Detaljerede metoder præsenteres til produktion af biodiesel sammen med co-isolering af alkenones som værdifulde samprodukter fra kommercielle Isochrysis mikroalger.
Behovet for at erstatte brændstoffer med alternativer fra vedvarende og flere miljømæssigt bæredygtige kilder er af stigende betydning. Biomasse-afledte biobrændstoffer har fået betydelig opmærksomhed i den forbindelse, har dog første generations biobrændstoffer fra spiselige afgrøder som majs-ethanol eller sojabønner biodiesel generelt faldet i unåde. Der er således stor interesse for udvikling af metoder til produktion af flydende brændstoffer fra indenlandske og overlegne ikke-spiselige kilder. Her beskriver vi en detaljeret procedure til fremstilling af en renset biodiesel fra det marine mikroalger Isochrysis. Derudover er en unik pakke af lipider kendt som flerumættede langkædede alkenones isoleret parallelt som potentielt værdifulde samprodukter at opveje udgifterne til produktion af biodiesel. Multi-kilogram mængder Isochrysis indkøbes fra to kommercielle kilder, en som en våd pasta (80% vand), som tørres først inden forarbejdning, og othende et tørt formalet pulver (95% tørstof). Lipider ekstraheres med hexaner i et Soxhlet-apparat til fremstilling af en algeolie ( "hexan algeolie") indeholdende både traditionelle fedtstoffer (dvs. triglycerider, 46-60% vægt / vægt) og alkenones (16-25% vægt / vægt). Forsæbning af triglycerider i algeolie tillader separation af de resulterende frie fedtsyrer (FFA'ere) fra alkenone-holdige neutrale lipider. FFA'er omdannes derefter til biodiesel (dvs. fedtsyremethylestere, fames) ved syrekatalyseret forestring mens alkenones isoleres og oprenses fra de neutrale lipider ved krystallisation. Vi viser, at biodiesel fra både kommercielle Isochrysis biomasser har tilsvarende, men ikke identiske FAME profiler, karakteriseret ved forhøjede flerumættede fedtsyrer indhold (ca. 40% vægt / vægt). Udbytter af biodiesel var konsekvent højere ved start fra Isochrysis våd pasta (12% vægt / vægt vs. 7% vægt / vægt), som kan spores til lavere mængder af hexan alger OIl opnået fra det pulverformige Isochrysis produkt.
Der har for nylig været en stor genopblussen af interesse i biobrændstoffer fra alger, navnlig til fremstilling af flydende brændstoffer såsom biodiesel 1 og andre biomasse-afledte olier. 2 Foreslåede fordele omfatter undgåelse af visse fødevarer vs. brændstof kontroverser 3 og sigende højere produktiviteter og CO 2 afbødende muligheder end traditionelle landbrugsafgrøder. 4 Dette følger den næsten 20 år amerikanske Energys Aquatic Arter Program (ASP) startede i 1978 med det formål at undersøge transport brændstof fra alger. Som beskrevet i Sheehan rapport, 5 programmet sluttede i 1996, primært fordi forventede omkostninger ikke var konkurrencedygtige med råolie dengang ($ 18,46 per tønde (159 L)). Mens udgifterne til råolie er steget dramatisk siden da ($ 87,39 per tønde i 2014) 6, der er forbundet med renæssance i alge forskning biobrændstof, nogle have hævdede, at alligevel alger biobrændstoffer vil vise sig for dyrt. 7. Som en strategi for at udligne biobrændstoffer produktionsomkostninger, har begrebet værdiskabende samprodukter opstået blandt både kritikere 7,8 og fortalere 9,10 og funktioner som en af de vigtigste årsager til forfølge alger biobrændstoffer i USA Department of Energy (DOE) "National alge- biobrændstoffer Technology Roadmap". 11
Her beskriver vi en fremgangsmåde til samtidig fremstilling af to separate brændselsstrømme fra kommerciel Isochrysis mikroalger. Vi har fokuseret på Isochrysis dels fordi det allerede produceres industrielt, høstet med henblik på havbrug, og også fordi Isochrysis er en af kun få arter af alger, der udover traditionelle lipider (dvs. fedtsyrer) biosyntetiserer en unik klasse af forbindelser kendt som flerumættede langkædede alkenones. 12 Alkenone strukturer er kendetegnet ved meget l ong carbonhydridkæder (36-40 carbonatomer), to til fire ikke-methylen-afbrudte trans -Double obligationer, og en methyl- eller ethyl keton (figur 1). Alkenone umættethed er følsom over for algerne voksende temperatur, 13,14, således at andelen af den diumættet C37 methyl alkenone (det såkaldte "umættethed index") kan anvendes som en proxy for tidligere havoverfladetemperaturer 15 -. 20 Alkenones er menes at opholde sig i cytoplasmatiske lipid organer og kan være mere rigelig end triglycerider (tags). 21,22 Under nitrogen eller fosfor begrænsning, op til 10-20% af celle kulstof i den stationære fase akkumuleres som alkenones. 23,24 fra et evolutionære synspunkt kan alkenones blevet foretrukket frem TAG fordi deres trans-dobbelt bond geometri giver en mere stabil form for energilagring. 21
189fig1.jpg "/>
Figur 1. Strukturer af polyumættede langkædede alkenones Fælles alkenone methyl 37:. 3 isoleret fra Isochrysis eksemplificerende lang carbonhydridkæde længder (36 – 40 carbonatomer), trans ikke-methylen-afbrudte dobbeltbindinger, og ender i en methyl eller ethyl keton. Nomenklatur ligner fedtsyrer hvor #: # refererer til antallet af kul:. Antal dobbeltbindinger Klik her for at se en større version af dette tal.
Vi hævder, at alkenones repræsenterer en lovende vedvarende kulstof råvare fra en fælles alger med en historie af industriel dyrkning. 25. Biodiesel produceres direkte fra den samlede lipid ekstrakt af Isochrysis indeholder en betydelig mængde (10-15% vægt / vægt) af alkenones og forurening med disse high-smeltende forbindelser resulterer i fattige koldt flow brændstof egenskaber. Men ved anvendelse af than forsæbning / ekstraktion teknikker beskrevet her, kan alkenones fjernes og genvindes dermed forbedre biodiesel kvalitet og samtidig producere et sekundært produkt stream. For nylig vist, vi omdannelse af alkenones til en flydende brændstof ved cross-metatese med 2-buten (butenolysis). 26 butenolysis reaktion anvender en kommerciel ruthenium metatese-initiator, sker hurtigt ved lav temperatur, og rent leverer en forudsigelig blanding af jetbrændstof range carbonhydrider. Denne reaktion udføres parallelt med biodiesel syntese af fedtsyrer, der repræsenterer de første skridt mod en "bioraffinaderi" tilgang 27 for kommercielt levedygtige produktion Isochrysis biobrændstof.
Isochrysis er en af kun et udvalgt antal algearter opdrættede industrielt, høstet som en primær komponent af skaldyr foder, og derfor repræsentative for den målestok er nødvendige til produktion af biobrændstoffer. Tilgængeligheden af algerne udnyttes og standard metoder, der anvendes i denne undersøgelse, gør den protokol præsenteret bredt tilgængelige for andre grupper for yderligere undersøgelser. Kritiske skridt omfatter air-tørring af alger (i modsætning til lyofilisering 33), opløsningsmidler ekstraktioner, forsæbning, og forestring. Gennem disse operationer kan man undersøge udbyttet af lipider og andre samprodukter fra de forskellige Isochrysis rådighed 30. Det forventes, at disse kan variere som følge af forskellige stammer og dyrkningsmetoder, 31 og kan også påvirkes af naturen af produktet og yderligere forarbejdning (f.eks tørring eller frysning) anvendes af leverandøren. Som vi demonstrerer her, protokollen udvikleed held kan anvendes på forskellige typer af Isochrysis produkter, der spænder fra en våd pasta til et tørt formalet pulver. Udbytter af biodiesel var dog lavere fra den pulveriserede biomasse (7% vægt / vægt tør biomasse vs. 12% vægt / vægt fra den tørrede pasta), hvilket svarer til lavere mængder af algeolie (h-AO) udvindes. Dette kan tyde på, at en alternativ ekstraktionsprotokol 32 bortset fra et Soxhlet-apparat kan være bedre egnet til tørre pulverformige Isochrysis produkter. Den Isochrysis pulver, der anvendes i denne undersøgelse er annonceret som indeholder 23-25% lipider, som svarer til, hvad vi eksperimentelt har fået fra tørret Isochrysis pasta. 33,34,26
Trods de forskellige farver af udgangs tør biomasse, den iso pasta-Hao og Iso -powder-Hao væsentlige var uskelnelige, både mørk grøn / nær sorte faste stoffer med smeltepunkter på ca. 50 ° C. Interessant er forholdet mellem FFA'er til neutral læbeids i de to hexanekstrakter var forskellige. Efter forsæbning og adskillelse af de neutrale lipider, opnået vi 60% (w / w) FFA'er og 40% (vægt / vægt) neutrale lipider fra Iso -paste-Hao. Den iso pulver-Hao produceret i gennemsnit 46% (vægt / vægt) FFA'er og 54% (vægt / vægt) neutrale lipider. Resultaterne antyder, at enten starter pulveriserede biomasse kan indeholde større mængder af neutrale lipider i forhold til FA derivater end Isochrysis pasta, eller at Soxhlet ekstraktion af pulveriseret Isochrysis er noget selektivt for neutrale lipider.
Ikke kun var udbytterne af produkter fremstillet af de to kommercielle Isochrysis biomasse anderledes, men også fedtsyre-profiler af den resulterende biodiesel. Dette er vigtigt, da brændstof egenskaber for en biodiesel er direkte afhængige af arten og indholdet af de enkelte FAME'er. 35 For at blive kommercialiseret, al biodiesel skal være i overensstemmelse med de standarder, der er beskrevet i dokumenter ASTMD6751 eller EN 14214 i USA eller Europa hhv. Specifikationer omfatter intervaller for smøreevne og kinematisk viskositet, og minimumsværdier for cetantal og oxidativ stabilitet. Andre vigtige anbefalinger er relateret til kolde flydeegenskaber i form af en sky punkt (KP) eller koldfilterpunkt (CFPP). Vi har tidligere rapporteret resultater fra omfattende brændstof afprøvning af biodiesel fremstillet ud fra iso-pasta. 36 Da FAME profil biodiesel produceret fra Iso -powder i denne undersøgelse er sammenlignelig med tidligere testede, kan vi forudsige bestemte brændselsegenskaber at være den samme for begge biodiesel. For eksempel polyumættede fedtsyrer (PuFAMEs, mere end to dobbeltbindinger) tegner sig for ca. 40% af både FAME blandinger (35,2% og 39,9%, tabel 2). Dette vil resultere i dårlig oxidativ stabilitet og gunstige kold-flow. 35 Der er imidlertid små forskelle i de FAME profiler af de to biodieSEL brændstoffer. Biodiesel fremstillet af den pulveriserede Isochrysis indeholdt større mængder af 14: 0 (19,4 mg / g vs. 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g vs. 8,5 mg / g), og 22: 6 (11,0 mg / g vs. 6,9 mg / g) FAME'er, men lavere mængder af 18: 4 (10,4 mg / g vs. 19,8 mg / g). Omfanget af virkningen af disse forskelle på de forskellige brændselsegenskaber indeholdt i ASTM standarder mangler at blive undersøgt.
Den oprindelige biodiesel fremstillet af både kommercielle Isochrysis alger var tilsvarende mørk grøn farve, som kan forklares med tilstedeværelsen af chlorophyler. 36 Klorofyl og dets derivater er blevet rapporteret at have en negativ effekt på stabiliteten af vegetabilske olier og deres tilsvarende biodiesel. 36,29 Baseret på metoden til Issariyakul og Dalai til affarvning greenseed raps olie i forbindelse med produktion af biodiesel, 29 omrøring vores grønne biodiesel over 10% (w / w) MK10 ved 60 ° C i 1 time resulterede i en dramatiskreduktion i pigmentindhold ved visuel inspektion (ref. figur 2). Masse inddrivelser fra affarvning proces var i gennemsnit 90%.
Udbytter af oprensede alkenones fra ISO-pasta-Hao og iso-pulver-Hao neutrale lipider var sammenlignelige ved 40% og 46% vægt / vægt (tabel 1). Da neutrale lipider udgør en højere andel af materiale indeholdt i iso-pulver-Hao (54% vægt / vægt vs. 40% vægt / vægt), alkenone udbytte af iso-pulver-Hao overstiger iso pasta-Hao alkenone udbytte med ca. 10% (25% vægt / vægt vs. 16% vægt / vægt). Men i betragtning af, at udbytter af det iso pulver-Hao selv var lavere end iso pasta-Hao (15% vs. 20% vægt / vægt), de samlede udbytter af alkenones fra både tørre Isochrysis biomasser er mere ens (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% vægt / vægt af tørrede Isochrysis pasta og 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% fra Isochrysis pulver).
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation (CHE-1.151.492), det nordvestlige Advanced Renewables Alliance (stipendium til J. Wilson-Peltier), og gennem en privat donation fra venner af WHOI. Vi takker Kevin R. Steidley og Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) for fremragende teknisk bistand.
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). |