Detaillierte Beschreibung der Methoden für die Herstellung von Biodiesel präsentiert zusammen mit dem Co-Isolierung von Alkenone als wertvolle Nebenprodukte aus kommerziellen Isochrysis Mikroalge.
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.
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
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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.
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).
The authors have nothing to disclose.
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.
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). |