Protocollo sperimentale per produzione di biodiesel con isolamento di Alkenones come coprodotti da Commercial<em> Isochrysis</em> Biomassa algale
Summary
Metodi dettagliati sono presentati per la produzione di biodiesel con il co-isolamento alkenones come coprodotti preziosi microalghe commerciale Isochrysis.
Abstract
La necessità di sostituire i combustibili derivati dal petrolio con alternative da fonti rinnovabili ecosostenibili e più è di crescente importanza. biocarburanti derivati da biomassa hanno guadagnato una notevole attenzione a questo proposito, tuttavia biocarburanti di prima generazione da colture commestibili come l'etanolo di mais o di soia biodiesel sono in genere caduto in disgrazia. Vi è quindi grande interesse per lo sviluppo di metodi per la produzione di combustibili liquidi da fonti non commestibili domestici e superiori. Qui si descrive una procedura dettagliata per la produzione di un biodiesel purificato dalla microalga Isochrysis marino. Inoltre, una suite unica di lipidi polinsaturi conosciuti come alkenones a catena lunga sono isolati in parallelo, come coprodotti potenzialmente preziose per compensare i costi di produzione di biodiesel. Quantità Multi-chilogrammo di Isochrysis vengono acquistati da due fonti commerciali, uno come pasta umida (80% di acqua) che viene prima essiccati prima della lavorazione, e il otlei una polvere macinata secca (95% secco). I lipidi sono estratti con esano in un Soxhlet per produrre un olio algale ( "olio esano algale") contenente sia i grassi tradizionali (cioè, trigliceridi, 46-60% w / w) e alkenones (16-25% w / w). Saponificazione dei trigliceridi nel olio algale permette la separazione delle risultanti acidi grassi liberi (FFA) da lipidi neutri alkenone contenenti. FFAs vengono poi convertiti in biodiesel (ad esempio, acidi grassi esteri metilici, fames) per esterificazione l'acido-catalizzata mentre alkenones sono isolate e purificate dai lipidi neutri di cristallizzazione. Abbiamo dimostrato che il biodiesel da entrambe le biomasse commerciali Isochrysis hanno profili FAME simili ma non identici, caratterizzato da elevati contenuti di acidi grassi polinsaturi (circa il 40% w / w). I rendimenti di biodiesel sono stati costantemente più elevato quando a partire dalla pasta umida Isochrysis (12% w / w contro 7% w / w), che possono essere ricondotti a minori quantità di esano alghe oil ottenuto dal prodotto Isochrysis polvere.
Introduction
C'è stata recentemente una grande rinascita di interesse per biocarburanti da alghe, in particolare per la produzione di combustibili liquidi come il biodiesel 1 e altri oli derivati da biomassa. 2 vantaggi proposte comprendono la prevenzione di alcuni alimenti rispetto a controversie di carburante 3 e produttività riferito superiori e le capacità di CO 2 di mitigazione di colture agricole tradizionali. 4 Questo segue i quasi 20 anni United States Department of Aquatic Specie Programma di Energia (ASP) ha iniziato nel 1978 con lo scopo di indagare carburante per il trasporto dalle alghe. Come indicato nella relazione di Sheehan, 5 il programma si è concluso nel 1996, soprattutto a causa dei costi prospettati non erano competitivi con il petrolio greggio in quel momento ($ 18,46 al barile (159 L)). Mentre il costo del petrolio è aumentato drammaticamente da allora (87,39 $ al barile nel 2014) 6, che è collegato alla rinascita nella ricerca di biocarburanti algali, alcuni have sostenuto che comunque biocarburanti algali si rivelerà troppo costoso. 7 Come una strategia per compensare i costi di produzione di biocarburanti, la nozione di coprodotti a valore aggiunto è emerso sia tra i critici 7,8 e 9,10 proponenti e funzioni come una delle ragioni principali per perseguire biocarburanti algali del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE) "National algali biocarburanti Technology Roadmap". 11
Qui si descrive un metodo per la coproduzione di due flussi di combustibile separati da microalghe commerciale Isochrysis. Ci siamo concentrati su Isochrysis in parte perché è già prodotto industrialmente, raccolti per scopi di maricoltura, e anche perché Isochrysis è uno dei pochi specie di alghe che oltre ai lipidi tradizionali (ad esempio, acidi grassi) biosynthesize una classe unica di composti noto come polinsaturi alkenones catena lunga. 12 strutture Alkenone sono caratterizzati da l catene idrocarburiche ong (36-40 atomi di carbonio), da due a quattro non-metilene legami interrotti -double trans, e un metile o etile chetone (Figura 1). Alkenone insaturazione è sensibile alla temperatura crescente alghe, 13,14 tale che la proporzione del biinsaturo alkenone metil C37 (il cosiddetto "indice di insaturazione") può essere utilizzato come proxy temperature superficiali ultimi 15 -. 20 Alkenones sono pensato di risiedere in corpi lipidici citoplasmatici e può essere più abbondante di trigliceridi (TAG). 21,22 sotto azoto o la limitazione di fosforo, fino al 10-20% di carbonio delle cellule in fase stazionaria è accumulato come alkenones. 23,24 Dal punto di vista evolutivo, alkenones potrebbe essere stata favorita rispetto TAG perché la loro geometria trans legame -double fornisce una forma più stabile di immagazzinamento di energia. 21
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Figura 1. Strutture di polinsaturi alkenones a catena lunga alkenone Comune metile. 37: 3 isolati da Isochrysis esemplificando lunghezze di catena lunga di idrocarburi (36 – 40 atomi di carbonio), trans non metilene interrotti doppi legami, e che termina in un metile o etil chetone. Nomenclatura è simile agli acidi grassi dove #: # si riferisce a numero di atomi di carbonio:. Numero di doppi legami prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Noi sosteniamo che alkenones rappresentano una promettente materie prime rinnovabili di carbonio da un'alga comune con una storia di coltivazione industriale. 25 biodiesel prodotto direttamente dall'estratto lipidico totale di Isochrysis contiene una quantità significativa (10-15% w / w) di alkenones e contaminazione da questi composti ad alta fusione si traduce in scarse proprietà del combustibile di flusso freddo. Tuttavia, utilizzando tegli tecniche saponificazione / estrazione qui descritte, alkenones può essere rimosso e recuperato migliorando così la qualità biodiesel mentre produce una corrente di prodotto secondario. Recentemente abbiamo dimostrato la conversione di alkenones ad un combustibile liquido mediante cross-metatesi con 2-butene (butenolysis). 26 La reazione butenolysis impiega un rutenio commerciale di metatesi-iniziatore, avviene rapidamente a bassa temperatura, e pulito fornisce una miscela prevedibile di carburante idrocarburi gamma. Questa reazione viene effettuata in parallelo con la sintesi di biodiesel da acidi grassi, che rappresentano i primi passi verso un approccio di "bioraffineria" 27 per la produzione di biocarburanti Isochrysis commercialmente valido.
Protocol
Representative Results
Discussion
Isochrysis è uno di soltanto un ristretto numero di specie di alghe allevamento industriale, raccolte come componente primaria di mangimi crostacei, e quindi rappresentativo della scala necessaria per la produzione di biocarburanti. La disponibilità delle alghe utilizzate e metodi standard utilizzati in questo studio, rendono il protocollo presentato ampiamente accessibili ad altri gruppi per ulteriori indagini. Passaggi critici includono aria asciugare le alghe (al contrario di liofilizzazione di 33), estrazioni di solventi, di saponificazione, e esterificazione. Attraverso queste operazioni si può esaminare rese di lipidi e altri coprodotti dalla varie Isochrysis disponibili 30. Si prevede che questi possono differire a causa delle diverse tensioni e metodi di coltivazione, 31 e possono anche essere influenzato dalla natura del prodotto e ogni ulteriore trasformazione (ad esempio, essiccazione o congelamento) utilizzato dal fornitore. Come abbiamo dimostrato qui, il protocollo di sviluppareed può essere efficacemente applicato a diversi tipi di Isochrysis prodotti, che vanno da un impasto umido per una polvere macinata secca. I rendimenti di biodiesel erano comunque inferiore dalla biomassa polvere (7% w / w secco vs biomassa 12% w / w dalla pasta secca), che corrisponde con minori quantità di olio algale (h-AO) estratto. Questo può suggerire che un'alternativa protocollo di estrazione 32 diverso da un apparecchio Soxhlet può essere più adatto per prodotti secchi Isochrysis polvere. La polvere Isochrysis utilizzato in questo studio è pubblicizzato come contenente 23-25% di lipidi, che simile a quello che abbiamo ottenuto sperimentalmente dalla pasta secca Isochrysis. 33,34,26
Nonostante i diversi colori della biomassa a partire secca, la pasta Iso-Hao e Iso -powder-hao erano essenzialmente indistinguibili, sia di colore verde scuro / vicino solidi neri con punti di circa 50 ° C di fusione. È interessante notare che il rapporto di FFAs al labbro neutraids all'interno dei due estratti in esano era diverso. Dopo la saponificazione e separazione dei lipidi neutri, abbiamo ottenuto 60% (w / w) FFAs e 40% (w / w) lipidi neutri dal Iso -paste-hao. La Iso-polvere-hao ha prodotto in media il 46% (w / w) FFAs e il 54% (w / w) lipidi neutri. I risultati suggeriscono che oi partire biomassa polvere possono contenere una maggiore quantità di lipidi neutri relativi a derivati FA rispetto alla pasta Isochrysis, o che Soxhlet estrazione di polvere Isochrysis è alquanto selettivo per lipidi neutri.
Non solo le rese di prodotti ottenuti dai due Isochrysis commerciale biomasse diversa, ma anche i profili degli acidi grassi del biodiesel risultante. Questo è importante, in quanto le proprietà del carburante di un biodiesel sono direttamente dipendenti dalla natura e il contenuto dei singoli FAMEs. 35 per essere commercializzato, tutto il biodiesel deve essere conforme agli standard descritti nei documenti ASTMD6751 o EN 14214 rispettivamente negli Stati Uniti o in Europa. Le specifiche includono intervalli per lubrificante e viscosità cinematica, e valori minimi per numero di cetano e stabilità ossidativa. Altre importanti raccomandazioni sono legati alla proprietà di scorrimento a freddo sotto forma di una nuvola di punti (CP) o un filtro Punto di intorbidimento (CFPP). Abbiamo precedentemente riportato i risultati della sperimentazione di carburante completo di biodiesel preparata dalla pasta di Iso. 36 Dato che il profilo fama di biodiesel prodotto dalla -powder Iso in questo studio è simile a quelli precedentemente testato, possiamo prevedere alcune proprietà del carburante essere simili per entrambi i carburanti biodiesel. Per esempio, gli acidi grassi polinsaturi (PuFAMEs, più di due doppi legami) rappresentano circa il 40% di entrambe le miscele FAME (35,2% e 39,9%, Tabella 2). Ciò comporta una scarsa stabilità ossidativa e favorevole freddo flusso. 35 Vi sono, tuttavia, lievi differenze nei profili FAME dei due biodiecombustibili Sel. Biodiesel prodotto dalla polvere Isochrysis conteneva quantità maggiori di 14: 0 (19,4 mg / g vs 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g vs. 8,5 mg / g), e 22: 6 (11,0 mg / g vs. 6,9 mg / g) FAMEs, ancora minori quantità di 18: 4 (10,4 mg / g vs 19,8 mg / g). La portata dell'impatto di queste differenze sulle varie proprietà del carburante contenute nelle norme ASTM resta ancora da esplorare.
Il biodiesel iniziale ottenuto da entrambi commerciale Isochrysis alghe erano allo stesso modo di colore verde scuro, che può essere spiegato con la presenza di clorofilla. 36 clorofilla ei suoi derivati sono stati segnalati per avere un effetto negativo sulla stabilità degli oli vegetali e dei loro carburanti biodiesel corrispondenti. 36,29 sulla base del metodo di Issariyakul e Dalai per decolorante olio di canola greenseed in connessione con la produzione di biodiesel, 29 mescolando il biodiesel verde oltre il 10% (w / w) MK10 a 60 ° C per 1 ora determinato un drammaticoriduzione del contenuto di pigmento mediante ispezione visiva (rif. figura 2). recuperi di massa dal processo di decolorazione sono stati in media del 90%.
I rendimenti di alkenones purificati da Iso-pasta-hao e isobutano lipidi neutri polvere-hao erano paragonabili al 40% e il 46% w / w rispettivamente (Tabella 1). Dal momento che i lipidi neutri rappresentano una proporzione maggiore di materiale contenuto nel Iso-polveri-hao (54% w / w contro il 40% w / w), alkenone resa dalla Iso-polvere-hao supera la Iso-rendimento alkenone pasta-hao di circa il 10% (25% w / w vs. 16% w / w). Tuttavia, considerando che i rendimenti del Iso-polvere-hao si erano inferiori Iso-pasta-hao (15% vs. 20% w / w), i rendimenti complessivi di alkenones da entrambe le biomasse Isochrysis secchi sono più simili (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% w / w dalla pasta Isochrysis essiccati e 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% da Isochrysis polvere).
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation (CHE-1.151.492), il Nord-Ovest avanzata Renewables Alliance (borsa di studio di J. Wilson-Peltier), e attraverso una donazione privata da parte di amici di WHOI. Ringraziamo Kevin R. Steidley e Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) per un'eccellente assistenza tecnica.
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). |
Referencias
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