Métodos pormenorizados são apresentados para a produção de biodiesel, juntamente com o co-isolamento de alkenones como co-produtos valiosos a partir de microalgas Isochrysis comercial.
A necessidade de substituir combustíveis derivados do petróleo com alternativas de fontes ambientalmente sustentáveis renováveis e mais é de importância crescente. biocombustíveis derivados de biomassa ganharam uma atenção considerável a este respeito, no entanto primeira geração de biocombustíveis a partir de culturas alimentícias, como o etanol de milho ou biodiesel de soja, em geral, caído em desuso. Existe assim um grande interesse no desenvolvimento de métodos para a produção de combustíveis líquidos a partir de fontes não comestíveis domésticos e de qualidade superior. Aqui descrevemos um procedimento pormenorizado para a produção de um biodiesel purificado a partir do Isochrysis microalgas marinhas. Além disso, um conjunto único de lipídios conhecido como alkenones poliinsaturados de cadeia longa são isolados em paralelo como co-produtos potencialmente valiosos para compensar o custo de produção de biodiesel. Quantidades multi-quilograma de Isochrysis são comprados a partir de duas fontes comerciais, um como um colar húmida (80% de água) que é primeiro secas antes do processamento e do ot-lhe um pó moído seco (95% seco). Os lípidos são extraídos com hexano, num aparelho de Soxhlet para produzir um óleo de algas ( "óleo hexano algas") contendo ambas as gorduras tradicionais (isto é, triglicéridos, 46-60% w / w) e alkenones (16-25% w / w). A saponif icação dos triglicéridos no óleo de algas permite a separação dos ácidos gordos livres resultantes (FFAs) de lípidos neutros contendo alkenone. FFAs são, em seguida, convertido em biodiesel (isto é, ésteres metílicos de ácidos gordos, FAMEs) por esterificação catalisada por ácido enquanto alkenones são isoladas e purificadas a partir dos lípidos neutros por cristalização. Nós demonstramos que o biodiesel a partir de ambas as biomassas Isochrysis comerciais têm perfis FAME semelhantes, mas não idênticas, caracterizado por o conteúdo de ácidos gordos poli-insaturados elevados (cerca de 40% w / w). Os rendimentos de biodiesel foram consistentemente mais elevados quando se inicia a partir da pasta molhada Isochrysis (12% w / w vs 7% w / w), que podem ser rastreados para reduzir quantidades de oi hexano algasl obtido a partir do produto Isochrysis em pó.
Recentemente, tem havido um grande ressurgimento do interesse em biocombustíveis a partir de algas, especialmente para a produção de combustíveis líquidos como o biodiesel 1 e outros óleos derivados da biomassa. 2 benefícios propostas incluem a prevenção de certos alimentos versus combustíveis controvérsias 3 e produtividades supostamente mais elevados e capacidades de CO 2 de mitigação do que as culturas agrícolas tradicionais. 4 Isto segue a quase 20 anos do Departamento de Espécies Programa Aquático de Energia (ASP) dos Estados Unidos começou em 1978 com a finalidade de investigar combustível de transporte a partir de algas. Conforme descrito no relatório do Sheehan, 5 o programa terminou em 1996, principalmente porque os custos projetados não eram competitivos com o petróleo bruto na época ($ 18,46 por barril (159 L)). Enquanto o custo do petróleo tem aumentado dramaticamente desde então ($ 87,39 por barril em 2014) 6, que está ligado ao renascimento na pesquisa em biocombustíveis de algas, alguns hav argumentou que, no entanto, os biocombustíveis de algas irá revelar-se demasiado dispendiosa. 7 Como uma estratégia para compensar os custos de produção de biocombustíveis, a noção de co-produtos de valor agregado surgiu entre ambos os críticos e defensores 7,8 9,10 e características como uma das principais razões para perseguir os biocombustíveis de algas no Departamento de Energia dos EUA (DOE) "Technology Roadmap de algas biocombustíveis Nacional". 11
Descrevemos aqui um método para a co-produção de duas correntes separadas de combustível a partir de microalgas Isochrysis comercial. Temos nos concentrado em Isochrysis em parte porque ele já é produzido industrialmente, colhido para fins de maricultura, e também porque Isochrysis é um dos apenas algumas espécies de algas que, além de lipídios tradicionais (ou seja, ácidos graxos) biossintetizam uma única classe de compostos conhecidos como alkenones de cadeia longa poli-insaturados. 12 Alkenone estruturas são caracterizadas por muito L cadeias de hidrocarbonetos ong (36-40 átomos de carbono), de duas a quatro não de metileno interrompidas ligações duplas trans, e uma cetona ou metil etil (Figura 1). Alkenone insaturação é sensível à temperatura de cultivo de algas, 13,14 de tal forma que a proporção do di-insaturado alkenone metil C37 (o chamado "índice de insaturação") pode ser usado como um substituto para as temperaturas da superfície do mar no passado. 15 – 20 são Alkenones pensado para residir em corpos lipídicos citoplasmáticos e pode ser mais abundantes do que os triglicéridos (tags). 21,22 Sob azoto ou limitação de fósforo, de até 10-20% de carbono de células em fase estacionária é acumulada como alkenones 23,24. de uma ponto de vista evolutivo, alkenones pode ter sido favorecido em detrimento de TAGs porque a sua trans geometria vínculo -duplo fornece uma forma mais estável de armazenamento de energia. 21
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Figura 1. Estruturas de poli-insaturados de cadeia longa alkenones alkenone comum de metilo. 37: 3 isoladas a partir de Isochrysis exemplificando comprimentos de cadeia longa de hidrocarboneto (36 – 40 átomos de carbono), não de metileno interrompidas ligações duplas trans, e que termina num grupo metilo ou etil-cetona. Nomenclatura é similar aos ácidos graxos onde #: # se refere a número de carbonos:. Número de ligações duplas Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Argumentamos que alkenones representam uma matéria-prima renovável de carbono promissor de uma alga comum com a história do cultivo industrial. 25 Biodiesel produzido directamente a partir do extrato de lipídeos totais de Isochrysis contém uma quantidade significativa (10-15% w / w) de alkenones e contaminação por estes compostos de alto ponto de fusão resulta em má propriedades do combustível de fluxo frio. No entanto, usando tele técnicas de saponificação / extracção descritos aqui, alkenones pode ser removido e recuperado melhorando assim a qualidade de biodiesel, produzindo uma corrente de produto secundário. Recentemente, demonstrou a conversão de alkenones para um combustível líquido por metátese cruzada com 2-buteno (butenolysis). 26 A reacção butenolysis emprega um ruténio comercial metátese-iniciador, ocorre rapidamente a baixa temperatura, e de forma limpa proporciona uma mistura previsível de combustível de jacto hidrocarbonetos alcance. Esta reacção é realizada em paralelo com a síntese de biodiesel a partir de ácidos gordos, que representa os primeiros passos para uma abordagem "biorrefinaria" 27 para a produção de biocombustíveis Isochrysis comercialmente viável.
Isochrysis é uma de apenas um número restrito de espécies de algas cultivadas industrialmente, colhidos como um componente principal de alimentação de marisco, e, portanto, representativas da escala necessária para a produção de biocombustíveis. A disponibilidade das algas utilizadas e métodos convencionais empregados neste estudo, fazer o protocolo apresentado amplamente acessível a outros grupos para novas investigações. As etapas críticas incluem-ar de secagem a algas (em oposição a liofilização 33), extracções de solvente, saponif icação, e esterificação. Através destas operações pode-se examinar os rendimentos de lipídios e outros co-produtos provenientes dos diversos Isochrysis disponíveis 30. Prevê-se que estes podem diferir como resultado de diferentes estirpes e métodos de cultura, 31 e pode também ser influenciado pela natureza do produto e qualquer processamento adicional (por exemplo, de secagem ou de congelação) utilizada pelo fornecedor. Como demonstramos aqui, o protocolo de desenvolverEd pode ser aplicado com sucesso para diferentes tipos de produtos Isochrysis, que varia a partir de uma pasta molhada com a forma de um pó moído seco. Os rendimentos foram de biodiesel no entanto inferior a partir da biomassa em pó (7% w / w vs biomassa seca de 12% w / w da pasta seca), o qual corresponde com menores quantidades de óleo de algas (H-AO) extraída. Isto pode sugerir que um protocolo de extracção alternativa 32 que não seja um aparelho de Soxhlet podem ser mais adequados para produtos em pó secos Isochrysis. O pó Isochrysis utilizado neste estudo é anunciado como contendo 23-25% de lipídios, que semelhante ao que temos experimentalmente obtidos a partir de pasta de Isochrysis seca 33,34,26.
Apesar das diferentes cores da biomassa seca de partida, a Iso- paste-Hao e Iso -Pó-Hao eram essencialmente indistinguíveis, tanto verde escuro / near sólidos pretos com pontos de fusão de aproximadamente 50 ° C. Curiosamente, a proporção de FFAs ao lábio neutroids dentro dos dois extractos de hexano foi diferente. Após saponificação e separação dos lípidos neutros, obteve-se 60% (w / w) FFAs e 40% (w / w) de lípidos neutros da Iso–paste HAO. O pó Iso–Hao produziu, em média, 46% (w / w) FFAs e 54% (w / w) lípidos neutros. Os resultados sugerem que tanto a biomassa em pó de partida podem conter quantidades mais elevadas de lípidos neutros em relação aos derivados de FA do que a pasta de Isochrysis, ou que de Soxhlet de extracção de Isochrysis em pó é mais selectiva para lípidos neutros.
Não só os rendimentos dos produtos obtidos a partir dos dois Isochrysis comercial biomassas diferente, mas também os perfis de ácidos gordos do biodiesel resultante. Isso é importante, como as propriedades de combustível de um biodiesel são directamente dependentes da natureza e conteúdo do EMAGs individuais. 35 a ser comercializado, todo o biodiesel deve estar em conformidade com as normas descritas na ASTM documentosD6751 ou EN 14214 em os EUA ou na Europa, respectivamente. As especificações incluem intervalos para lubrificação e viscosidade cinemática, e valores mínimos para o índice de cetano e estabilidade oxidativa. Outras recomendações importantes estão relacionados com propriedades de fluxo a frio, sob a forma de um ponto de nuvem (CP) ou ponto de entupimento do filtro a frio (CFPP). Temos relatado anteriormente os resultados do teste de combustível abrangente de biodiesel preparado a partir de pasta de Iso-. 36 Uma vez que o perfil FAME de biodiesel produzido a partir da -Pó Iso neste estudo é similar aos previamente testado, podemos prever certas propriedades do combustível a ser semelhante para ambos os combustíveis de biodiesel. Por exemplo, os ácidos gordos poli-insaturados (PuFAMEs, mais do que duas ligações duplas) são responsáveis por aproximadamente 40% de ambas as misturas de FAME (35,2% e 39,9%, Tabela 2). Isto irá resultar em estabilidade oxidativa fraca e do fluxo a frio favorável. 35 Há, no entanto, as ligeiras diferenças nos perfis fama dos dois biodiecombustíveis sel. O biodiesel produzido a partir do pó Isochrysis continham quantidades mais elevadas de 14: 0 (19,4 mg / g versus 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g versus 8,5 mg / g), e 22: 6 (11,0 mg / g vs 6,9 mg / g) FAMEs, ainda quantidades menores de 18: 4 (10,4 mg / g versus 19,8 mg / g). A extensão do impacto dessas diferenças sobre as várias propriedades do combustível contidas nas normas ASTM continua a ser investigado.
O biodiesel inicial obtido a partir de ambos comercial Isochrysis algas foram igualmente de cor verde escuro que pode ser explicado pela presença de clorofilas. 36 clorofila e seus derivados têm sido referidos como tendo um efeito negativo sobre a estabilidade dos óleos vegetais e seus combustíveis de biodiesel correspondentes. 36,29 com base no método de Issariyakul e Dalai para descolorante óleo de canola greenseed em conexão com a produção de biodiesel, 29 de agitação a biodiesel verde mais de 10% (w / w) MK10 a 60 ° C durante 1 h resultou numa dramáticaredução em teor de pigmento por inspecção visual (ref. Figura 2). recuperações de massa do processo de descoloração foram em média 90%.
Rendimentos de alkenones purificadas de Iso- paste-Hao e lipídios neutros pó-Hao iso eram comparáveis a 40% e 46% w / w, respectivamente (Tabela 1). Desde lipídios neutros representam uma proporção maior de material contido no Iso- pó-Hao (54% w / w vs. 40% w / w), alkenone rendimento do Iso- pó-Hao excede o rendimento Iso- alkenone paste-Hao em cerca de 10% (25% w / w vs 16% w / w). No entanto, considerando que os rendimentos da própria Iso- pó-Hao foram inferiores Iso- colar-Hao (15% vs 20% w / w), os rendimentos globais de alkenones de ambas as biomassas Isochrysis secos são mais semelhantes (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% w / w de pasta seca Isochrysis e 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% de Isochrysis pó).
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation (CHE-1151492), o Noroeste Avançada Renewables Alliance (comunhão com J. Wilson-Peltier), e através de uma doação privada de amigos de WHOI. Agradecemos a Kevin R. Steidley e Kim ASCHERL (USDA / ARS / NCAUR) para excelente assistência técnica.
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). |