter, und lassen Sie die Phasen zu trennen.
  5. Entwässern die untere Schicht in eine vorgewogene Rundkolben und konzentrieren sich auf einem Rotationsverdampfer. Notieren Sie sich die Masse des resultierenden Biodiesel.
  6. Analysieren Sie das Fettsäureprofil von Gaschromatographie mit Flammen-Ionisations - Detektor (GC-FID) 28 (Gaschromatographen , ausgestattet mit einem DB-88 [(88% cyanopropyl) methylarylpolysiloxane] Säule (30 mx 0,25 mm ID x 0,20 um Filmdicke).
    Hinweis: Gemeinsame Fettsäuremethylester, die durch Retentionszeit Vergleich mit authentischen Proben kommerziell erhalten geprüft werden. Zusätzlich Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS, Gas-Chromatographen mit einem massenselektiven Detektor gekoppelt) ist, unter identischen Bedingungen der Temperatur Programm und Spalte durchgeführt Komponenten zu analysieren, wie etwa C18: 4, für die keine authentischen Standards verfügbar sind, wobei die Ergebnisse angewendet an GC-Quantifizierung.

5. Biodiesel Entfärbung

  1. Erhitzen Sie das dunkelgrün gefärbte Biodiesel bis 60 ° C in einem Rundkolben, der mit einem Rührstab ausgestattet.
  2. In Montmorillonit K 10 (MK10) Pulver (10-20% w / w des Biodiesel) und rühre 1 Stunde.
  3. Entfernen Sie die Rundboden von der Hitze und die Lösung auf Raumtemperatur abkühlen.
  4. Bereiten Sie eine Filtervorrichtung, bestehend aus einem Rundkolben und Filter Spaßnel enthält ein Zellulosefilterpapier (Ash 0,007%).
  5. Gießen des abgekühlten entfärbt Biodiesel durch den Filtertrichter eine minimale Menge an Hexanen unter Verwendung des Rundkolben zu spülen.
  6. Ziehen Sie den Filter Trichter aus dem Rundkolben (dies nun eine Hexanlösung des entfärbt Biodiesel enthält) und entfernen Sie die Hexan mit einem Rotationsverdampfer eine orange / rot Biodiesel zu leisten.
  7. Proben bei 4 ° C, während welcher Zeit irgendein Absetzen von unlöslichem Material (~ 10% w / w) auftreten.
  8. Entfernen Sie das unlösliche Material durch Umfüllen oder Filtration, wie in Schritt 5.4 und 5.5 beschrieben, um eine klare, homogene Biodiesel für die Analyse zu erzeugen.

6. Isolierung und Reinigung von Alkenone aus der neutralen Lipids

  1. Man löst den Neutrallipiden (aus Schritt 3.8) in einer minimalen Menge von Dichlormethan (ca. 50 ml für 10 g neutralen Lipiden) und Zugeben der Lösung mit einer Pipette auf die Oberseite einer Chromatographiesäule (O.D 60 mm, ID 55 mm, Länge 18 ") mit Kieselgel (230-400 mesh, 100 g).
  2. Eluieren die Lösung durch die Kieselsäure mit Druck (~ 5 psi) unter Verwendung von Dichlormethan (ca. 150 ml) als Lösungsmittel und Sammeln des Eluenten in einem 250 ml Rundkolben.
  3. Entfernen des Dichlormethans am Rotationsverdampfer ein orangefarbener Feststoff erhalten wurde.
  4. Kristallisiere den Feststoff unter Verwendung von Hexanen mit ca. 100 ml siedendem Hexan Zugabe von inkrementalen zusätzliche Mengen an siedendem Hexan gefolgt, bis die Lösung homogen (Gesamtvolumen ~ 150 ml) ist. Dann kühlt die Lösung langsam auf Raumtemperatur die Kristallisation zu fördern.
  5. Sammle die kristallisierten Alkenonen eine Filtrationsvorrichtung verwendet, wie in Schritt 5.4 unter Verwendung einer kleinen Menge an kaltem (0 ° C) Hexan beschrieben in den Kolben zu spülen.

Representative Results

Vor der Verarbeitung der Isochrysis Paste (Iso- Paste) wurde zunächst getrocknet. Dies war günstig im größeren Maßstab durchgeführt durch Zugabe des Iso -paste zu einem großen Kristallisierschale und damit das Material an der Luft trocknen bei Raumtemperatur. Während der Trocknung (rötlich gefärbt allgemein) einige gepoolten Wasser bildet, das durch Abgießen oder Pipettieren entfernt werden kann, um den Trocknungsprozess zu beschleunigen. Nach etwa 48 bis 96 Stunden könnte die jetzt trocken Isochrysis aus dem Kristallisierschale werden abgeschabt und als schwarz / grün flockige Material mit einer Algen-ähnlichen Geruch (Abbildung 2) erhalten. Die Ausbeuten an trockener Biomasse waren in der Regel 20% w / w der Paste wie in der Werbung. Im Gegensatz dazu war das pulverisierte Isochrysis Produkt (Iso- Pulver) eine gelb-braune, fein gemahlen, trockenes Pulver (95% trocken) , die direkt ohne weitere Verarbeitung (Abbildung 2) verwendet wurde.

Abbildung 2 "src =" / files / ftp_upload / 54189 / 54189fig2.jpg "/>
Abbildung 2. Vergleich von kommerziellen Isochrysis. Isochrysis Paste (80% feucht) entlang der Unterseite einer Kristallisierschale und links an der Luft trocknen bei Raumtemperatur für 48 bis 96 Stunden vor der Verarbeitung zu verbreiten. Das resultierende getrocknete Isochrysis als dunkelfarbigen flockige Material erhalten wird (rechts) , die in Aussehen als das kommerzielle Trockenpulver Isochrysis (links) unterscheidet. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Extraktion von entweder dem getrockneten Iso -paste oder Iso- Pulver durch Soxhlet mit Hexan ergab, nach dem Entfernen der Hexanen, Algenöle (h-AO) , die als dunkelgrün / near-schwarzen Feststoff (mp im Aussehen ähnlich waren. ~ 50 -60 ° C). Die Renditen von h-AO beim Start aus der Paste ( "Iso- Paste-HAO") Waren typischerweise 20% w / w des trockenen Isochrysis Biomasse, im Einklang mit unseren früheren Ergebnissen, 26 während Ausbeuten von h-AO durch Soxhlet - Extraktion des handelsüblichen pulverförmigen Isochrysis (" Iso- pulver HAO ") wurden 15% w / w (Tabelle 1).

Produkt (g) Iso -paste Iso -Pulver-1 Iso -Pulver-2
Trockenbiomasse 30 20 20
Hexane Algenöl 5.86 2,87 3.11
FFS 3,52 1,34 1,38
neutrale Lipide 2,34 1,38 1,61
Alkenone 0,94 0,63 0,74
Hinweise: Iso-Pulver-1 und Iso-Pulver-2 stellen die Ergebnisse von zwei Proben aus pulverisiertem Isochrysis, die parallel verarbeitet wurden. Für andere Berichte mit Ausbeuten dieser Produkte aus Iso-Paste siehe Referenzen 26, 32 und 33.

Tabelle 1 aufgeführt . Die Produktausbeuten von kommerziellen Isochrysis Biomasse.

Acylglycerinen in der h-AO wurden zu den entsprechenden wasserlöslichen Carboxylatsalzen (dh Seifen) bei Zugabe von wässriger KOH in Methanol / CH 2 Cl 2 umgewandelt. Neutrale Lipide einschließlich Alkenone wurden dann aus dieser wässrigen Mischung durch selektive Partitionierung mit Hexan extrahiert. Nach Entfernung der neutralen Lipiden, Wiederansäuerung der Seifen erzeugt dann die entsprechenden freien Fettsäuren (FFAs), die in ähnlicher Weise von dem aq extrahiert werden konnteueous Phase mit Hexan. Die Gesamtmasse Erholungen für den kombinierten FFS und neutralen Lipiden aus entweder Iso- Paste-hao oder Iso -Pulver-HAO waren durchweg nahezu quantitativ. Jedoch ist das Verhältnis von Produkten (dh neutrale Lipide + FFAs) war anders. Von der Iso- pasten HAO erhalten wir 60% (w / w) FFAs und 40% (w / w) neutralen Lipiden (Tabelle 1). Im Gegensatz dazu erwies sich als Iso- Pulver-HAO angereichert in neutralen Lipiden (Durchschnitt = 54% neutrale Lipide + 46% FFS) , wie in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Veresterung der freien Fettsäuren mit H 2 SO 4 und Methanol erzeugt dann Fettsäuremethylester (FAME, das heißt, Biodiesel) als dunkelgrün in der Nähe schwarze ölige Flüssigkeit , die in mehr als 90% Ausbeute (Abbildung 3). Entfärbung durch Erhitzen über Montmorillonit K10 29 (MK10) Ton gab dann eine gelb / orange Produkt, im Aussehen ähnlich anderen kommerziellen biodiesel Brennstoffe (siehe Liste der Materialien) (Abbildung 3). Die Ergebnisse der FAME Analyse entfärbt Isochrysis Biodieselkraftstoffe sind in Tabelle 2 gezeigt.

Figur 3
Abbildung 3. Vergleich der Isochrysis und Sojabohnen Biodiesel - Kraftstoffen. Grün Isochrysis Biodiesel (Mitte) wird durch Veresterung von extrahiert und gereinigt freien Fettsäuren hergestellt werden . Entfärbung erzeugt ein Produkt (rechts) mit ähnlichen Eigenschaften zu kommerziellen Biodiesel (links). Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

FAME A Iso -paste Iso -Pulver
14.00 Uhr 16.4 19.4
14.01 - 0,3
15.00 Spur 0,3
16.00 Uhr 10.1 8.8
16: 1 Δ9 7.6 5.5
16.02 ND 0,3
16.03 ND 0,5
18.00 Spur 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
Weitere Informationen: Eine Fettsäure-Nomenklatur ist #carbons:. # Cis -double Bindungen B 18 kombiniert: 1 Δ9 + 18:.. 1 Δ11 C Combined Δ6,9,12 und Δ9,12,15 Isomere D Das restliche Material 50 ist in etwa : 50 andere FAMEs und nicht-FAME-Komponenten (Total ~ 95% FAME). ND = nicht nachgewiesen.

Tabelle 2. FAME Zusammensetzung von Biodiesel aus kommerziellen Iso -Vergangene und Iso -Pulver Isochrysis Biomasse gewonnen wird .

Neutrale Lipide wurden als grünlicher Feststoff - Gemisch bei 40% w / w aus der Iso -paste-hao und 54% (durchschnittl.) Aus dem Iso- Pulver-HAO (Tabelle 1). Filtern der gelösten neutralen Lipiden durch Silica unter Verwendung vonDCM ergab nach Entfernung des Lösungsmittels, eine rötliche / orange Feststoff, der mit Hexanen umkristallisiert werden konnte analytisch reine Alkenonen als weißer Feststoff erhalten wurde. Dieses Verfahren führte zu 16% (w / w) isolierte Ausbeute von Alkenone aus Iso- Paste-hao und 25% Ausbeute von Iso -Pulver-HAO (Tabelle 1).

Discussion

Isochrysis ist eines von nur einer ausgewählten Anzahl von Algenarten industriell bewirtschaftet, als Hauptbestandteil von Muscheln Futter geerntet und daher repräsentativ für die Skala , die für die Produktion von Biokraftstoffen. Die Verfügbarkeit der Algen genutzt und Standard in dieser Studie verwendeten Methoden, machen das Protokoll zu anderen Gruppen für weitere Untersuchungen allgemein zugänglich präsentiert. Kritische Schritte umfassen Lufttrocknen der Algen (im Gegensatz zu Lyophilisation 33), Lösungsmittelextraktionen, Verseifung und Veresterung. Durch diese Vorgänge kann man Ausbeuten von Lipiden und anderen Co - Produkte aus den verschiedenen Isochrysis verfügbar 30 untersuchen. Es wird erwartet , dass diese als ein Ergebnis von Verfahren unterscheiden können Stämme und Kultivierung unterschiedlicher, 31 und auch von der Art des Produkts und jeder zusätzliche Verarbeitung (beispielsweise Trocknen oder Gefrieren) genutzt vom Lieferanten beeinflusst werden kann. Wie wir hier zeigen, entwickeln das Protokolled kann erfolgreich auf verschiedene Arten von Isochrysis Produkte angewendet werden, aus einer nassen Paste zu einem trockenen Pulver vermahlen reichen. Ausbeuten von Biodiesel waren jedoch niedriger aus der pulverisierten Biomasse (7% w / w Trockenbiomasse vs. 12% w / w aus der getrockneten Paste), die mit geringeren Mengen von Algenöl (h-AO) extrahiert entspricht. Dies könnte darauf hindeuten , dass eine alternative Extraktionsprotokoll 32 andere als ein Soxhletapparat besser für trockene pulverförmige Isochrysis Produkte geeignet sein kann. Das Isochrysis Pulver in dieser Studie verwendet wird , wie enthaltend 23-25% Lipide ausgeschrieben, die ähnlich wie wir experimentell aus getrockneten Isochrysis Paste erhalten. 33,34,26

Trotz der unterschiedlichen Farben des Ausgangs trockene Biomasse, die Iso- Paste-hao und Iso -Pulver-HAO waren im Wesentlichen nicht zu unterscheiden, die beide dunkelgrün / in der Nähe von schwarzen Feststoffe mit Schmelzpunkten von etwa 50 ° C. Interessanterweise ist das Verhältnis von FFAs zu neutral Lippeids innerhalb der beiden Hexanextrakten war anders. Nach Verseifung und Trennung der neutralen Lipiden, erhalten wir 60% (w / w) FFAs und 40% (w / w) neutralen Lipiden aus der Iso -paste-HAO. Die Iso- Pulver-HAO produziert im Durchschnitt 46% (w / w) FFS und 54% (w / w) neutralen Lipiden. Die Ergebnisse legen nahe , dass entweder die Ausgangs pulverisierte Biomasse relativ höhere Mengen an neutralen Lipiden enthalten, auf FA - Derivate als die Isochrysis Paste, oder dass die Soxhlet - Extraktion von pulverisiertem Isochrysis für neutrale Lipide etwas selektiv ist.

Nicht nur waren die Ausbeuten der Produkte aus den beiden kommerziellen Isochrysis erhalten Biomassen unterschiedlich, sondern auch die Fettsäureprofile der resultierenden Biodiesel. Dies ist wichtig, da die Kraftstoffeigenschaften von Biodiesel auf die Art und Inhalt einzelner FAMEs direkt abhängig sind. 35 kommerzialisiert zu werden, alle Biodiesel an die Standards in den Dokumenten ASTM beschriebenen entsprechen müssenD6751 oder EN 14214 in den USA bzw. Europa. Spezifikationen umfassen Bereiche für die Gleitfähigkeit und kinematische Viskosität und Minimalwerten für die Cetanzahl und oxidative Stabilität. Weitere wichtige Empfehlungen sind Kaltfließeigenschaften in Form eines Trübungspunkt (CP) oder Cold Filter Plugging Point (CFPP) bezogen. Wir haben bereits berichtet , ergibt sich aus der umfassenden Kraftstoff - Tests von Biodiesel aus Iso- Paste hergestellt. 36 Da das FAME - Profil von Biodiesel aus den Iso -Pulver in dieser Studie produzierte zuvor getesteten denen ähnlich ist, können wir bestimmte Kraftstoffeigenschaften vorhersagen ähnlich zu sein für beide Biodiesel-Kraftstoffen. Zum Beispiel, mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PuFAMEs, mehr als zwei Doppelbindungen) entfallen rund 40% der beiden FAME - Gemische (35,2% und 39,9%, Tabelle 2). Dies führt zu einer geringen Oxidationsstabilität führen und günstige Kaltfließ. 35 Es gibt jedoch leichte Unterschiede in den FAME - Profile der beiden biodiesel Brennstoffe. Biodiesel aus dem pulverisierten Isochrysis erzeugt enthalten höhere Mengen an 14: 0 (19,4 mg / g vs. 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g vs. 8,5 mg / g) und 22: 6 (11,0 mg / g vs. 6,9 mg / g) FAMEs, noch geringere Mengen von 18: 4 (10,4 mg / g vs. 19,8 mg / g). Das Ausmaß der Auswirkungen dieser Unterschiede auf die verschiedenen Kraftstoffeigenschaften in den ASTM-Standards enthalten noch untersucht werden.

Die anfängliche Biodiesel aus den kommerziellen Isochrysis Algen gewonnen wurden ähnlich dunkelgrün in der Farbe , die durch die Anwesenheit von Chlorophyllen erklärt werden kann. 36 Chlorophyll und seine Derivate haben eine negative Wirkung auf die Stabilität von Pflanzenölen und ihren entsprechenden Biodieselkraftstoffe haben berichtet. 36,29 Basierend auf der Methode der Issariyakul und Dalai für greenseed Rapsöl im ​​Zusammenhang mit der Biodieselproduktion Entfärbung, 29 unserer grünen Biodiesel über 10% Rühren (w / w) MK10 bei 60 ° C für 1 Stunde in einem dramatischen geführtVerringerung der Pigmentgehalt durch visuelle Untersuchung (siehe Abb . 2). Massenwiederherstellungen von der Entfärbung Prozess waren im Durchschnitt 90%.

Die Ausbeuten an gereinigtem Alkenone aus Iso- Paste-hao und Iso- Pulver-HAO neutrale Lipide waren vergleichbar mit 40% und 46% w / w (Tabelle 1). Da neutrale Lipide einen höheren Anteil an Material in der Iso- Pulver-HAO enthielt (54% w / w gegenüber 40% w / w) repräsentieren, überschreitet Alkenon Ausbeute aus dem Iso- Pulver-HAO die Iso- Paste-HAO Alkenon Ausbeute um etwa 10% (25% w / w gegenüber 16% w / w). Allerdings unter Berücksichtigung, dass die Renditen der Iso- Pulver-HAO selbst niedriger waren als Iso- pasten HAO (15% vs. 20% w / w), die Gesamtausbeuten von Alkenone aus trockenen Isochrysis Biomassen sind ähnlich (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% w / w aus getrockneten Isochrysis Paste und 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% aus Isochrysis Pulver).

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (CHE-1151492), die Nordwest Erweiterte Renewables Alliance (Stipendium J. Wilson-Peltier) unterstützt wurde, und durch eine private Spende von Freunden von WHOI. Wir danken Kevin R. Steidley und Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) für hervorragende technische Unterstützung.

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