Methoden worden voor de productie van biodiesel, samen met de co-isolatie van alkenones waardevolle coproducten van commerciële Isochrysis microalgen.
De noodzaak om stookolie te vervangen door alternatieven uit duurzame en ecologisch duurzame bronnen wordt steeds belangrijker. Biomassa afgeleide biobrandstoffen hebben veel aandacht gekregen in dit verband hebben echter de eerste generatie biobrandstoffen uit eetbare gewassen zoals maïs ethanol of biodiesel uit sojabonen in het algemeen uit de gratie geraakt. Er is derhalve grote belangstelling voor de ontwikkeling van werkwijzen voor de productie van vloeibare brandstoffen uit binnen en superieure niet-eetbare bronnen. Hier een gedetailleerde procedure beschrijven we de productie van een gezuiverd biodiesel uit de mariene microalgen Isochrysis. Bovendien, een unieke reeks van lipiden, bekend als meervoudig onverzadigde langketenige alkenones worden geïsoleerd parallel potentieel waardevolle coproducten de kosten van biodiesel compenseren. Multi-kilogram hoeveelheden Isochrysis worden ingekocht bij twee commerciële bronnen, een als een natte pasta (80% water) die eerst gedroogd voorafgaand aan de verwerking en de othaar een droge poeder gemalen (95% droog). Lipiden geëxtraheerd met hexaan in een Soxhlet-apparaat met een algenolie ( "hexaan algenolie") die zowel traditionele vetten (dwz, triglyceriden, 46-60% w / w) en alkenones (16-25% w / w) te produceren. Verzeping van de triglyceriden in het algenolie zorgt voor het scheiden van de resulterende vrije vetzuren (FFA) vanaf alkenon-bevattende neutrale lipiden. FFAs worden vervolgens omgezet in biodiesel (dwz vetzuurmethylesters, FAME's) door zuur gekatalyseerde verestering terwijl alkenones worden geïsoleerd en gezuiverd uit het neutrale lipiden door kristallisatie. We tonen aan dat biodiesel uit zowel commerciële Isochrysis biomassa vergelijkbare maar niet identieke FAME profielen, gekenmerkt door verhoogde meervoudig onverzadigd vetzuur inhoud (ongeveer 40% w / w). Opbrengsten van biodiesel waren consistent hoger bij het starten van Isochrysis natte pasta (12% w / w vs. 7% w / w), die kunnen worden herleid tot lagere hoeveelheden hexaan algen oil verkregen van het poedervormige product Isochrysis.
Er is onlangs een grote hernieuwde belangstelling het vermijden van bepaalde voedingsmiddelen is in biobrandstoffen uit algen, in het bijzonder voor de productie van vloeibare brandstoffen, zoals biodiesel 1 en andere van biomassa afgeleide oliën. 2 voorgestelde voordelen zijn versus brandstof controverse 3 en verluidt hogere productiviteiten en de CO 2 mitigatie mogelijkheden dan traditionele landbouwgewassen. 4 Dit volgt op de bijna 20 jaar United States Department of Energy's Aquatic Species Program (ASP) begon in 1978 met het oog op het onderzoek naar het vervoer brandstof uit algen. Zoals uiteengezet in het verslag van Sheehan's, 5 het programma eindigde in 1996 vooral omdat geraamde kosten waren niet concurrerend met aardolie in die tijd ($ 18,46 per vat (159 L)). Terwijl de kosten van aardolie sterk toegenomen sindsdien ($ 87,39 per vat in 2014) 6, die is verbonden met de Renaissance onderzoek algen biofuel, wat have betoogde dat desalniettemin algen biobrandstoffen te duur blijken te zijn. 7 Zoals een strategie om de productie van biobrandstoffen te compenseren, heeft de notie van coproducten toegevoegde waarde ontstond bij zowel critici 7,8 en voorstanders 9,10 en kenmerken als een van de belangrijkste redenen voor nastreven van algen biobrandstoffen in de United States Department of Energy (DOE) "Nationale algenachtige Biofuels Technology Roadmap". 11
Hier beschrijven we een werkwijze voor de coproductie van twee afzonderlijke brandstofstromen van commerciële Isochrysis microalgen. We hebben ons gericht op Isochrysis deels omdat het reeds industrieel wordt geproduceerd, geoogst behoeve van aquacultuur, en ook omdat Isochrysis is één van de weinige algensoorten die naast de traditionele lipiden (dwz vetzuren) biosynthesize een unieke klasse verbindingen bekend als meervoudig onverzadigde langketenige alkenones. 12 alkenon inrichting wordt gekenmerkt door zeer l ong koolwaterstofketens (36-40 koolstofatomen), 3:58 niet methyleengroep gescheiden trans-dubbele bindingen, en een methyl- of ethyl keton (figuur 1). Alkenon onverzadiging is gevoelig voor de algen groeitemperatuur, 13,14 zodanig dat het aandeel van de tweevoudig onverzadigd C37 methyl alkenon (de zogenaamde "onverzadigingsindex") kan worden gebruikt als indicatie van de laatste zeetemperaturen 15 -. 20 zijn Alkenones dacht te verblijven in cytoplasmatische lipide organen en kan overvloediger dan triglyceriden (TAGs) zijn. 21,22 Onder stikstof of fosfor beperkt tot 10-20% van cel koolstof in de stationaire fase geaccumuleerd als alkenones. 23,24 Vanuit evolutionair oogpunt, alkenones kunnen zijn bevoordeeld ten opzichte van TAG's, omdat hun trans -dubbele binding geometrie zorgt voor een meer stabiele vorm van energie-opslag. 21
189fig1.jpg "/>
Figuur 1. Structuren van polyonverzadigde lange-keten alkenones gemeenschappelijk alkenon 37 methyl. 3 geïsoleerd van Isochrysis tentoonspreiden lange koolwaterstofketenlengtes (36 – 40 koolstofatomen), trans non-methyleengroep gescheiden dubbele bindingen, en eindigt in een methyl- of ethyl keton. Nomenclatuur is vergelijkbaar met vetzuren waarbij #: # verwijst naar aantal koolstofatomen. Aantal dubbele bindingen Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
We stellen dat alkenones een veelbelovende hernieuwbare koolstof materiaal afkomstig van gemeenschappelijke algen met een geschiedenis van industrieel kweken. 25 biodiesel rechtstreeks van het totale lipide-extract van Isochrysis bevat een significante hoeveelheid (10-15% w / w) alkenones besmetting door deze high-smeltende verbindingen resulteert in een slechte koude vloei brandstof eigenschappen. Het gebruik van thij verzeping / extractie technieken die hier beschreven, kan alkenones worden verwijderd en herstelde daarmee de biodiesel kwaliteit te verbeteren, terwijl het produceren van een secundaire productstroom. Recent toonden we aan de omzetting van alkenones een vloeibare brandstof door de cross-metathese met 2-buteen (butenolysis). 26 De butenolysis reactie maakt gebruik van een commercieel ruthenium metathese-initiator, snel plaatsvindt bij lage temperaturen, en netjes levert een voorspelbare mengsel van vliegtuigbrandstof range koolwaterstoffen. Deze reactie wordt uitgevoerd in parallel met biodieselsynthese van vetzuren, die de eerste stappen naar een "biorefinery" benadering 27 commercieel levensvatbare productie Isochrysis biobrandstof.
Isochrysis is een van slechts een select aantal algensoorten industrieel gekweekt, geoogst als een primaire component van schelpdieren voer, en dus representatief voor de schaal die nodig zijn voor de productie van biobrandstoffen. De beschikbaarheid van de algen benut en standaardwerkwijzen die in deze studie maken de gepresenteerde protocol ruime toegang voor andere groepen voor verder onderzoek. Kritische stappen omvatten luchtdrogende algen (in tegenstelling tot vriesdrogen 33), oplosmiddel extractie, verzeping en verestering. Door deze handelingen kunnen een opbrengst van lipiden en andere coproducten uit de verschillende beschikbare Isochrysis 30 onderzoeken. Verwacht wordt dat deze kunnen verschillen als gevolg van verschillende stammen en kweekmethoden, 31 en kan ook worden beïnvloed door de aard van het product en elke aanvullende verwerking (bijvoorbeeld drogen of vriezen) gebruikt door de leverancier. Zoals we hier laten zien, het protocol te ontwikkelened succes kan worden toegepast op verschillende soorten Isochrysis producten, variërend van een natte pasta om een droog poeder gemalen. Opbrengsten van biodiesel waren echter lager van de poedervormige biomassa (7% w / w droge biomassa vs. 12% w / w van de gedroogde pasta), die overeenkomt met lagere hoeveelheden algenolie (h-AO) geëxtraheerd. Dit kan erop wijzen dat een alternatieve extractieprotocol 32 zijnde een Soxhlet apparaat beter geschikt voor droge poedervormige producten Isochrysis zijn. De Isochrysis poeder gebruikt in deze studie wordt geadverteerd als met 23-25% lipiden, die vergelijkbaar zijn met wat we experimenteel hebben verkregen uit gedroogde Isochrysis pasta. 33,34,26
Ondanks de verschillende kleuren van de beginnende droge biomassa, de Iso- pasta-Hao en Iso -powder-Hao in wezen niet te onderscheiden, zowel donkergroen / dichtbij zwarte vaste stof met een smeltpunt van ongeveer 50 ° C. Interessant is dat de verhouding van FFAs neutrale lipids binnen twee hexaanextracten was anders. Na omzetting en scheiding van neutrale lipiden, verkregen we 60% (w / w) FFAs en 40% (w / w) neutrale lipiden uit de Iso-HAO kopieëren plakken. Iso- de poeder-HAO geproduceerd gemiddeld 46% (w / w) FFAs en 54% (w / w) neutrale lipiden. De resultaten suggereren dat het begin- poedervormige biomassa grotere hoeveelheden van neutrale lipiden ten opzichte FA derivaten dan Isochrysis plakken of dat Soxhletextractie poedervormig Isochrysis enigszins selectief voor neutrale lipiden kunnen bevatten.
Niet alleen was de opbrengst aan verkregen door twee commerciële Isochrysis verschillende biomassa, maar ook de vetzuurprofielen van de resulterende biodiesel. Dit is belangrijk, omdat de brandstof eigenschappen van een biodiesel zijn direct afhankelijk van de aard en inhoud van afzonderlijke FAME. 35 te worden gecommercialiseerd, alle biodiesel moet voldoen aan de in de documenten beschreven ASTM normenD6751 of EN 14214 in respectievelijk de VS of Europa. Specificaties omvatten marges voor gladheid en kinematische viscositeit, en minimumwaarden voor het cetaangetal en oxidatieve stabiliteit. Andere belangrijke aanbevelingen hebben betrekking op koude vloei-eigenschappen in de vorm van een wolk punt (CP) of koud filter plugging point (CFPP). We hebben eerder gerapporteerde resultaten van de uitgebreide brandstof testen van biodiesel bereid uit Iso- pasta. 36 Aangezien de FAME profiel van biodiesel uit de Iso -powder in dit onderzoek komt overeen met dat eerder geteste, kunnen we voorspellen bepaalde brandstofeigenschappen vergelijkbaar zijn beide biodiesel. Bijvoorbeeld, meervoudig onverzadigde vetzuren (PuFAMEs, meer dan twee dubbele bindingen) zijn goed voor ongeveer 40% van zowel de FAME mengsels (35,2% en 39,9%, tabel 2). Dit zal leiden tot een slechte oxidatiestabiliteit en gunstige koude-stroom. 35 Er zijn echter kleine verschillen in de FAME profielen van de twee biodiesel brandstoffen. Biodiesel uit de poedervormige Isochrysis bevatten grotere hoeveelheden 14: 0 (19,4 mg / g versus 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g versus 8,5 mg / g) en 22: 6 (11,0 mg / g versus 6,9 mg / g) FAME, maar kleinere hoeveelheden 18: 4 (10,4 mg / g versus 19,8 mg / g). De omvang van het effect van deze verschillen op de verschillende brandstofeigenschappen die in de ASTM-normen nog worden onderzocht.
De eerste biodiesel van zowel commerciële Isochrysis algen waren ook donkergroen kan verklaard worden door de aanwezigheid van chlorofyl. 36 chlorofyl en zijn derivaten zijn gerapporteerd een negatief effect op de stabiliteit van plantaardige oliën en hun overeenkomstige biodiesel brandstoffen. 36,29 op basis van de wijze van Issariyakul en Dalai voor ontkleuren greenseed koolzaadolie met betrekking biodiesel, 29 roeren onze groene biodiesel dan 10% (w / w) MK10 bij 60 ° C gedurende 1 uur tot een scherpevermindering pigmentgehalte door visuele inspectie (ref. figuur 2). Mass terugvorderingen van het ontkleuren proces waren gemiddeld 90%.
Opbrengsten van gezuiverd alkenones van Iso- pasta-HAO en Iso- poeder-HAO neutrale lipiden waren vergelijkbaar bij 40% en 46% w / w respectievelijk (Tabel 1). Aangezien neutrale lipiden vormen een groter aandeel van het materiaal in de Iso- poeder-HAO (54% w / w vs. 40% w / w), alkenon opbrengst van de Iso- poedervrije HAO overschrijdt Iso- pasta-HAO alkenon rendement ongeveer 10% (25% w / w vs. 16% w / w). Aangezien echter de opbrengst van de Iso- poeder-HAO zich lager dan Iso- pasteuze HAO (15% vs. 20% w / w), totaalopbrengsten van alkenones van zowel droge Isochrysis biomassa meer vergelijkbaar (0,2 x 0,4 x waren 0,4 = 3,2% w / w van gedroogde Isochrysis plakken en 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% ten opzichte van Isochrysis poeder).
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation (CHE-1151492), de Northwest Geavanceerde Renewables Alliance (fellowship aan J. Wilson-Peltier), en via een eigen donatie van vrienden van WHOI. Wij danken Kevin R. Steidley en Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) voor een uitstekende technische ondersteuning.
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). |