Kwalitatieve Karakterisering van de waterfractie van hydrothermale liquefactie van algen gebruiken 2D gaschromatografie met Time-of-flight massaspectrometrie

Summary

A two-dimensional gas chromatography-time-of-flight mass spectrometry method is described for characterization of the aqueous fraction of bio-crude produced from hydrothermal liquefaction of algae. This protocol can also be employed to analyze the aqueous fraction of liquid products from fast pyrolysis, catalytic fast pyrolysis, catalytic deoxygenation and hydro-treating.

Abstract

Tweedimensionale gaschromatografie gekoppeld aan time-of-flight massaspectrometrie is een krachtig hulpmiddel voor het identificeren en kwantificeren van chemische componenten in complexe mengsels. Het wordt vaak gebruikt om benzine, kerosine, diesel, biodiesel en de organische fractie van bio-ruwe / bio-olie te analyseren. In de meeste van deze analyses, de eerste dimensie van scheiding niet-polaire, gevolgd door een polair scheiding. De waterige fracties van bio-ruwe olie en andere waterige monsters uit de productie van biobrandstoffen zijn onderzocht met gelijkaardige kolom combinaties. Echter, monstervoorbereiding technieken zoals derivatisatie, oplosmiddelextractie, en vaste-fase-extractie waren noodzakelijk voorafgaand aan de analyse. In deze studie, waterige fracties verkregen uit de hydrothermische vloeibaar algen werden gekenmerkt door tweedimensionale gaschromatografie gekoppeld aan time-of-flight massaspectrometrie zonder voorafgaande staalvoorbereidingstechnieken behulp van een polair scheiding in de eerste dimensie gevolgddoor een niet-polaire scheiding in de tweede. Tweedimensionale plots van deze analyse werden vergeleken met die verkregen uit de meer traditionele kolomconfiguratie. Resultaten van kwalitatieve karakterisering van de waterfractie van algen bio-ruwe worden besproken. De voordelen van een polaire scheiding gevolgd door een niet-polair scheiding ter karakterisering van organische stoffen in waterige monsters door tweedimensionale gaschromatografie gekoppeld aan time-of-flight massaspectrometrie worden gemarkeerd.

Introduction

Gestage groei in de vraag naar vloeibare brandstoffen, eindige fossiele brandstoffen, de onzekerheid van de fossiele brandstoffen, en bezorgdheid over de toenemende concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer zijn wereldwijde bewustwording verhoogd voor hernieuwbare energiebronnen ^1. Zonne-energie (waaronder zonne-energie en zonne-thermische), windenergie, waterkracht, aardwarmte en biomassa zijn de primaire hernieuwbare bronnen die potentieel uit fossiele energie ² kunnen vervangen. Hiervan biomassa de enige koolstofhoudende alternatieve energiebron voor de productie van vloeibare transportbrandstoffen en hoogwaardige chemicaliën ^3. Biomassa omvat alle organisch materiaal zoals bossen, landbouw residuen, algen, oliehoudende zaden, vast stedelijk afval, en koolstof-rijke industrieel afval (bijvoorbeeld van de pulp- en papierindustrie of van voedselverwerking) ^1. Biomassa wordt ingedeeld in twee grote categorieën: lignocellulosische en niet-houtachtige grondstoffen op basis compositionele eigenschappen. Lignocellulose bestaat uit koolhydraten en lignine, terwijl niet-houtachtige grondstoffen hebben eiwitten, koolhydraten en vetten / oliën ^4. Lignocellulose grondstoffen, afkomstig van landplanten, kan alleen aan 30% van de huidige vloeibare brandstof (benzine, kerosine en diesel) de vraag of duurzaam geteeld en geoogst ^5,6. Vandaar niet-houtachtige levende micro-organismen, zoals algen en schimmels, worden beschouwd als potentiële grondstoffen voor de productie van duurzame vloeibare brandstoffen lignocellulosische middelen vullen.

Microalgen grondstoffen hebben het potentieel om te voldoen aan de huidige vloeibare transportbrandstoffen te eisen ^7,8. Algen hebben vele voordelen: hoge productiviteit areal ^8, het vermogen om te groeien in lage kwaliteit, brak of zeewater ^9, en de mogelijkheid om energierijke triglyceriden of koolwaterstoffen ^7,8 accumuleren. Hydrothermale liquefactie (HTL) is een levensvatbare en schaalbaar conVersie proces dat water op natuurlijke wijze geassocieerd met algen of aquatische grondstoffen ^10,11 gebruikt. Het is een thermo-chemische proces bedrijfstemperaturen van 250-400 ° C en werkdrukken van 10-25 MPa waarbij een vloeibaar product, of bio-ruwe olie, die kan worden uitgebreid tot een brandstofmengsel voorraad produceert. Bio-ruwe olie geproduceerd uit algen HTL heeft onderscheiden en eenvoudig te scheiden organische en waterige fracties. De organische fractie van bio-ruwe efficiënt worden omgezet in een raffinaderij klaar gemengde voorraad via katalytische hydro-behandeling ¹¹ processen. De waterfractie van bio-ruwe bevat ~ 30% van de totale koolstof in de grondstof algen. Hoewel duizenden verbindingen zijn geïdentificeerd in de HTL waterige stroom, de belangrijkste fracties uit lichtgewicht oxygenaten molecuulgewicht (waaronder zuren, alcoholen, ketonen en aldehyden) gevormd door de afbraak van koolhydraten en vetten en stikstof heterocyclische verbindingen (zoals pyrrolen, pyridinen , pyrazinees, en imidazolen), afkomstig van eiwitafbraak ^12. Studies over het gebruik van de waterige fractie totale proces economie verbeteren en duurzaamheid zijn gaande. Synthesegas kan worden geproduceerd uit de waterige fractie algen bio-ruwe via katalytische vergassing hydrothermische ^{10,13, 14.} Als alternatief, organische stoffen in de waterige fractie kan ook worden katalytisch omgezet in brandstof additieven en specialistische chemicaliën. Onderzoek op het optimaliseren van katalytische hydrothermale vergassing en katalysator screening studies voor het omzetten van organische stoffen in de waterige vloeistof fase is momenteel aan de gang in het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Voor dit werk, zowel kwalitatieve als kwantitatieve karakterisering van de waterfractie algen bio-ruwe vereist. Aangezien de waterfractie algen bio-ruwe product wordt beschouwd als een afvalstroom, er weinig studies die de waterfractie algen bio-ruwe ^13,15 geanalyseerd. Voorts blijkt uit recentestudies concludeerden dat het omzetten van deze HTL algen water in hoogwaardige bio-producten van de duurzaamheid, evenals de economie van een HTL-gebaseerde bio-raffinaderij ¹¹ zou verbeteren. Daarom is deze studie gericht op het ontwikkelen van een methode voor kwalitatieve karakterisering van de waterfractie van bio-ruwe verkregen HTL algen door tweedimensionale gaschromatografie gekoppeld aan time-of-flight massaspectrometrie (GC × GC-TOF-MS).

GC × GC-TOF-MS is de meest veelbelovende chromatografische analytische techniek resolutie (of scheiden van chemische verbindingen in een monster) te verhogen, piekvermogen (dwz het aantal gescheiden pieken), signaal-ruisverhouding (voor de identificatie van chemische verbindingen met hoge betrouwbaarheid) en co-elutie van chemische verbindingen ¹⁶ te voorkomen. Om de resolutie, piekvermogen, en signaal-ruisverhouding te maximaliseren, zijn twee GC-kolommen met verschillende stationaire fasen in serie geschakeld met behulp van een press-fit connector of micro-eenheid ¹⁷ (zie figuur 1 waarin een blokschema van GC × GC-TOF-MS systeem gebruikt in deze studie). Een modulator ligt tussen de press-fit connector en secundaire kolommen te vangen, te heroriënteren, en opnieuw injecteren van de mest uit de eerste kolom in de secundaire kolom ^18. Modulatie treedt op de secundaire kolom in deze studie zie figuur 1. De secundaire kolom wordt dan op de TOF-MS via een overdrachtsleiding samenstel.

GC × GC-TOF-MS werd vroeger gebruikt voor zowel kwalitatieve als kwantitatieve analyse van biologische monsters zoals ruwe olie ^16,19, benzine, jet-brandstof, diesel, bio-diesel, en de organische fractie van bio-brandstof ^{20- 22} geproduceerd thermochemische en thermo-katalytische omzetting processen ^23,24. Voor karakterisering van deze biologische monsters GC × GC-TOF-MS instrumenten, lange apolaire kolom wzoals gebruikt als de primaire kolom, terwijl een korte polaire kolom werd gebruikt als secundaire kolom. Deze conventionele kolomconfiguratie lost chemische verbindingen op basis van verschillen in vluchtigheid in de eerste dimensie, gevolgd door de polariteit in de tweede dimensie ^18. Waterige of water monsters van biologische processen, voedselverwerkende industrie, en milieu-afval werden ook gekenmerkt met vergelijkbare primaire / secundaire kolom configuraties nadat het monster was geweest door middel van de voorbereiding stappen ^17,25-30. Monstervoorbereiding technieken zoals derivatisatie, vaste-fase-extractie, en organische extractie-oplosmiddel zijn allemaal gebruikt Voordat de GC × GC-TOF-MS analyse ^{17,27-29,31,32.} Deze technieken waren gericht op de polariteit van verbindingen in het te analyseren monster met een gebruikelijke kolomconfiguratie ^33. Een alternatieve strategie werd in deze studie op basis van de aard van het monster (hier polaire organische verbindingen in water)gebruik te maken van het omgekeerde secundaire configuratie primaire / kolom voor GC × GC-TOF-MS analyse. Aangezien de waterfractie van biologisch geproduceerde ruwe HTL polaire verbindingen ^13, een kolom combinatie van een primaire polaire kolom en secundaire niet-polaire kolom werd gebruikt in de GC × GC-TOF-MS zonder upstream monstervoorbereiding. Deze primaire / combinatie secundaire kolom lost chemische verbindingen op basis van verschillen in de polariteit over de eerste dimensie, gevolgd door de volatiliteit in de tweede dimensie. Beperkt analysemethoden bestaan ​​in de literatuur voor de karakterisering van waterige monsters met behulp van tweedimensionale gaschromatografie zonder voorafgaande monster verwerking ^15.

Het doel van deze studie was om de chemische verbindingen in de waterfractie algen bio-ruwe bepalen. Om dit doel, een GC × GC-TOF-MS data-acquisitie-methode te bereiken werd ontwikkeld met een kolom combinatie van polaire kolom (primAry) × niet-polaire (secundaire). Klenn et al. (2015) gesuggereerd dat het verhogen van de lengte van de eerste kolom (60 m vooral GC kolommen) en het verlagen van de temperatuur compensatie van de secundaire kolom met betrekking tot de primaire kolom piekvermogen en oplossing ^16-18 zou maximaliseren. Daarom is een 60 m kolom primaire en 5 ° C offset temperatuur van de secundaire kolom ten opzichte van de eerste kolom werden gebruikt in deze studie. De optimale modulatie periode werd vastgesteld naar aanleiding van een protocol beschreven in deze studie (zie hoofdstuk 4). De optimale toenamesnelheid GC kolomtemperatuur werd bepaald door een proefondervindelijke methode en is vergelijkbaar met de waarde in de literatuur ^16-18 voorgesteld. De voordelen van deze kolom combinatie voor waterige monsters bespreken wij HTL algen watermonsters geanalyseerd met conventionele kolom combinatie van niet-polaire × polair. Operationele parameters in de literatuur aangehaald werden gebruikt voor de analyse van waterigefractie van algen bio-ruwe olie met een niet-polair × polaire kolom ¹⁸ combinatie.

Protocol

1. Monstervoorbereiding Genereer een gemengd waterig / organisch productstroom via continue stroom HTL algen volgens het reactorontwerp en experimentele procedure uit de literatuur 10,11. Gebruik zwaartekracht separator de productstroom te scheiden in een waterige fase en organische fase. Filter 10 ml van het LKP waterige fase met behulp van een 0,45 pm spuitfilter en bewaar in de koelkast voor GC × GC-TOF-MS analyse gehandhaafd op 4 ° C. 2. In…

Representative Results

Een totaal ionenchromatogram (TIC) verkregen voor de waterfractie algen bio-ruwe geanalyseerd met een kolom combinatie van polaire x apolair is weergegeven in figuur 4. De retentietijden en soortgelijkheid of matchfactor waarden bestanddelen wordt geïdentificeerd door te zoeken tegen een nationale Institute of Standards and Technology (NIST) bibliotheek zijn in tabel 1. oxygenaten (zoals cyclopenatanone, furanic verbindingen en dianhydromannitol) en org…

Discussion

Resultaten illustreren duidelijk het vermogen van de kolom combinatie van polaire x apolaire tot polaire verbindingen en licht vluchtige stoffen aanwezig in de waterige fractie algen bio-ruwe zonder voorafgaande monstervoorbereidingstechnieken lossen. Drastische piek tailing werd waargenomen voor organische zuren en N-verbindingen tijdens het gebruik van de niet-polaire × combinatie polaire kolom. Deze piek tailing werd niet waargenomen voor de vroege eluerende licht organische stoffen. Dit gedrag is reproduceerbaar is…

Materials

GC × GC – TOF/MS	Leco	PEG4D11DLN15	Commercial Pegasus 4D
ChromaTOF version 4.50	Leco		Data analysis software
Rxi-5MS GC column	Restek	13420	2.3 m column was used from this column.
Stabilwax GC column	Restek	10626
HP-5 GC column	Agilent	19091J-416
Stabilwax GC column	Restek	15121
Presstight Connector	Restek	20430
GC injector liner	Restek	23305.5
GC Injector ferrules	Agilent	5181-3323
Non-stick liner O-rings	Agilent	5188-5365
Transfer line ferrules	Restek	20212
Ethanol	Sigma-Aldrich	459844	Chromatography grade
Acetone	Sigma-Aldrich	414689	Chromatography grade
Acetic acid	Sigma-Aldrich	320099	Chromatography grade
2-butanone	Sigma-Aldrich	360473	Chromatography grade
Propanoic acid	Sigma-Aldrich	402907	Chromatography grade
Butanoic acid	Sigma-Aldrich	19215	Chromatography grade
Pyridine	Sigma-Aldrich	270970	Chromatography grade
Pyrazine	Sigma-Aldrich	65693	Chromatography grade
Acetamide	Sigma-Aldrich	695122	Chromatography grade
2,5-pyrrolididione	Sigma-Aldrich	S9381	Chromatography grade
N-methylsuccinimide	Sigma-Aldrich	325384	Chromatography grade
N-(2-hydroxyethyl)succinimide	Sigma-Aldrich	444073	Chromatography grade