Kvalitativ Karakterisering av den vandige fraksjon fra Hydrothermal kondensering av Alger Bruke 2D gasskromatografi med Time-of-flight massespektrometri

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

To-dimensjonal gasskromatografi kombinert med time-of-flight massespektrometri er et kraftig verktøy for å identifisere og kvantifisere kjemiske komponenter i komplekse blandinger. Det er ofte brukt til å analysere bensin, jetdrivstoff, diesel, biodiesel, og den organiske fraksjon av bio-råolje / bio-olje. I de fleste av disse analyser, den første dimensjonen av separasjon er ikke-polar, etterfulgt av et polart separasjon. De vandige fraksjoner av bio-olje og andre vandige prøver fra biodrivstoff produksjonen er kontrollert med liknende kolonnekombinasjoner. Imidlertid, prøveprepareringsteknikker slik som derivatisering, oppløsningsmiddelekstraksjon, og fast-fase ekstraksjon var nødvendige før analyse. I denne studien ble vandige fraksjoner oppnådd fra den hydrotermiske flytendegjøring av alger, karakterisert ved to-dimensjonal gasskromatografi kombinert med time-of-flight massespektrometri uten forutgående prøveprepareringsteknikker ved bruk av et polart separasjon i den første dimensjonen, etterfulgtav en ikke-polar separasjon i det andre. Todimensjonale plottene fra denne analysen ble sammenlignet med de som ble oppnådd fra de mer tradisjonelle kolonnekonfigurasjon. Resultater fra kvalitativ karakterisering av de vandige fraksjoner av alge bio-råolje er diskutert i detalj. Fordelene med å bruke et polart separasjon etterfulgt av en ikke-polar separasjon for karakterisering av organiske stoffer i vandige prøver ved to-dimensjonal gasskromatografi kombinert med time-of-flight massespektrometri er uthevet.

Introduction

Jevn vekst i etterspørselen etter flytende drivstoff, begrensede fossile ressurser, usikkerhet av fossilt drivstoff forsyninger og bekymring over den økende konsentrasjonen av klimagasser i atmosfæren har økt global bevissthet for fornybare ressurser ^1. Solenergi (inkludert solceller og solvarme), vindkraft, vannkraft, jordvarme, og biomasse er de viktigste fornybare kilder som potensielt kan erstatte fossil-avledet energi ^to. Av disse er biomasse den eneste karbonbasert alternativ energikilde for produksjon av flytende transport drivstoff og høy verdi kjemikalier ^3. Biomasse inneholder noe organisk materiale som for eksempel skogressurser, landbruksrester, alger, oljefrø, kommunalt avfall, og karbonrike industriavfall (for eksempel fra treforedlingsindustrien eller fra matfag) ^1. Biomasse er klassifisert i to hovedkategorier: lignocellulose og ikke-treaktige råstoff basert på composisjonelle egenskaper. Lignocelluloseholdig biomasse består av karbohydrater og lignin, mens ikke-treaktige utgangsmaterialer har proteiner, karbohydrater og fett / oljer ^4. Lignocellulose råmaterialer, som stammer fra terrestriske planter, kan bare tilfredsstille 30% av dagens flytende drivstoff (bensin, jetdrivstoff, og diesel) spurt om bærekraftig dyrket og høstet ^5,6. Derfor, ikke-treaktige akvatiske mikroorganismer, slik som mikroalger og sopp, anses mulige råmaterialer for produksjon av fornybare flytende brennstoffer for å komplettere lignocellulose ressurser.

Mikroalger råstoff har potensial til å tilfredsstille dagens flytende transport brensel krever ^7,8. Alger har mange fordeler: høy produktivitet areal ^8, evnen til å vokse i lav-kvalitet, brakkvann eller sjøvann ^9, og evnen til å akkumulere energitette triglyserider eller hydrokarboner ^7,8. Hydrotermale kondense (HTL) er en levedyktig og skalerbar conversjonen prosess som utnytter vannet naturlig forbundet med alge eller akvatiske råstoff ^10,11. Det er en termo-kjemisk prosess med en driftstemperatur på 250-400 ° C og driftstrykk på 10-25 MPa som produserer et flytende produkt, eller bio-råolje, som kan bli oppgradert i en drivstoffblanding lager. Bio-olje produsert fra HTL av alger har skjelnes og lett å skille organiske og vandige fraksjoner. Den organiske fraksjon av bio-råolje kan effektivt omdannes til et raffineri klar blanding lager via katalytiske hydrobehandlingsprosesser ^11. Den vandige fraksjon av bio-råolje inneholder ~ 30% av det totale karbon som er tilstede i råstoffet alger. Selv om tusenvis av forbindelser har blitt identifisert i HTL vandige strøm, den dominerende fraksjonene består av lavmolekylære oksygenater (inkludert syrer, alkoholer, ketoner og aldehyder) som dannes ved nedbrytning av karbohydrater og lipider, og nitrogenheterosykliske forbindelser (inkludert pyrroler, pyridiner , pyrazines og imidazoler) avledet fra protein nedbrytning ^12. Studier på bruk av vannfraksjonen for å forbedre den generelle prosess økonomi samt bærekraft er pågående. Syntesegass kan fremstilles fra den vandige fraksjon av alger bio-råolje via katalytisk hydrotermisk forgassing ^{10,13, 14.} Alternativt organisk materiale i vannfraksjonen kan også katalytisk omdannes til drivstoff tilsetningsstoffer og spesialkjemikalier. Forskning på å optimalisere katalytiske hydrotermale gassifisering og katalysator screeningstudier for konvertering av organisk i den vandige væskefase pågår nå på Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Til dette arbeidet både kvalitative og kvantitative karakterisering av den vandige fraksjon av alger bio-råolje kreves. Siden den vandige fraksjon av alger bio-olje regnes som en avfallsstrømmen, er det svært få studier som har analysert den vandige fraksjon av alger bio-olje ^13,15. Videre sistestudier konkluderte med at konvertering dette HTL alger vann inn høyverdige bio-produkter ville forbedre bærekraft samt økonomi av en HTL-baserte bio-raffineriet ^11. Derfor er denne studien fokusert på å utvikle en metode for kvalitativ karakterisering av den vandige fraksjon av bio-råolje erholdt fra HTL av alger ved todimensjonal gasskromatografi kombinert med time-of-flight massespektrometri (GC x GC-TOF-MS).

GC x GC-TOF-MS er den mest lovende kromatografisk analytisk teknikk for å øke oppløsningen (eller separasjon av kjemiske forbindelser i en prøve), topp kapasitet (dvs. antall oppløste topper), forholdet signal-til-støy (for identifisering av kjemiske forbindelser med høy sikkerhet), og for å unngå co-eluering av kjemiske forbindelser ^16. For å maksimere oppløsning, maksimal kapasitet, og signal-til-støy-forhold, er to GC-kolonner med forskjellige stasjonære faser er koblet i serie ved hjelp av en presspasning connector eller mikro-union ¹⁷ (se figur 1 som er et blokkdiagram av GC x GC-TOF-MS-system anvendt i denne studien). En modulator ligger mellom presstilpasset kontakt og sekundære spalter for å felle, refokusere, og re-injisere strømmene fra primærkolonnen inn i den sekundære kolonnen ^18. Modulasjon oppstår på den sekundære kolonnen i den foreliggende undersøkelse, som vist i figur 1. Den sekundære kolonnen blir deretter koblet til TOF-MS via en overføringslinje sammenstillingen.

GC x GC-TOF-MS ble benyttet tidligere for kvalitativ og kvantitativ analyse av organiske prøver slik som råolje ^16,19, bensin, jet-drivstoff, diesel, biodiesel, og den organiske fraksjon av bio-brennstoff ^{20- 22} produsert fra termo-kjemisk så vel som termo katalytiske omdannelsesprosesser ^23,24. For karakterisering av disse organiske prøver i GC × GC-TOF-MS instrumenter, en lang non-polar kolonne wsom brukes som primærkolonnen, mens en kort polart kolonne ble anvendt som det sekundære kolonnen. Denne konvensjonelle kolonnekonfigurasjon løser kjemiske forbindelser basert på forskjeller i flyktighet enn den første dimensjonen, etterfulgt av polariteten i den andre dimensjon ^18. Vandige eller vannprøver fra biologiske prosesser, matvareindustrien og miljø avfall ble også preget med lignende primære / sekundære kolonnekonfigurasjonen etter at prøven hadde vært gjennom forberedelse trinn ^17,25-30. Prøveopparbeidelses teknikker som derivatisering, fast-fase ekstraksjon og organisk løsemiddel utvinning har alle blitt brukt før GC × GC-TOF-MS analyse ^{17,27-29,31,32.} Disse teknikkene ble rettet mot å redusere polariteten av forbindelser i prøven for analyse ved hjelp av en konvensjonell kolonne konfigurasjon ^33. En alternativ strategi ble anvendt i denne studie basert på beskaffenheten av prøven (her polare organiske forbindelser i vann)utnytte den omvendte primær / sekundær kolonne konfigurasjon for GC × GC-TOF-MS analyse. Siden den vandige fraksjon av bio-råolje produsert fra HTL har polare forbindelser ^13, ble en kolonne kombinasjon av en primær polar kolonne og en sekundær ikke-polar kolonnen som brukes i GC x GC-TOF-MS uten oppstrøms prøvepreparering. Dette primær / sekundær kolonne kombinasjon løser kjemiske forbindelser basert på forskjeller i polaritet enn den første dimensjonen, etterfulgt av volatilitet i den andre dimensjonen. Begrenset analytiske metoder finnes i litteraturen for karakterisering av vandige prøver ved hjelp av to-dimensjonale gasskromatografi uten forutgående prøvebehandling ^15.

Målet med denne studien var å bestemme de kjemiske forbindelser som er tilstede i den vandige fraksjon av alger bio-råolje. For å oppnå dette målet, en GC × GC-TOF-MS datainnsamling metoden ble utviklet med en kolonne kombinasjon av polar kolonne (primær) × upolare (sekundær). Klenn et al. (2015) foreslått at ved å øke lengden av primærkolonnen (spesielt 60 m GC-kolonner) og senke temperaturen forskyvning av den sekundære kolonnen med hensyn til den primære kolonne ville maksimere topp kapasitet og oppløsningen ^16-18. Derfor er en 60 m primærkolonnen og 5 ° C temperatur forskyvning av den sekundære kolonnen med hensyn til den primære kolonne ble anvendt i denne studien. Den optimale modulasjon perioden ble bestemt etter en protokoll som er beskrevet i denne studien (se pkt 4). Den optimale rampehastighet på GC-kolonnetemperaturen ble bestemt ved en prøve og feile-metoden, og er lik den verdien som foreslås i litteraturen ^16-18. For å diskutere fordelene ved denne kolonnen kombinasjonen for vandige prøver har vi analysert HTL alger vannprøver med den konvensjonelle kolonne kombinasjonen av ikke-polare x polare. Driftsparametere foreslått i litteraturen, ble anvendt for å analysere den vandigefraksjon av alge bio-råolje med en ikke-polar x polar kolonne kombinasjon ^18.

Protocol

1. Prøvepreparering Generer et blandet vandig / organisk produktstrøm via kontinuerlig strøm HTL av alger i henhold til reaktorkonstruksjon og eksperimentelle fremgangsmåte finnes i litteraturen 10,11. Bruke en tyngdekraft-separator for å separere produktstrømmen inn i en vandig fase og organisk fase. Filter 10 ml av HTL vannfasen ved hjelp av en 0,45 mikrometer sprøyte filter og oppbevar i kjøleskap opprettholdt ved 4 ° C i GC × GC-TOF-MS analyse. <p class="…

Representative Results

En total ion-kromatogram (TIC) oppnådd for den vandige fraksjon av alger bio-råolje analysert med en kolonne kombinasjon av polare x ikke-polar, er vist i figur 4. Retensjonstider og likheten eller kamp faktorverdier på forbindelser som er identifisert ved å søke mot en National Institute of Standards and Technology (NIST) bibliotek er oppført i tabell 1. Oksygen (som cyclopenatanone, furanic forbindelser og dianhydromannitol) og organiske syrer (i…

Discussion

Resultatene illustrerer klart evnen til kolonnen kombinasjon av polare x ikke-polar til å løse den polare forbindelser og lett flyktige stoffer som er tilstede i den vandige fraksjon av alger bio-olje uten forutgående prøveprepareringsteknikker. Drastiske topp tailing ble observert for organiske syrer og N-forbindelser, mens ved hjelp av den ikke-polare x polar kolonne kombinasjon. Denne toppen tailing ble ikke observert i de tidlige eluerte lette organiske. Denne virkemåten har vært reproduserbar ved verifisering…

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