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Medio ambiente

Protocole expérimental pour la production de biodiesel avec Isolement de alkénones comme coproduits de Commercial<em> Isochrysis</em> Biomasse algale

Published: June 24, 2016
doi:
10.3791/54189
, , , ,
1Department of Chemistry,Western Washington University, 2Agricultural Research Service,United States Department of Agriculture, 3Department of Marine Chemistry and Geochemistry,Woods Hole Oceanographic Institution

Summary

Des méthodes détaillées sont présentées pour la production de biodiesel ainsi que la co-isolement de alcénones comme coproduits de valeur à partir de microalgues Isochrysis commercial.

Abstract

La nécessité de remplacer les combustibles pétroliers par des alternatives provenant de sources renouvelables respectueuses de l'environnement et plus est d'une importance croissante. biocarburants dérivés de la biomasse ont gagné une attention considérable à cet égard, mais les biocarburants de première génération à partir de cultures comestibles tels que l'éthanol de maïs ou le biodiesel de soja ont généralement perdu la faveur. Il y a donc un grand intérêt pour le développement de méthodes pour la production de combustibles liquides à partir de sources non-comestibles domestiques et supérieures. Nous décrivons ici une procédure détaillée pour la production d'un biodiesel purifié à partir de micro – algues marines Isochrysis. En outre, une suite unique de lipides appelés alcénones polyinsaturés à longue chaîne sont isolés en parallèle comme coproduits potentiellement utiles pour compenser le coût de la production de biodiesel. Quantités Multi-kilogramme de Isochrysis sont achetés auprès de deux sources commerciales, l' une comme une pâte humide (80% d' eau) qui est d' abord séché avant le traitement, et l'otelle une poudre sèche broyée (95% de matière sèche). Lipides sont extraits avec de l' hexane dans un appareil Soxhlet pour produire une huile d' algue ( "huile hexane algale") contenant à la fois des graisses classiques ( par exemple, des triglycérides, de 46 à 60% p / p) et alcénones (16 à 25% en poids / poids). Saponification des triglycérides dans l'huile d'algue permet une séparation des acides gras libres résultants (AGL) à partir des lipides neutres contenant alcénones. FFAs sont ensuite converties en biodiesel ( par exemple, les esters méthyliques d'acides gras, FAME) par estérification catalysée par un acide alors que alcénones sont isolés et purifiés à partir des lipides neutres par cristallisation. Nous avons démontré que le biodiesel à partir des deux biomasses Isochrysis commerciaux ont des profils de FAME similaires mais non identiques, caractérisé par des teneurs élevées poly – insaturés d'acides gras (environ 40% p / p). Les rendements de biodiesel étaient toujours plus élevés lors du démarrage de la pâte humide Isochrysis (12% p / p par rapport à 7% p / p), qui peut être attribuée à la baisse des quantités d'hexane algal oil obtenu à partir du produit Isochrysis en poudre.

Introduction

Il a récemment été un grand regain d'intérêt pour les biocarburants à partir d' algues, en particulier pour la production de combustibles liquides tels que le biodiesel 1 et d' autres huiles dérivés de la biomasse. 2 avantages proposés comprennent l'évitement de certains aliments par rapport à des controverses de combustible 3 et productivités seraient plus élevés et les capacités de CO 2 d'atténuation que les cultures agricoles traditionnelles. 4 Cette suit la presque 20 années Département du Programme pour les espèces aquatiques de l' énergie (ASP) des États-Unis a commencé en 1978 dans le but d'enquêter sur le carburant de transport à partir d' algues. Comme il est indiqué dans le rapport de Sheehan, 5 le programme a pris fin en 1996 , principalement en raison des coûts projetés ne sont pas en concurrence avec le pétrole brut à ce moment – là (18,46 $ par baril (159 L)). Alors que le coût du pétrole a augmenté de façon spectaculaire depuis ($ 87.39 par baril en 2014) 6, qui est relié à la renaissance dans la recherche sur les biocarburants d' algues, certains have a fait valoir que néanmoins les biocarburants d' algues vont se révéler trop coûteux. 7 Comme une stratégie visant à compenser les coûts de production de biocarburants, la notion de coproduits à valeur ajoutée a émergé parmi les critiques 7,8 et promoteurs 9,10 et caractéristiques comme l' une des principales raisons pour la poursuite de biocarburants d' algues dans le United States Department of Energy (DOE) "national algales Biofuels Technology Roadmap". 11

Nous décrivons ici une méthode pour la coproduction de deux courants de combustible séparés à partir de microalgues Isochrysis commercial. Nous nous sommes concentrés sur Isochrysis en partie parce qu'il est déjà produit industriellement, récoltée à des fins de la mariculture, et aussi parce que Isochrysis est l' une des seules quelques espèces d'algues qui , en plus de lipides traditionnels ( par exemple, les acides gras) biosynthèse une classe unique de des composés connus comme alcénones à longue chaîne poly – insaturés. 12 structures sont caractérisées par alcénone très l les chaînes hydrocarbonées de ong (36-40 carbones), deux à quatre méthylène non interrompus liaisons trans -Doubles et un groupe méthyle ou éthyle cétone (figure 1). Alcénone insaturation est sensible à la température de croissance des algues, 13,14 de telle sorte que la proportion de la diinsaturé alcénone de méthyle C37 (que l'on appelle « l' indice d'insaturation») peut être utilisé comme indicateur de la température de surface de la mer depuis 15 -. 20 alcénones sont pensé à résider dans des corps lipidiques cytoplasmiques et peut être plus abondant que les triglycérides (TAG). 21,22 Sous azote ou la limitation de phosphore, jusqu'à 10-20% de carbone de cellules dans la phase stationnaire est accumulée comme alcénones. 23,24 du point de vue évolutif, alcénones peut avoir été favorisée par rapport à TAGs parce que leur géométrie de double liaison trans fournit une forme plus stable de stockage d'énergie. 21

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Figure 1. Structures de polyinsaturés alcénones longue chaîne alcénone commune méthyle 37:. 3 isolé de Isochrysis exemplifiant longueurs de chaîne longue d'hydrocarbures (36 – 40 atomes de carbone), non-méthylène trans doubles liaisons interrompues, et se terminant par un groupe méthyle ou éthyle cétone. Nomenclature est similaire aux acides gras où #: # fait référence à nombre de carbones:. Nombre de doubles liaisons S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Nous soutenons que alcénones représentent une prometteuse renouvelable charge de carbone à partir d' une algue commune avec une histoire de la culture industrielle. 25 Biodiesel produit directement à partir de l'extrait lipidique total de Isochrysis contient une quantité importante (10-15% p / p) de alcénones et la contamination par des ces composés à haut point de fusion se traduit par de mauvaises propriétés de carburant d'écoulement à froid. Cependant, l'utilisation de til techniques saponification / d'extraction décrits ici, alcénones peut être enlevé et récupéré en améliorant ainsi la qualité du biodiesel, tout en produisant un courant de produit secondaire. Récemment , nous avons démontré la conversion de alcénones à un carburant liquide par métathèse croisée avec le 2-butène (butenolysis). 26 La réaction de butenolysis utilise un ruthénium commercial métathèse-initiateur, se produit rapidement à basse température, et proprement délivre un mélange prévisible du carburant hydrocarbures de la gamme. Cette réaction est réalisée en parallèle avec la synthèse de biodiesel à partir d' acides gras, ce qui représente les premiers pas vers une «bioraffinerie» approche 27 pour commercialement viable la production de biocarburants Isochrysis.

Protocol

1. microalgues et biomasse Préparation Note: La marine microalgues Isochrysis sp. "T-iso" utilisé dans la présente étude peut être acheté (voir la liste des matériaux). Quantités Multi-kilogramme de Isochrysis peuvent être achetés sous forme de pâte humide congelé (Iso -paste) contenant environ 80% d' eau et 20% de la biomasse, et est vert foncé / près de couleur noire avec une odeur odeur âcre de la mer. Isochrysis peut aussi être acheté comme une poudre sèche jaune-brun (95% de matière sèche) (Iso -Poudre) avec une odeur semblable. Pour sécher la pâte Isochrysis, ouvrez un paquet de 1 kg en coupant un 1 – trou de 2 pouces dans le coin de l'emballage en plastique avec des ciseaux. Pincez environ 300 g de cette Isochrysis coller à travers le trou dans un 150 mm x 75 mm cristallisoir pour créer une couche mince (~ 20 mm). Laisser la pâte sécher à l'air à la température ambiante jusqu'à ce qu'elle devienne sèche et squameuse (typiquement, 48 -96 h). Remarque: les temps de séchage réels peuvent varier et dépendent de la température. Cependant, aucune différence n'a été remarquée dans les rendements ou la qualité des produits, même avec des temps de séchage plus longs (jusqu'à deux semaines). Le processus de séchage peut également être rendu plus uniforme et / ou accéléré en plaçant le cristallisoir sur une plaque chaude (30 – 40 ° C). Grattez la biomasse sèche du cristallisoir à l'aide d'une spatule et de recueillir dans une extraction de cellulose virole (Longueur: 123 mm, 43 mm ID). Noter le poids de la biomasse Isochrysis sec. 2. Extraction Soxhlet de biomasse sèche Isochrysis Charger l' extraction de cellulose de virole d'un Isochrysis (typiquement 50 – 60 g de biomasse sèche) dans un appareil d'extraction Soxhlet. Remplir le ballon de Soxhlet avec de l'hexane (400 ml), tourner sur la source d'eau du condenseur et de la chaleur, et de permettre au Soxhlet à cycle pour 24-48 h (jusqu'à ce que la couleur du solvant est passé du vert foncé à unjaune pâle). Éteindre le feu et laisser l'appareil refroidir à la température ambiante, puis débranchez le flacon de l'extracteur Soxhlet. Retirer les hexanes à l'aide d'un évaporateur rotatif et on enregistre le poids de la matière extractible à l'hexane ( «huile hexane algal" (h-AO)). 3. La saponification de l'huile d'algue et de séparation des acides gras et lipides neutres Redissoudre le h-AO dans le même ballon à fond rond de l'étape 2.4 ci-dessus avec du methanol: dichlorométhane (2: 1, volume = 10 x masse de l'huile d'algue). Ajouter une barre d'agitation et de joindre un condenseur à reflux (Coil: 500 mm de longueur). Ajouter la lettre H 2 O (volume = 2,67 x masse de l' huile d' algue) et du KOH (50% p / p de l' huile d' algue) et on chauffe le contenu sous agitation à 60 ° C pendant 3 h. Après refroidissement à température ambiante, éliminer les solvants organiques (méthanol et du dichlorométhane) sur un évaporateur rotatif. Transférer le mélange aqueux restant en versant dans un 1ampoule à décanter -L. Ajouter hexanes (équivalent en volume à la solution aqueuse), agiter l'ampoule à décanter, et laisser les couches se séparer. Égoutter la couche inférieure aqueuse dans un flacon Erlenmeyer, et verser la phase organique supérieure dans un Erlenmeyer séparé. Répéter les étapes 3.5 et 3.6 jusqu'à ce que la couche organique est incolore (typiquement 1-2 fois plus). On concentre les extraits organiques réunis sur un évaporateur rotatif pour isoler les lipides neutres en tant que solide verdâtre (point de fusion ≈ 60 -. 70 ° C). Acidifier la phase aqueuse avec du HCl (6 M, jusqu'à un pH ~ 2, comme indiqué par le papier pH). Extraire les acides gras libre (FFA de) de la phase aqueuse acidifiée avec de l'hexane (Equivolume à la phase aqueuse) avec une ampoule à décanter de 1 litre comme décrit dans les étapes 3.5 et 3.6. Retirez les hexanes sur un évaporateur rotatif pour obtenir les FFAs comme un résidu huileux vert presque noir foncé (liquide à des températures> 30 ° C). 4.L'estérification catalysée par un acide des acides gras libres et la production d'un biodiesel vert Transférer les FFAs utilisant du méthanol: chloroforme (1: 1, 6 x volume d'huile d'algue) d'abord dissoudre les FFAs puis en versant dans un ballon de réaction haute pression à paroi épaisse équipé d'un barreau d'agitation. Ajouter la lettre H 2 SO 4 concentré (20% p / p de l' huile d' algue), sceller le flacon, et on chauffe le mélange à 90 ° C tout en agitant pendant 1 h. Après refroidissement à température ambiante, transférer le mélange en le versant dans une ampoule à décanter. Ajouter H 2 O (2 x volume d'huile d' algues), agiter l'ampoule à décanter, et laisser les phases se séparer. Égoutter la couche inférieure dans un ballon à fond rond pré-pesé et on concentre sur un évaporateur rotatif. Noter la masse du biodiesel résultant. Analyser le profil des acides gras par chromatographie en phase gazeuse avec détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) 28 (chromatographe en phase gazeuse équipé d'un DB-88 [(88% cyanopropyl) methylarylpolysiloxane] colonne (30 mx épaisseur 0,25 mm ID x 0,20 um de film). Nota: les esters gras courants méthyliques d'acides sont vérifiées par comparaison des temps de rétention avec des échantillons authentiques obtenus dans le commerce. En outre, chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (CG-SM, Chromatographie en phase gazeuse couplée à un détecteur sélectif de masse) est effectuée dans des conditions identiques de programme et de température de la colonne pour analyser des composants tels que C18: 4 pour lesquels aucun des étalons authentiques sont disponibles avec les résultats appliqués à GC quantification. 5. Biodiesel Décoloration Chauffer le vert foncé de couleur biodiesel à 60 ° C dans un ballon à fond rond équipé d'un barreau d'agitation. Ajouter montmorillonite K 10 (MK10) poudre (10-20% p / p du biodiesel) et agiter pendant 1 h. Retirez le fond rond de la chaleur et laisser refroidir la solution à la température ambiante. Préparer un appareil de filtration constitué d'un ballon à fond rond et le filtre d'amusementnel contenant un papier filtre de cellulose (Ash 0,007%). Verser le biodiesel refroidi décoloré à travers l'entonnoir de filtration en utilisant une quantité minimale d'hexanes pour rincer le ballon à fond rond. Débranchez l'entonnoir de filtre du ballon à fond rond (il contient maintenant une solution de hexanes du biodiesel décolorée) et retirer les hexanes avec un évaporateur rotatif pour donner une orange / biodiesel rouge. Conserver les échantillons à 4 ° C, temps pendant lequel un certain tassement de la matière insoluble (environ 10% p / p) se produira. Retirer la matière insoluble par décantation ou filtration comme décrit à l'étape 5.4 et 5.5 pour produire un biodiesel homogène limpide pour l'analyse. 6. Isolement et purification de alcénones des lipides neutres Dissoudre les lipides neutres (étape 3.8) dans une quantité minimale de dichlorométhane (environ 50 ml pour 10 g de lipides neutres) et ajouter la solution avec une pipette à la partie supérieure d'une colonne de Chromatographie (O.D 60 mm, ID 55 mm, longueur 18 ") contenant du gel de silice (230-400 mesh, 100 g). Éluer la solution à travers la silice sous pression (environ 5 livres par pouce carré) en utilisant du dichlorométhane (150 ml environ) comme solvant et de recueillir l'éluant dans 250 ml ballon à fond rond. Éliminer le dichlorométhane avec un évaporateur rotatif pour donner un solide orange. Recristalliser le solide en utilisant de l'hexane en ajoutant environ 100 ml d'hexane bouillant, suivie par des quantités supplémentaires incrémentielles de l'hexane bouillant jusqu'à ce que la solution soit homogène (volume total ~ 150 ml). Ensuite, la solution refroidir lentement à la température ambiante pour favoriser la cristallisation. Ramassez les alcénones cristallisés en utilisant un appareil de filtration comme décrit à l'étape 5.4 en utilisant une petite quantité de (0 ° C) hexane froid pour rincer le flacon.

Representative Results

Avant le traitement, la pâte Isochrysis (pâte Iso-) a été séché. Cela a été commodément à plus grande échelle en ajoutant le -paste Iso à un grand cristallisoir et laisser le matériau sécher à l' air à la température ambiante. Au cours du séchage, certaines formes d'accumulation d'eau (généralement de couleur rougeâtre) qui peut être retiré par décantation ou pipetage pour accélérer le processus de séchage. Après environ 48-96 heures, le Isochrysis maintenant à sec pouvait être gratté sur le plat cristallisant et obtenu sous la forme d' un vert matériau noir / feuilletée avec une odeur d'algues comme (Figure 2). Les rendements de biomasse sèche étaient généralement 20% en poids / poids de la pâte comme annoncé. En revanche, le produit Isochrysis poudre (poudre Iso-) était un jaune-brun, finement broyé, poudre sèche (95% sec) qui a été utilisé directement sans autre traitement (Figure 2). gurer 2 "src =" / files / ftp_upload / 54189 / 54189fig2.jpg "/> Figure 2. Comparaison des commerciale pâte Isochrysis. Isochrysis (80% humide) se propage le long du fond d'un plat de cristallisation et laissé sécher à l' air à la température ambiante pendant 48-96 heures avant le traitement. Le Isochrysis séché résultant est obtenu sous la forme d' un matériau en paillettes de couleur foncée ( à droite) qui est différent en apparence que la poudre sèche commerciale Isochrysis ( à gauche). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Extraction soit de la poudre Iso -paste ou Iso- séchée par Soxhlet avec des hexanes a donné, après élimination des hexanes, des huiles d'algues (h-AO) qui étaient semblables en apparence que vert foncé / presque noir solides (mp. ~ 50 -60 ° C). Les rendements de h-AO lors du démarrage de la pâte ( "Iso- pâte HAO») Étaient généralement 20% p / p de la biomasse Isochrysis sèche, en accord avec nos résultats précédents, 26 alors que les rendements de h-AO par extraction Soxhlet de la publicité en poudre Isochrysis (" Iso- poudre-hao ") étaient 15% p / w (tableau 1). Produit (g) Iso -paste Iso -Poudre-1 Iso -Poudre-2 La biomasse sèche 30 20 20 Hexane algales Oil 5,86 2,87 3.11 FFAs 3.52 1,34 1,38 lipides neutres 2.34 1,38 1.61 alkénones 0,94 0,63 0,74 Notes: Iso-poudre-1 et Iso-poudre-2 représentent les résultats de deux échantillons de Isochrysis en poudre qui ont été traitées en parallèle. Pour d'autres rapports avec des rendements de ces produits de Iso-paste voir les références 26, 32 et 33. Tableau 1. Les rendements de produits de Isochrysis biomasse commerciale. Acylglycérols dans le h-AO ont été convertis en sels de carboxylate soluble dans l'eau correspondants ( par exemple, des savons) lors de l' addition de KOH dans le methanol aqueux / CH 2 Cl 2. Les lipides neutres dont alcénones ont ensuite été extraites de ce mélange aqueux par répartition sélective avec des hexanes. Après élimination des lipides neutres, des savons réacidification réalise ensuite les acides gras libres correspondants (AGL) qui pourraient être extraites de manière similaire à partir de la solution aqueusela phase ueous avec de l'hexane. Les recouvrements globaux de masse pour FFAs combinés et des lipides neutres provenant soit Iso- pâte-hao ou Iso -Poudre-hao étaient toujours près quantitative. Cependant, le rapport des produits ( par exemple, les lipides neutres + AGL) est différent. De l'Iso- pâte-hao , nous avons obtenu 60% (p / p) AGL et 40% (p / p) lipides neutres (tableau 1). A l' inverse, Iso- poudre-hao prouvé enrichi en lipides neutres (moyenne = 54% de lipides neutres + 46% AGL) comme détaillé dans le tableau 1. Estérification des FFAs avec H 2 SO 4 et de méthanol a ensuite produit des esters d'acides gras de méthyle (FAME, à savoir, biodiesel) comme un vert foncé près de liquide huileux noir dans plus de 90% de rendement (figure 3). Décoloration par chauffage sur montmorillonite K10 29 (MK10) l' argile a ensuite donné un produit jaune / orange, similaire en apparence à un autre bi commercialecarburants odiesel (voir la liste des matériaux) (figure 3). Les résultats de l'analyse FAME des décolorées carburants biodiesel Isochrysis sont présentés dans le tableau 2. Figure 3. Comparaison des Isochrysis et de soja carburants biodiesel. Vert Isochrysis de biodiesel (milieu) est produit par estérification d'acides gras libres extraits et purifiés. Décoloration produit un produit ( à droite) avec des propriétés similaires à biodiesel commercial ( à gauche). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. FAME A Iso -paste Iso -Poudre 14:00 16.4 </td> 19.4 14h01 – 0,3 15:00 trace 0,3 16h00 10.1 8.8 16: 1 Δ9 7.6 5.5 16h02 Dakota du Nord 0,3 16h03 Dakota du Nord 0,5 18:00 Trace 0,2 18: 1 B 12.1 14.3 18h02 8.1 7.1 18: 3 C 8.5 13.5 18h04 19,8 10.4 18h05 Dakota du Nord 3 20h05 Dakota du Nord – 22h05 Dakota du Nord 2 22h06 6.9 </td> 11 Σ D 89,8 96,2 Notes: Une nomenclature des acides gras est #carbons:. # Cis liaisons -double B combinés 18: 1 Δ9 + 18:.. 1 Δ11 C combiné Δ6,9,12 et Δ9,12,15 d'isomères D La matière restante est à peu près 50 : 50 autres FAME et composants non-FAME (total ~ 95% FAME). ND = non détecté. Tableau 2. Composition de FAME du biodiesel produit à partir de -past commerciale Iso et Iso -Poudre Isochrysis biomasse. Les lipides neutres ont été obtenus sous la forme d' un mélange solide verdâtre à 40% p / p de l'Iso -paste-hao et 54% (moy.) À partir de la poudre-hao Iso- (tableau 1). Filtrer les lipides neutres dissous à travers la silice en utilisantDCM a donné, après élimination du solvant, d'un rouge / orange solide qui peut être recristallisé dans un mélange avec de l'hexane pour donner alcénones analytiquement pur sous forme d'un solide blanc. Cette procédure a abouti à 16% (p / p) rendement isolé de alcénones de Iso- pâte-hao et un rendement de 25% par rapport à Iso -Poudre-hao (tableau 1).

Discussion

Isochrysis est l' un de seulement un certain nombre d'espèces d' algues cultivées industriellement, récoltés en tant que composant principal de l' alimentation des mollusques et crustacés, et donc représentant de l'échelle nécessaire pour la production de biocarburants. La disponibilité des algues utilisées et des méthodes classiques utilisées dans cette étude, rendre le protocole présenté largement accessible à d'autres groupes pour d'autres investigations. Les étapes critiques incluent l' air de séchage des algues (par opposition à la lyophilisation 33), extraction au solvant, saponification et estérification. Grâce à ces opérations , on peut examiner les rendements des lipides et d' autres coproduits issus des différents Isochrysis disponibles 30. Il est prévu que ceux – ci peuvent différer en raison des souches et des méthodes de culture, 31 différentes et peuvent également être touchés par la nature du produit et de tout traitement supplémentaire (par exemple, le séchage ou la congélation) utilisé par le fournisseur. Comme nous le démontrons ici, le protocole développered peut être appliquée avec succès à différents types de produits Isochrysis, allant d'une pâte humide à une poudre broyée à sec. Les rendements de biodiesel ont cependant été plus faible de la biomasse en poudre (7% p / p par rapport à la biomasse sèche de 12% en poids / poids de la pâte sèche), ce qui correspond à des quantités plus faibles de l'huile d'algue (h-AO) extraite. Cela peut suggérer qu'un protocole d'extraction alternatif 32 autre qu'un appareil de Soxhlet peut être mieux adapté pour les produits de Isochrysis en poudre sèche. La poudre Isochrysis utilisée dans cette étude est annoncé comme contenant 23-25% de lipides, qui semblable à ce que nous avons obtenu expérimentalement à partir de pâte séchée Isochrysis 33,34,26.

Malgré les différentes couleurs de la biomasse sèche de départ, le Iso- pâte-hao et Iso -Poudre-hao étaient essentiellement impossibles à distinguer, à la fois vert foncé / près de solides noirs avec des points de fusion d'environ 50 ° C. Fait intéressant, le rapport des acides gras libres à lèvre neutreids dans les deux extraits d'hexane était différent. Après saponification et la séparation des lipides neutres, nous avons obtenu 60% (p / p) AGL et 40% (p / p) lipides neutres de la Iso -paste-hao. La Iso- poudre-hao produit , en moyenne , 46% (p / p) AGL et 54% (p / p) lipides neutres. Les résultats suggèrent que la biomasse soit en poudre de départ peuvent contenir des quantités plus élevées de lipides neutres par rapport aux dérivés FA que la pâte Isochrysis, ou que l' extraction au Soxhlet en poudre de Isochrysis est quelque peu sélective pour les lipides neutres.

Non seulement les rendements des produits obtenus à partir des deux Isochrysis commerciale biomasses différents, mais aussi des profils d'acides gras de biodiesel obtenu. Ceci est important, car les propriétés du carburant d'un biodiesel sont directement dépendantes de la nature et le contenu des FAME individuels 35. Pour être commercialisé, tout le biodiesel doit être conforme aux normes décrites dans les documents ASTMD6751 ou EN 14214 aux Etats-Unis ou en Europe, respectivement. Les spécifications comprennent des gammes pour la lubricité et la viscosité cinématique, et les valeurs minimales pour l'indice de cétane et de stabilité à l'oxydation. D'autres recommandations importantes sont liées aux propriétés d'écoulement à froid sous la forme d'un point (CP) ou le point de colmatage du filtre à froid (CFPP) nuage. Nous avons précédemment rapporté les résultats de l'essai de carburant complet de biodiesel préparé à partir de pâte Iso-. 36 Depuis le profil de FAME du biodiesel produit à partir du -Poudre Iso dans cette étude est similaire à ceux précédemment testé, nous pouvons prédire certaines propriétés du carburant pour être similaire pour les deux carburants biodiesel. Par exemple, les acides gras poly – insaturés (PuFAMEs, plus de deux doubles liaisons) représentent environ 40% des deux mélanges de FAME (35,2% et 39,9%, tableau 2). Cela se traduira par une stabilité à l'oxydation pauvres et écoulement à froid favorable. 35 Il y a, cependant, de légères différences dans les profils FAME des deux biodiecombustibles Sél. Le biodiesel produit à partir du Isochrysis en poudre contenait des quantités plus élevées de 14: 0 (19,4 mg / g par rapport à 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g contre 8,5 mg / g), et 22: 6 (11,0 mg / g contre 6,9 ​​mg / g) FAME, mais des quantités inférieures de 18: 4 (10,4 mg / g par rapport à 19,8 mg / g). L'ampleur de l'impact de ces différences sur les différentes propriétés du carburant contenues dans les normes ASTM reste à étudier.

Le biodiesel initial obtenu à la fois commerciale Isochrysis algues étaient de la même couleur vert foncé qui peut être expliqué par la présence de chlorophylles. 36 Chlorophylle et ses dérivés ont été signalés à avoir un effet négatif sur la stabilité des huiles végétales et de leurs carburants biodiesel correspondants. 36,29 Basé sur la méthode de Issariyakul et Dalai pour décolorer l' huile de canola greenseed dans le cadre de la production de biodiesel, 29 agitant notre biodiesel vert plus de 10% (p / p) MK10 à 60 ° C pendant 1 heure a donné lieu à une spectaculaireréduction de la teneur en pigment par inspection visuelle (réf. Figure 2). recouvrements de masse du processus de décoloration étaient en moyenne de 90%.

Les rendements de alcénones purifiés à partir de Iso- pâte-hao et de lipides neutres poudre-hao iso- étaient comparables à 40% et 46% p / p (tableau 1). Comme lipides neutres représentent une proportion plus élevée de matière contenue dans la Iso- poudre-hao (54% p / p par rapport à 40% p / p), alcénone rendement de la Iso- poudre-hao dépasse le rendement de Iso- alcénone pâte HAO d'environ 10% (25% p / p par rapport à 16% p / p). Toutefois, étant donné que les rendements de la Iso- poudre-hao s'étaient inférieurs à Iso- pâte HAO (15% contre 20% p / p), les rendements globaux de alcénones des deux biomasses Isochrysis secs sont plus similaires (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% en poids / poids de la pâte séchée Isochrysis et 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% de poudre Isochrysis).

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation (CHE-1151492), le Nord-Ouest avancée Renewables Alliance (bourse pour J. Wilson-Peltier), et par un don privé des amis de WHOI. Nous remercions Kevin R. Steidley et Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) pour une excellente assistance technique.

Materials

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).
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Referencias

  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. Petkov, G., Ivanova, A., Iliev, I., Vaseva, I. A critical look at the microalgae biodiesel. Eur. J. Lipid Sci. 114 (2), 103-111 (2012).
  6. van Beilen, J. B. Why microalgal biofuels won’t save the internal combustion engine. Biofuels, Bioprod. Biorefin. 4, 41-52 (2010).
  7. Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25 (3), 294-306 (2007).
  8. Wijffles, R. H., Barbosa, M. J. An outlook on microalgal biofuels. Science. 329, 796-799 (2010).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Prahl, F. G., Wakeham, S. G. Calibration of unsaturation patterns in long-chain ketone compositions for palaeotemperature assessment. Nature. 330, 367-369 (1987).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Prahl, F. G., Sparrow, M. A., Wolfe, G. V. Physiological impacts on alkenone paleothermometry. Paleoceanogaphy. 18 (2), 1025-1031 (2003).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Issariyakul, T., Dalai, A. K. Biodiesel production from greenseed canola oil. Energy Fuels. 24, 4652-4658 (2010).
  27. 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).
  28. Mercer, P., Armenta, R. E. Developments in oil extraction from microalgae. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 113 (5), 539-547 (2011).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Knothe, G. Dependence of biodiesel fuel properties on the structure of fatty acid alkyl esters. Fuel Process. Technol. 86, 1059-1070 (2005).
  32. 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).
  33. 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).

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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).
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