Экспериментальный протокол для производства биодизеля с выделением Alkenones в копроизведениями из коммерческих<em> Isochrysis</em> Algal Биомасса
Summary
Подробные методы представлены для производства биодизельного топлива наряду с совместным выделением alkenones в качестве ценных побочных продуктов от коммерческого Isochrysis микроводорослей.
Abstract
Необходимость замены нефтяное топливо с альтернативными вариантами из возобновляемых и экологически более устойчивых источников приобретает все большее значение. Биомасса полученные виды биотоплива получили значительное внимание в этом отношении, однако первые поколения биотоплива из пищевых культур, таких как кукуруза этанол или биодизельного топлива из сои, как правило, в опале. Существует, таким образом, большой интерес к разработке методов производства жидкого топлива из внутренних и улучшенные непищевых источников. Здесь мы опишем подробную процедуру для получения очищенного биодизельного топлива из морской микроводоросли Isochrysis. Кроме того, уникальный набор липидов, известных как полиненасыщенных с длинными цепями alkenones изолированы параллельно, как это потенциально ценные побочные продукты, чтобы компенсировать стоимость производства биодизельного топлива. Multi-килограммовых количествах Isochrysis приобретены у двух коммерческих источников, один в качестве влажной пасты (80% воды) , который вначале высушивают перед обработкой, и ВЗее сухой измельченный порошок (95% в сухом состоянии). Липиды экстрагируют гексаном в аппарате Сокслета для получения водорослевого масла ( "гексан водорослевые масло") , содержащий как традиционные жиры (т.е., триглицериды, 46-60% вес / вес) и alkenones (16-25% вес / вес). Омыления триглицеридов в водорослевой масла позволяет разделения получаемых свободных жирных кислот (FFAs) от alkenone содержащих нейтральных липидов. FFAs затем преобразуются в биодизельное топливо (т.е. метиловых эфиров жирных кислот, FAMEs) путем катализируемой кислотой этерификации в то время как alkenones выделяют и очищают от нейтральных липидов путем кристаллизации. Показано , что биодизельное топливо из коммерческих биомасс Isochrysis имеют сходные , но не идентичные профили FAME, характеризуется повышенным содержанием полиненасыщенных жирных кислот (приблизительно 40% вес / вес). Урожайность биодизельного топлива была выше при запуске с влажной пасты Isochrysis (12% вес / вес против 7% вес / вес), которая может быть прослежена до меньших количеств гексана водорослевой О.И.л получается из порошкового продукта Isochrysis.
Introduction
Там в последнее время был большой всплеск интереса к биотоплива из водорослей, в частности , для производства жидких топлив , таких как биодизель 1 и другие масла , полученного из биологической массы. 2 Предлагаемые преимущества включают предотвращение определенных продуктов питания по сравнению с топливными спорами 3 и , по сообщениям высших продуктивностью и возможности CO 2 по предотвращению изменения климата по сравнению с традиционными сельскохозяйственными культурами. 4 Это соответствует почти 20 лет департамент Соединенных Штатов видов программы водной энергетики (ASP) началось в 1978 году с целью изучения транспортировки топлива из водорослей. Как отмечается в докладе Шихэна, 5 программа закончилась в 1996 году , в первую очередь потому , что прогнозируемые расходы не были конкурентоспособными с сырой нефтью в то время ($ 18,46 за баррель (159 л)). В то время как стоимость нефти резко возросла с тех пор ($ 87,39 за баррель в 2014 году) 6, который соединен с возрождением в водорослевой исследований биологического топлива, некоторые чпр утверждал , что , тем не менее водорослевые виды биотоплива окажется слишком дорогостоящей. 7 В качестве одной стратегии , чтобы компенсировать издержки производства биотоплива, понятие копроизведениями добавленной стоимостью стала как среди критиков 7,8 и сторонников 9,10 и функций в качестве одной из основных причин преследуя водорослевые биотоплива в Соединенных Штатах Министерства энергетики (DOE) "Национальный Водоросли биотопливо технологии дорожной карты". 11
Здесь мы опишем метод для копродукции двух отдельных потоков топлива от коммерческого Isochrysis микроводорослей. Мы сосредоточились на Isochrysis отчасти потому , что уже производится промышленно, собирают для целей марикультуры, а также потому , что Isochrysis является одним из немногих видов водорослей , которые в дополнение к традиционным липидов (т.е. жирные кислоты) biosynthesize уникальный класс соединения , известные как полиненасыщенных длинноцепочечных alkenones. 12 Alkenone структуры характеризуются очень л Ong углеводородные цепи (36-40 атомов углерода), от двух до четырех не-метилен прервала транс -double связи, и метил или этил кетон (рисунок 1). Alkenone ненасыщенности чувствительна к растущей температуры водорослей, 13,14 таким образом, что доля diunsaturated C37 метильной alkenone (так называемый "индекс ненасыщенности") может быть использован в качестве посредника для последних температуры поверхности моря 15 – 20 . Alkenones являются Считается , находятся в цитоплазматических липидных тел и может быть более обильным , чем триглицериды (СТП). 21,22 в атмосфере азота или фосфора ограничения, вплоть до 10-20% углерода клеток в стационарной фазе накапливается в alkenones. 23,24 с эволюционной точки зрения, alkenones , возможно, были предпочитать TAGs , потому что их транс -double геометрия связь обеспечивает более стабильную форму хранения энергии. 21
189fig1.jpg "/>
Рисунок 1. Структуры полиненасыщенных длинной цепью alkenones Общие alkenone метил 37: 3 . Изолировано от Isochrysis иллюстрирующих длинной углеводородной цепью длиной (36 – 40 атомов углерода), транс не-метилен прервала двойные связи, и оканчивающийся в метил или этил – кетона. Номенклатура подобен жирных кислот , где #: # относится к числу атомов углерода. Число двойных связей Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Мы полагаем , что alkenones представляют собой многообещающую возобновляемого сырья углерода из общего водорослей с историей промышленного выращивания. 25 Биодизель получают непосредственно из общего липидного экстракта Isochrysis содержит значительное количество (10-15% вес / вес) от alkenones и загрязнения эти соединения с высокой температурой плавления приводит к ухудшению свойств холодного потока топлива. Тем не менее, с помощью тон методики омыления / экстракции, описанные здесь, alkenones могут быть удалены и восстановлены тем самым улучшая качество биодизельного при производстве вторичного потока продукта. Недавно мы показали , превращение alkenones в качестве жидкого топлива путем перекрестного обмена с 2-бутена (butenolysis). 26 Реакция butenolysis использует коммерческий рутений метатезиса-инициатор, быстро происходит при низкой температуре, и чисто обеспечивает предсказуемую смесь топливо для реактивных двигателей диапазон углеводородов. Эта реакция осуществляется параллельно с синтезом биодизельного топлива из жирных кислот, представляющих первые шаги к "Biorefinery" подход 27 для коммерчески жизнеспособного производства биотоплива Isochrysis.
Protocol
Representative Results
Discussion
Isochrysis является одним из только выбрать количество видов водорослей разводимых промышленно, заготавливаемых в качестве основного компонента кормов моллюсками, и поэтому представитель в масштабах , необходимых для производства биотоплива. Наличие водорослей и используемых стандартных методов, используемых в данном исследовании, сделать протокол представлен широко доступными для других групп для дальнейших исследований. Критические шаги включают в себя сушку на воздухе водоросли (в отличие от лиофилизации 33), экстракции растворителем, омыление и этерификацию. С помощью этих операций можно исследовать выход липидов и других побочных продуктов от различных Isochrysis имеющихся 30. Предполагается , что они могут отличаться в результате различающихся штаммов и методов культивирования, 31 , а также может оказать влияние на характер продукта и какой – либо дополнительной обработки (например, сушки или замораживания) , используемых поставщиком. Как мы покажем здесь, протокол разработкиEd может быть успешно применен к различным видам продукции Isochrysis, начиная от влажной пасты до сухого размолотого порошка. Урожайность биодизельного топлива были ниже, однако из порошкообразной биомассы (7% вес / вес сухой биомассы VS. 12% вес / вес от высушенной пасты), что соответствует с меньшими количествами водорослевой масла (Н-АО) извлечено. Это может свидетельствовать о том , что альтернативный протокол экстракции 32, кроме Сокслета может быть лучше подходит для сухих измельченных Isochrysis продуктов. Порошок Isochrysis используемый в данном исследовании, рекламируется как содержащие 23-25% липиды, которые похожи на то , что мы экспериментально полученный из высушенного Isochrysis пасты. 33,34,26
Несмотря на различные цвета исходной сухой биомассы, изотопического паста-хао и Iso -порошковая-Hao были практически неразличимы, как темно – зеленый / вблизи черных тел с точками плавления приблизительно 50 ° С. Интересно отметить, что отношение FFAs к нейтральной губеИдентификаторы в течение двух экстрактов гексана разные. После того, как омыление и разделения нейтральных липидов, мы получили 60% (вес / вес) FFAs и 40% (вес / вес) нейтральных липидов из Iso -paste-Hao. Изотропизирует порошок-Hao производится в среднем 46% (вес / вес) FFAs и 54% (вес / вес) нейтральные липиды. Эти результаты свидетельствуют о том, что либо исходные порошкообразные биомасса может содержать более высокие количества нейтральных липидов по отношению к производным FA , чем пасты Isochrysis, или что экстракция Сокслета порошкообразного Isochrysis несколько селективным для нейтральных липидов.
Мало того, что выходы продуктов , полученных из двух коммерческих Isochrysis биомасс разные, но и профили жирных кислот в результате производства биодизельного топлива. Это важно, так как топливные свойства биодизель напрямую зависят от характера и содержания отдельных МЭЖК. 35 Для того, чтобы быть коммерческим, все биодизельное топливо должно соответствовать стандартам , описанным в ASTM документовD6751 или EN 14214 в США или Европе соответственно. Технические характеристики включают диапазоны для смазывающей способности и кинематической вязкости, а также минимальные значения цетанового числа и окислительной стабильности. Другие важные рекомендации относятся к свойствам холодного потока в виде облака точек (CP) или холодного фильтра точка закупорка (ПТФ). Ранее мы уже сообщали результаты от всесторонних испытаний топлива биодизельного топлива , полученного из изотропизирует пасты. 36 Поскольку профиль FAME биодизельного топлива производится из -порошковая Iso в данном исследовании, аналогичны тем , которые ранее испытания, мы можем предсказать некоторые свойства топлива , чтобы быть похожими для обоих биодизельного топлива. Например, полиненасыщенные жирные кислоты (PuFAMEs, более двух двойных связей) приходится около 40% обоих FAME смесей (35,2% и 39,9%, таблица 2). Это приведет к снижению устойчивости к окислению и благоприятной холодной потока. 35 Есть, однако, небольшие различия в FAME профилях двух biodieSEL топлива. Биодизель получают из порошкообразного Isochrysis содержал более высокое количество 14: 0 (19,4 мг / г против 16,4 мг / г), 18: 3 (13,5 мг / г по сравнению с 8,5 мг / г), и 22: 6 (11,0 мг / г против 6,9 мг / г) FAMEs, еще более низкие количества 18: 4 (10,4 мг / г против 19,8 мг / г). Степень влияния этих различий на различных свойств топлива, содержащихся в стандартах ASTM остается исследовать.
Первоначальный биодизель , полученный из обоих коммерческих Isochrysis водорослей было так же темно – зеленого цвета , который можно объяснить наличием хлорофиллов. 36 Хлорофилл и его производные, как сообщается, оказывают негативное влияние на стабильность растительных масел и их соответствующих биодизельного топлива. 36,29 на основе метода Issariyakul и Далай – ламы для обесцвечивать greenseed рапсовое масло в связи с производством биодизельного топлива, 29 помешивая наш зеленый биодизель более чем на 10% (вес / вес) MK10 при 60 ° с в течение 1 ч привело к резкомуснижение содержания пигмента путем визуального осмотра (см. рисунок 2). Массовые извлечения из процесса обесцвечивание были в среднем на 90%.
Урожайность очищенных alkenones из изотропизирует пасты-хао и изотропизирует порошковым Hao нейтральных липидов были сопоставимы на 40% и 46% вес / вес соответственно (таблица 1). Так как нейтральные липиды представляют собой большую долю материала , содержащегося в изотропизирует пороховой Hao (54% вес / вес по сравнению с 40% вес / вес), alkenone выход из изотропизирует порошка-Hao превышает изотропизирует пасты Hao выход alkenone примерно на 10% (25% вес / вес по сравнению 16% вес / вес). Однако, учитывая , что урожайность изотопического самого порошка-Hao были ниже , чем изотропизирует пасты-хао (15% против 20% вес / вес), общий выход alkenones из сухих биомасс Isochrysis больше похожи (0,2 х 0,4 х 0,4 = 3,2% вес / вес из высушенной Isochrysis пасты и 0,15 х 0,54 х 0,46 = 3,7% от Isochrysis порошка).
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (CHE-1151492), Северо-Западный Альянс Advanced Возобновляемые (общение Дж Wilson-Пельтье), а также через частные пожертвования от друзей WHOI. Мы благодарим Кевин Р. Steidley и Ким Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) за отличную техническую помощь.
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). |
References
- 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).
- 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).
- Tenenbaum, D. J. Food vs fuel: Diversion of crops could cause more hunger. Environ. Health Perspect. 116, 254-257 (2008).
- Pienkos, D. T., Darzins, A. The promise and challenges of microalgal-derived biofuels. Biofuels, Bioprod. Biorefin. 3 (4), 431-440 (2009).
- Petkov, G., Ivanova, A., Iliev, I., Vaseva, I. A critical look at the microalgae biodiesel. Eur. J. Lipid Sci. 114 (2), 103-111 (2012).
- van Beilen, J. B. Why microalgal biofuels won’t save the internal combustion engine. Biofuels, Bioprod. Biorefin. 4, 41-52 (2010).
- Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25 (3), 294-306 (2007).
- Wijffles, R. H., Barbosa, M. J. An outlook on microalgal biofuels. Science. 329, 796-799 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Prahl, F. G., Wakeham, S. G. Calibration of unsaturation patterns in long-chain ketone compositions for palaeotemperature assessment. Nature. 330, 367-369 (1987).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Prahl, F. G., Sparrow, M. A., Wolfe, G. V. Physiological impacts on alkenone paleothermometry. Paleoceanogaphy. 18 (2), 1025-1031 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Issariyakul, T., Dalai, A. K. Biodiesel production from greenseed canola oil. Energy Fuels. 24, 4652-4658 (2010).
- 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).
- Mercer, P., Armenta, R. E. Developments in oil extraction from microalgae. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 113 (5), 539-547 (2011).
- 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).
- 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).
- Knothe, G. Dependence of biodiesel fuel properties on the structure of fatty acid alkyl esters. Fuel Process. Technol. 86, 1059-1070 (2005).
- 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).
- 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).
