Detaljerte metoder presenteres for produksjon av biodiesel sammen med co-isolering av alkenones som verdifulle biprodukter fra kommersielle Isochrysis mikroalger.
Behovet for å erstatte fyringsolje med alternativer fra fornybare og mer bærekraftige kilder er av økende betydning. Biomassebasert biodrivstoff har fått betydelig oppmerksomhet i denne forbindelse har imidlertid første generasjons biodrivstoff fra spiselige avlinger som mais etanol eller soya biodiesel generelt falt i unåde. Det er derfor stor interesse for utvikling av metoder for produksjon av flytende drivstoff fra innenlandske og overlegne ikke-spiselige kilder. Her beskriver vi en detaljert fremgangsmåte for fremstilling av et renset biodiesel fra den marine mikroalger Isochrysis. I tillegg er en unik pakke med lipider kjent som flerumettede langkjedede alkenones isolert i parallell som potensielt verdifulle biprodukter å oppveie kostnaden av biodieselproduksjon. Multi-kilogram mengder av Isochrysis er kjøpt fra to kommersielle kilder, en som en våt pasta (80% vann) som er først tørket før behandling, og othenne et tørt oppmalt pulver (95% tørrstoff). Lipider ble ekstrahert med heksaner i et Soxhlet-apparat for å fremstille en algeolje ( "heksan alge-olje") inneholdende både tradisjonelle fett (dvs. triglycerider, 46-60% vekt / vekt) og alkenones (16-25% w / w). Forsåpning av triglyserider i alger olje tillater separasjon av de resulterende frie fettsyrer (FFA) fra alkenone holdige nøytrale lipider. FFA blir deretter omdannet til biodiesel (dvs. fettsyremetylestere, fames) ved syre-katalysert forestring mens alkenones blir isolert og renset fra de nøytrale lipider ved krystallisasjon. Vi viser at biodiesel fra både kommersielle Isochrysis biomasser har lignende, men ikke identisk FAME profiler, karakterisert ved forhøyede flerumettede fettsyreinnhold (ca. 40% vekt / vekt). Utbytter av biodiesel var konsekvent høyere når man starter fra den Isochrysis våt pasta (12% vekt / vekt sammenlignet med 7% vekt / vekt), som kan spores til lavere mengder av heksan alge oil oppnådd fra det pulveriserte Isochrysis produkt.
Det har nylig vært en stor oppblomstring av interessen for biodrivstoff fra alger, spesielt for produksjon av flytende drivstoff som biodiesel en og annen biomasse-avledet oljer. 2 Forslag fordeler inkluderer å unngå visse matvarer vs. drivstoff kontroverser 3 og velig høyere productivities og CO 2 avbøtende muligheter enn tradisjonelle jordbruksprodukter. 4 Dette følger nesten 20 år energi~~POS=TRUNC departementet~~POS=HEADCOMP vannlevende arter Program (ASP) startet i 1978 med det formål å undersøke transport drivstoff fra alger. Som beskrevet i Sheehan rapport, 5 programmet ble avsluttet i 1996 først og fremst fordi beregnede kostnadene var ikke konkurransedyktig med råolje på den tiden ($ 18,46 per fat (159 L)). Mens kostnadene for petroleum har økt dramatisk siden den gang ($ 87,39 per fat i 2014) 6, som er koblet til renessanse i alge biodrivstoff forskning, noen have hevdet at likevel alge biodrivstoff vil være for kostbart. 7 som en strategi for å oppveie biodrivstoff produksjonskostnader, har tanken om verdiøkende biprodukter dukket blant både kritikere 7,8 og talsmenn 9,10 og funksjoner som en av de viktigste årsakene til forfølge alge biodrivstoff i USA Department of Energy (DOE) "National alge~~POS=TRUNC biodrivstoff Technology Roadmap". 11
Her beskriver vi en metode for samproduksjon av to separate drivstoff strømmer fra kommersielle Isochrysis mikroalger. Vi har fokusert på Isochrysis delvis fordi det allerede er produsert industrielt, høstet med henblikk på havbruk, og også fordi Isochrysis er en av bare noen få arter av alger som i tillegg til tradisjonelle lipider (dvs. fettsyrer) biosynthesize en unik klasse forbindelser kjent som flerumettede langkjedede alkenones. 12 Alkenone strukturer er preget av svært l ong hydrokarbonkjeder (36-40 karbonatomer), to til fire ikke-metylen avbrutt trans-dobbel bindinger, og en metyl- eller etyl-keton (figur 1). Alkenone umettethet er følsom for alger vokser temperatur, 13,14 slik at andelen av diunsaturated C37 methyl alkenone (den såkalte "umettethet indeks") kan brukes som en proxy for siste havtemperaturer 15 -. 20 Alkenones er antas å ligge i cytoplasmiske lipid organer, og kan være mer rikelig enn triglyserider (tags). 21,22 Under nitrogen eller fosfor begrensning, opp til 10-20% av celle karbon i den stasjonære fase akkumuleres som alkenones. 23,24 fra en evolusjonært ståsted kan alkenones er favoriserte over koder fordi deres trans-dobbel obligasjon geometri gir en mer stabil form for energilagring. 21
189fig1.jpg "/>
Figur 1. Strukturer av flerumettede langkjedede alkenones Common alkenone methyl 37: 3. Isolert fra Isochrysis eksemplifiserer lang hydrokarbonkjedelengde (36 – 40 karboner), trans ikke-metylen avbrutt dobbeltbindinger, og ender i en metyl eller etyl keton. Nomenklatur er lik fettsyrer der # # refererer til antall karbonatomer. Antall dobbeltbindinger Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Vi argumenterer for at alkenones representerer en lovende fornybar karbon råstoff fra en felles alger med en historie med industriell dyrking. 25 Biodiesel produseres direkte fra total lipid ekstrakt av Isochrysis inneholder en betydelig mengde (10-15% w / w) av alkenones og forurensning av disse høytsmeltende forbindelser resulterer i dårlig kald strømningsdrivstoffegenskaper. Imidlertid, under anvendelse av than forsåpning / utvinning teknikker er beskrevet her, kan alkenones fjernes og gjenvinnes dermed forbedre biodiesel kvalitet mens produsere en sekundær produktstrømmen. Nylig har vi demonstrert omdannelsen av alkenones til et flytende brensel ved kryssmetatese med 2-buten (butenolysis). 26 Den butenolysis reaksjonen anvender et kommersielt ruthenium metatese-initiator, skjer raskt ved lav temperatur, og en ren leverer en forutsigbar blanding av flydrivstoff range hydrokarboner. Denne reaksjonen utføres parallelt med biodiesel syntese fra fettsyrer, som representerer de første skritt mot en "bioraffineri" tilnærming 27 for kommersielt levedyktig Isochrysis biodrivstoffproduksjon.
Isochrysis er en av bare et begrenset antall algearter oppdretts industrielt, høstes som en primær komponent av skalldyr feed, og derfor representative for omfanget som er nødvendig for produksjon av biodrivstoff. Tilgjengeligheten av alger utnyttet og standard metoder som benyttes i denne studien, må protokollen presenteres allment tilgjengelig for andre grupper for nærmere undersøkelser. Kritiske trinnene omfatter luft-tørking av alger (i motsetning til frysetørking 33), løsemiddel ekstraksjon, forsåpning, og forestring. Gjennom disse operasjonene kan man undersøke utbytte av lipider og andre biprodukter fra de ulike Isochrysis tilgjengelige 30. Det er forventet at disse kan variere som et resultat av forskjellige stammer og dyrkingsmetoder, 31 og kan også være påvirket av naturen av produktet og eventuell ytterligere behandling (f.eks, tørking eller frysing) benyttet av leverandøren. Som vi viser her, utvikle protokollened kan med hell anvendes på forskjellige typer av Isochrysis produkter, som strekker seg fra en våt pasta til et tørt oppmalt pulver. Utbytter av biodiesel var imidlertid lavere fra det pulverformede biomasse (7% vekt / vekt tørr biomasse vs. 12% vekt / vekt fra den tørkede pasta), som korresponderer med lavere mengder av alger olje (h-AO) ekstraheres. Dette kan tyde på at et alternativ utvinning protokoll 32 annet enn en Soxhlet apparat kan være bedre egnet for tørre pulverisert Isochrysis produkter. Den Isochrysis pulver som brukes i denne studien er annonsert som inneholder 23-25% fett, noe som ligner på det vi har eksperimentelt hentet fra tørket Isochrysis lim. 33,34,26
Til tross for de ulike fargene på tørr start biomasse, iso lim-Hao og Iso -powder-Hao var hovedsakelig utvisket, både mørk grønn / nær sorte faste stoffer med smeltepunkt på ca 50 ° C. Interessant, forholdet mellom FFA'er til nøytral leppeIDer innen to hexanekstrakter var annerledes. Etter forsåpning og separering av de nøytrale lipider, erholdt vi 60% (w / w) FFA og 40% (vekt / vekt) nøytrale lipider fra Iso -paste-ho. Den iso- pulver-Hao produsert i gjennomsnitt 46% (vekt / vekt) FFA og 54% (vekt / vekt) nøytrale lipider. Resultatene tyder på at enten utgangs-pulverformede biomassen kan inneholde høyere mengder av nøytrale lipider i forhold til FA-derivater enn Isochrysis lim, eller som Soxhlet-ekstraksjon av pulverisert Isochrysis er noe selektiv for nøytrale lipider.
Ikke bare var utbyttet av produkter oppnådd fra de to kommersielle Isochrysis biomasser forskjellig, men også fettsyreprofiler av den resulterende biodiesel. Dette er viktig, ettersom drivstoff egenskapene til en biodiesel er direkte avhengig av naturen og innholdet i de enkelte Slike fettsyremetylestere. 35 Å bli kommersialisert, all biodiesel må være i henhold til de standardene som er beskrevet i dokumentene ASTMD6751 eller EN 14214 i henholdsvis USA eller Europa. Spesifikasjoner inkluderer områder for smøring og kinematisk viskositet, og minimumsverdier for cetantall og oksidativ stabilitet. Andre viktige anbefalinger er relatert til kaldflytegenskaper i form av et blakningspunkt (CP) eller cold filter plugging point (CFPP). Vi har tidligere rapportert resultater fra omfattende drivstoff testing av biodiesel fremstilt av ISO-lim. 36 Siden FAME profilen til biodiesel produsert fra Iso -powder i denne studien er lik de tidligere testet, kan vi forutsi visse drivstoff egenskaper til å være lik både for biodiesel. For eksempel, flerumettede fettsyrer (PuFAMEs, mer enn to dobbeltbindinger) utgjør omtrent 40% av begge FAME blandinger (35,2% og 39,9%, tabell 2). Dette vil resultere i dårlig oksydativ stabilitet og gunstig kaldflyt. 35 Det er imidlertid små forskjeller i de FAME profiler av de to biodiesel drivstoff. Biodiesel fremstilt fra pulverisert Isochrysis inneholdt høyere mengder av 14: 0 (19,4 mg / g vs. 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g sammenlignet med 8,5 mg / g) og 22: 6 (11,0 mg / g vs. 6,9 mg / g) Slike fettsyremetylestere, men lavere mengder av 18: 4 (10,4 mg / g vs. 19,8 mg / g). Omfanget av virkningen av disse forskjellene på de ulike drivstoff egenskapene som finnes i ASTM standarder gjenstår å bli undersøkt.
Den initiale biodiesel oppnådd fra både kommersiell Isochrysis alger var tilsvarende mørk grønn i fargen, hvilket kan forklares ved tilstedeværelsen av klorofyll. 36 klorofyll og dets derivater er blitt rapportert å ha en negativ effekt på stabiliteten av vegetabilske oljer og deres tilsvarende biodiesel. 36,29 Basert på fremgangsmåten til Issariyakul og Dalai for avfarvende greenseed rapsolje i forbindelse med produksjonen av biodiesel, 29 omrøring vår grønn biodiesel over 10% (vekt / vekt) MK10 ved 60 ° C i 1 time resulterte i en dramatiskreduksjon av pigmentinnhold ved visuell inspeksjon (ref. figur 2). Masse inngang fra avfarging prosessen var i gjennomsnitt 90%.
Avlingene av rensede alkenones fra iso- lim-Hao og iso- pulver-hao nøytrale lipider var sammenlignbare på 40% og 46% w / w (Tabell 1). Siden nøytrale lipider utgjør en høyere andel av materialet i iso- pulver Hao (54% w / w vs. 40% w / w), alkenone utbytte fra ISO pulver-hao overgår ISO- lim-hao alkenone utbytte med ca 10% (25% vekt / vekt sammenlignet med 16% vekt / vekt). Men med tanke på at utbyttene av iso- pulver Hao selv var lavere enn iso- lim-Hao (15% vs. 20% w / w), samlede avkastning av alkenones fra både tørre Isochrysis biomasser er flere lignende (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% w / w fra tørket Isochrysis lim og 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% fra Isochrysis pulver).
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation (CHE-1151492), Nordvest Advanced Renewables Alliance (fellesskap til J. Wilson-Peltier), og gjennom en privat donasjon fra venner av WHOI. Vi takker Kevin R. Steidley og Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) for utmerket teknisk assistanse.
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). |