Qualitative Charakterisierung der wässrigen Fraktion von hydrothermale Verflüssigung von Algen mit Hilfe von 2D-Gaschromatographie mit Time-of-Flight Mass Spectrometry

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

Zweidimensionale Gaschromatographie gekoppelt mit time-of-flight-Massenspektrometrie ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Identifizierung und Quantifizierung von chemischen Komponenten in komplexen Mischungen. Es wird oft zu analysieren Benzin, Jet-Fuel, Diesel, Bio-Diesel und die organische Fraktion von Bio-Rohöl / Bio-Öl verwendet. In den meisten dieser Analysen ist die erste Dimension der Trennung unpolare, durch eine polare Trennung. Die wässrigen Fraktionen von Bio-Rohöl und andere wässrige Proben aus Biokraftstoffproduktion wurden mit ähnlichen Spaltenkombinationen untersucht. Jedoch Probenvorbereitungstechniken wie Derivatisierung, Lösungsmittelextraktion und Festphasenextraktion notwendig waren vor der Analyse. In dieser Studie wurden durch zweidimensionale Gaschromatographie wässrigen Fraktionen aus der hydrothermalen Verflüssigung von Algen gewonnen wurden, ohne vorherige Probenvorbereitungstechniken mit time-of-flight-Massenspektrometrie gekoppelt gekennzeichnet eine polare Trennung in der ersten Dimension verwendet, gefolgtdurch eine nicht-polare Trennung in der zweiten. Zweidimensionale Plots aus dieser Analyse wurden mit denen aus der traditionellen Säulenkonfiguration verglichen. Ergebnisse aus qualitative Charakterisierung der wässrigen Fraktionen von Algen bio-Rohöl werden ausführlich diskutiert. Die Vorteile der Verwendung eines polaren durch eine unpolare Trennung gefolgt Trennung zur Charakterisierung von organischen Stoffen in wässrigen Proben mittels zweidimensionaler Gaschromatographie gekoppelt mit time-of-flight-Massenspektrometrie werden hervorgehoben.

Introduction

Stetiges Wachstum in der Nachfrage nach flüssigen Brennstoffen, die Endlichkeit der fossilen Brennstoffe, die Unsicherheit der Versorgung mit fossilen Brennstoffen, und die Sorgen über die zunehmende Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre haben ¹ für nachwachsende Rohstoffe weltweit das Bewusstsein erhöht. Solarenergie (einschließlich der Photovoltaik und solarthermische), Windenergie, Wasserkraft, Geothermie und Biomasse sind die wichtigsten erneuerbaren Quellen , die möglicherweise mit fossilen Energieprodukt ² ersetzen könnte. Von diesen ist Biomasse die einzige Kohlenstoff basierende alternative Energiequelle für die Herstellung von flüssigen Kraftstoffen und hochwertige Chemikalien ^3. Biomasse umfasst alle organischen Material, wie Waldressourcen, landwirtschaftlichen Abfällen, Algen, Ölsaaten, feste Siedlungsabfälle und kohlenstoffreiche Industrieabfälle (zB aus der Zellstoff- und Papierindustrie oder der Lebensmittelverarbeitung) ^1. Biomasse wird in zwei Kategorien eingeteilt: Lignocellulose-und nicht-holzigen Einsatzstoffe auf Basis von comPositionscharakteristika. Lignocellulose – Biomasse besteht aus Kohlenhydraten und Lignin, während nicht-holzigen Einsatzstoffe haben Proteine, Kohlenhydrate und Lipide / Öle ^4. Lignocellulose – Einsatzmaterial, von terrestrischen Pflanzen gewonnen werden , können nur 30% der aktuellen flüssigen Kraftstoff (Benzin, Düsentreibstoff und Dieselkraftstoff) erfüllen die Nachfrage , wenn nachhaltig angebauten und geernteten ^5,6. Daher nicht holzigen Wasser Mikroorganismen wie Mikroalgen und Pilzen, werden als potenzielle Einsatzstoffe für die Produktion von erneuerbaren flüssigen Brennstoffen Lignocellulose-Ressourcen zu ergänzen.

Microalgae Einsatzmaterialien haben das Potenzial , zu aktuellen flüssigen Kraftstoffen verlangen ^7,8 erfüllen. Algen haben viele Vorteile: hohe Flächenproduktivität ^8, die Fähigkeit , in geringer Qualität, Brack- oder Meerwasser ^9, und die Fähigkeit zu wachsen ^7,8 energiereichen Triglyceride oder Kohlenwasserstoffe zu akkumulieren. Die hydrothermale Verflüssigung (HTL) ist eine praktikable und skalierbare conversion Prozess, der ^10,11 Wasser natürlich im Zusammenhang mit Algen oder Wassereinsatzstoffe verwendet. Es ist ein thermo-chemisches Verfahren mit Betriebstemperaturen von 250-400 ° C und Betriebsdrücke von 10-25 MPa, die ein flüssiges Produkt erzeugt, oder Bio-Rohöl, das in einer Kraftstoffmischkomponente aufgerüstet werden kann. Bio-Rohöl aus HTL von Algen produziert hat unterscheidbar und leicht trennbar organischen und wässrigen Fraktionen. Die organische Fraktion von Bio-Rohöl kann effizient durch katalytische Hydrobehandlungsverfahren ¹¹ in einer Raffinerie bereit Mischkomponente umgewandelt werden. Die wässrige Fraktion von Bio-Rohöl enthält ~ 30% der gesamten Kohlenstoff in der Beschickung Algen. Obwohl Tausende von Verbindungen in der HTL wässrigen Strom identifiziert wurde, bestehen die vorherrschende Fraktionen mit niedrigem Molekulargewicht Oxygenate (einschließlich Säuren, Alkohole, Ketone und Aldehyde) durch den Abbau von Kohlenhydraten gebildet und Lipiden und Stickstoffheterocyclen (einschließlich Pyrrole, Pyridine , pyrazinES und Imidazole) , abgeleitet von Proteinzersetzungs ^12. Studien über die wässrige Fraktion unter Verwendung von insgesamt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sowie die Nachhaltigkeit zu verbessern, sind im Gange. Synthesegas kann aus der wässrigen Fraktion von Algen bio-Rohöl durch katalytische hydrothermale Vergasung ^{10,13, 14} hergestellt werden. Alternativ organics in der wässrigen Fraktion auch katalytisch zur Kraftstoffadditive und Spezialchemikalien umgewandelt werden können. Forschung auf die katalytische hydrothermale Vergasung und Katalysator-Screening-Studien zur Umwandlung von organischen Stoffen in der wässrigen flüssigen Phase der Optimierung ist derzeit im Gange am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Für diese Arbeit wird sowohl qualitative als auch quantitative Charakterisierung der wässrigen Fraktion von Algen Bio-Rohöl erforderlich. Da die wässrige Fraktion von Algen bio-Rohöl ist ein Abfallstrom betrachtet, gibt es sehr wenige Studien, die die wässrige Fraktion von Algen bio-rohes ^13,15 analysiert. Außerdem jüngstenStudien zu dem Schluss , dass diese HTL Algen Wasser in hochwertige Bio-Produkte umzuwandeln , die Nachhaltigkeit sowie Wirtschaftlichkeit eines HTL-basierten Bioraffinerie ¹¹ verbessern würde. Deshalb fokussiert diese Studie ein Verfahren zur qualitativen Charakterisierung der wässrigen Fraktion von Bio-Rohöl aus HTL von Algen durch zweidimensionale Gaschromatographie gekoppelt mit time-of-flight-Massenspektrometrie (GC × GC-TOF-MS), erhalten auf die Entwicklung.

GC × GC-TOF-MS ist die vielversprechendste chromatographische analytische Technik Auflösung (oder Trennung von chemischen Verbindungen in einer Probe) zu erhöhen, Spitzenleistung (dh Anzahl der aufgelösten Peaks), Signal-Rausch – Verhältnis (zur Identifizierung von chemischen Verbindungen , mit hoher Konfidenz) und Co-Elution von chemischen Verbindungen ¹⁶ zu vermeiden. Um Auflösung, Spitzenleistung und das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren, zwei GC-Säulen mit verschiedenen stationären Phasen sind in Reihe mit einem Preßsitz c verbundenonnector oder Mikro-union ¹⁷ (siehe Abbildung 1 , die ein Blockdiagramm des GC × GC-TOF-MS – System in dieser Studie verwendet wird). Ein Modulator zwischen dem Presssitzanschluss und sekundären Säulen zu stoppen befindet, neu auszurichten und wieder injizieren die Abwässer aus der primären Säule in die zweite Säule ^18. Modulation tritt auf der Sekundärsäule in der vorliegenden Studie als in 1 gezeigt. Die sekundäre Säule dann in die TOF-MS über eine Übertragungsleitungsanordnung verbunden ist.

GC × GC-TOF-MS wurde zuvor für die qualitative und quantitative Analyse von organischen Proben wie Rohöl ^16,19, Benzin, Jet-Fuel, Diesel, Bio-Diesel, und der organische Anteil der Bio-Kraftstoff verwendet ^{20- 22} aus thermo-chemischen sowie thermo-katalytische Umwandlung verarbeitet ^23,24 hergestellt. Zur Charakterisierung dieser organischen Proben in GC × GC-TOF-MS-Instrumente, eine lange unpolaren Säule wwie als primäre Spalte verwendet, während eine kurze polare Säule als sekundäre Säule verwendet wurde. Diese herkömmliche Säulenkonfiguration löst chemische Verbindungen , basierend auf Unterschieden in Volatilität über der ersten Dimension, gefolgt von der Polarität in der zweiten Dimension ^18. Wässrige oder Wasserproben aus biologischen Prozessen, Lebensmittelverarbeitung und Umwelt Abfälle wurden charakterisiert auch mit ähnlichen Primär- / Sekundärspaltenkonfigurationen , nachdem die Probe war durch die Vorbereitung ^17,25-30 Schritte. Probenvorbereitungstechniken wie Derivatisierung, Festphasenextraktion und organischen Lösungsmittelextraktion wurden alle vor verwendet worden × GC-TOF-MS – Analyse ^{17,27-29,31,32} an GC. Diese Techniken wurden bei Verringerung der Polarität der Verbindungen in der Probe für die Analyse unter Verwendung einer herkömmlichen Spaltenkonfiguration ³³ ausgerichtet. Eine alternative Strategie wurde in dieser Studie verwendet auf der Grundlage der Art der Probe (hier polaren organischen Verbindungen in Wasser)Verwendung der umgekehrten primären / sekundären Säulenkonfiguration für GC × GC-TOF-MS-Analyse. Da der wässrigen Fraktion von Bio-Rohöl aus HTL hergestellten polaren Verbindungen ^13, eine Säulenkombination eines primären polaren Säule und einem sekundären unpolare Säule wurde im GC × GC-TOF-MS ohne vorgeschalteten Probenvorbereitung eingesetzt. Diese primäre / sekundäre Säulenkombination löst chemische Verbindungen auf Basis von Unterschieden in der Polarität über die erste Dimension, durch die Volatilität in der zweiten Dimension gefolgt. Begrenzte analytische Verfahren existieren in der Literatur für die Charakterisierung von wässrigen Proben unter Verwendung von zweidimensionalen Gaschromatographie ohne vorherige Probenaufbereitung ^15.

Das Ziel dieser Studie war es, die chemischen Verbindungen, die in der wässrigen Fraktion von Algen bio-Rohöl zu bestimmen. Um dieses Ziel zu erreichen, eine GC × GC-TOF-MS Datenerfassungsmethode wurde mit einer Säule Kombination von polaren Säule (prim entwickeltary) × unpolare (sekundär). Klenn et al. (2015) vorgeschlagen , dass die Länge der Primärsäule Erhöhung (insbesondere 60 m GC – Säulen) und Absenken des Offset – Temperatur der sekundären Säule in Bezug auf die Primärsäule Spitzenleistung zu maximieren würde und Auflösung ^16-18. Daher ist eine 60 m Primärsäule und 5 ° C Offset-Temperatur der sekundären Säule in Bezug auf die primäre Säule wurden in dieser Studie verwendet. Die optimale Modulationsperiode bestimmt wurde ein Protokoll in dieser Studie beschriebenen folgenden (siehe Abschnitt 4). Die optimale Anstiegsrate von GC Säulentemperatur wurde durch einen Versuch und Irrtum – Methode bestimmt und ist vergleichbar mit dem Wert in der Literatur vorgeschlagen ^16-18. Um die Vorteile dieser Säulenkombination für wässrige Proben diskutieren haben wir HTL Algen Wasserproben mit der herkömmlichen Säulenkombination aus unpolaren × polar analysiert. Betriebsparameter in der Literatur vorgeschlagen wurden zur Analyse der wässrigen eingesetztFraktion von Algen bio-Rohöl mit einem unpolaren × polaren Säulenkombination ^18.

Protocol

1. Probenvorbereitung Generieren eines gemischten wässrigen / organischen Produktstrom über eine kontinuierliche Strömung HTL von Algen nach dem Reaktordesign und experimentelle Verfahren in der Literatur 10,11 gefunden. Verwenden Sie einen Schwerkraftabscheider den Produktstrom in eine wässrige Phase und organische Phase zu trennen. Filter 10 ml der HTL wässrigen Phase unter Verwendung eines 0,45 & mgr; m Spritzenfilter und im Kühlschrank bei 4 ° C für GC × GC-TOF-…

Representative Results

Insgesamt Ionenchromatogramm (TIC) für die wässrige Fraktion von Algen bio-Rohöl mit einer Säulenkombination polarer × unpolare ist in 4 gezeigt analysiert erhalten. Die Retentionszeiten und die Ähnlichkeit oder Übereinstimmung Faktorwerte der Verbindungen , die durch die Suche gegen Nationale identifiziert Institute of Standards and Technology (NIST) Bibliothek sind in Tabelle 1 tabelliert. Oxygenate (wie cyclopenatanone, Furanderivate und Dianhy…

Discussion

Ergebnisse veranschaulichen deutlich die Fähigkeit der Säule Kombination von polaren × unpolare ohne Techniken vor der Probenvorbereitung polaren Verbindungen und leichte flüchtige Stoffe in der wässrigen Fraktion von Algen bio-Rohöl zu lösen. Drastische Peaktailing wurde für organische Säuren und N-Verbindungen beobachtet, während die nicht-polare × polaren Säulenkombination verwendet wird. Dieser Peaktailing wurde nicht für den früh eluierenden Licht organischen Substanzen beobachtet. Dieses Verhalten 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