Detaljerade metoder presenteras för produktion av biodiesel tillsammans med co-isolering av alkenones som värdefulla samprodukter från kommersiella Isochrysis mikroalger.
Behovet av att ersätta petroleumbränslen med alternativ från förnybara och mer miljömässigt hållbara källor är av växande betydelse. Biomassa härrörande biobränslen har fått stor uppmärksamhet i detta avseende, har dock första generationens biobränslen från ätbara grödor som majs etanol eller soja biodiesel i allmänhet fallit i onåd. Det finns således ett stort intresse för utveckling av metoder för framställning av flytande bränslen från inhemska och överlägsna icke-ätbara källor. Här beskriver vi ett detaljerat förfarande för framställning av en renad biodiesel från den marina mikroalger Isochrysis. Dessutom är en unik svit av lipider kända som fleromättade långkedjiga alkenones isolerades parallellt som potentiellt värdefulla samprodukter att kompensera kostnaderna för produktion av biodiesel. Multi-kilogram kvantiteter av Isochrysis köps från två kommersiella källor, en som en våt pasta (80% vatten) som först torkas före behandlingen, och othenne en torrmalda pulver (95% torr). Lipider extraheras med hexaner i en Soxhlet-apparat för att producera en alger olja ( "hexan algolja") som innehåller både traditionella fetter (dvs triglycerider, 46-60% vikt / vikt) och alkenones (16-25% vikt / vikt). Förtvålning av triglycerider i algolja möjliggör separation av de resulterande fria fettsyror (FFAs) från alkenone innehållande neutrala lipider. Ffas omvandlas sedan till biodiesel (dvs. fettsyrametylestrar, fames) genom syrakatalyserad förestring medan alkenones isoleras och renas från de neutrala lipiderna genom kristallisation. Vi visar att biodiesel från både kommersiella Isochrysis biomassor har liknande men inte identiska FAME profiler, som kännetecknas av förhöjda fleromättade fettsyror innehåll (ca 40% v / v). Utbyten av biodiesel genomgående var högre när man utgår från den Isochrysis våt pasta (12% vikt / vikt vs. 7% vikt / vikt), som kan spåras för att sänka mängder av hexan alger oil erhållen från den pulverformiga Isochrysis produkten.
Det har nyligen varit en stor uppsving av intresset för biobränslen från alger, särskilt för produktion av flytande bränslen såsom biodiesel en och annan biomassa härrörande oljor. 2 Föreslagna fördelar är att undvika vissa livsmedel vs. bränsle kontroverser 3 och enligt uppgift högre produktivitet och CO 2 begränsnings kapacitet än traditionella jordbruksgrödor. 4 Detta följer nästan 20 år United States Department of Energy Aquatic Species Program (ASP) startade 1978 i syfte att undersöka transportbränsle från alger. Såsom anges i Sheehan rapport slutade 5 programmet 1996 främst på grund beräknade kostnaderna inte var konkurrenskraftig med råolja vid den tiden ($ 18,46 per fat (159 liter)). Medan kostnaden för petroleum har ökat dramatiskt sedan dess ($ 87,39 per fat under 2014) 6, som är ansluten till renässansen i alger biobränsle forskning, några have hävdade att ändå alger biobränslen kommer att visa sig alltför kostsam. 7 Som en strategi för att kompensera biobränsleproduktionskostnaderna, har begreppet mervärdes samprodukter uppstått bland både kritiker 7,8 och förespråkare 9,10 och funktioner som en av de viktigaste orsakerna till bedriver alger biobränslen i Förenta staternas Department of Energy (DOE) "National alger Biofuels Technology Roadmap". 11
Här beskriver vi en metod för samproduktion av två separata bränsleströmmar från kommersiella Isochrysis mikroalger. Vi har fokuserat på Isochrysis delvis eftersom det redan produceras industriellt, skördas i syfte att havsbruk, och också eftersom Isochrysis är en av endast ett fåtal arter av alger som utöver traditionella lipider (dvs fettsyror) biosyntetisera en unik klass av föreningar kända som fleromättade långkedjiga alkenones. 12 Alkenone strukturer kännetecknas av mycket l ong kolvätekedjor (36-40 kolatomer), två till fyra icke-metylenstörda trans -Double bindningar och en metyl eller etyl keton (figur 1). Alkenone omättnad är känslig för algerna växer temperatur, 13,14 så att andelen diomättad C37 metyl alkenone (den så kallade "omättnad index") kan användas som ett mått på tidigare hav yttemperaturer 15 -. 20 Alkenones är tros uppehålla sig i cytoplasmatiska lipidkroppar och kan vara rikligare än triglycerider (TAG). 21,22 under kväve eller fosfor begränsning, upp till 10-20% av cell kol i den stationära fasen ackumuleras som alkenones. 23,24 från en evolutionär synvinkel kan alkenones har gynnas framför TAGs eftersom deras trans -Dubbel bond geometri ger en mer stabil form av energilagring. 21
189fig1.jpg "/>
Figur 1. Strukturer av fleromättade långkedjiga alkenones Common alkenone metyl 37:. 3 isolerades från Isochrysis exemplifierande lång kolväte-kedjelängder (36 – 40 kolatomer), trans icke-metylenstörda dubbelbindningar, och slutar i en metyl- eller etyl-keton. Nomenklatur liknar fettsyror där #: # avser antalet kolatomer. Antal dubbelbindningar Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Vi menar att alkenones utgör en lovande råmaterial förnybart kol från en gemensam alger med en historia av industriell odling. 25 Biodiesel produceras direkt från den totala lipid extrakt av Isochrysis innehåller en betydande mängd (10-15% vikt / vikt) av alkenones och förorening av dessa högsmältande föreningar resulterar i dålig kallt flytegenskaper bränsle. Men med hjälp av than förtvålning / utvinning tekniker som beskrivs här, kan alkenones tas bort och återvinns därmed förbättra biodiesel kvalitet samtidigt som det producerar en sekundär produktström. Nyligen har vi visat att omvandlingen av alkenones till ett flytande bränsle genom tvär metates med 2-buten (butenolysis). 26 Den butenolysis Reaktionen utnyttjar en kommersiell rutenium metates-initiator, sker snabbt vid låg temperatur, och rent levererar en förutsägbar blandning av flygbränsle range kolväten. Denna reaktion genomförs parallellt med biodiesel syntes från fettsyror, som representerar de första stegen mot en "bioraffinaderi" strategi 27 för kommersiellt gångbar Isochrysis biobränsle.
Isochrysis är en av endast ett begränsat antal algarter odlade industriellt, skördas som en primär komponent av skaldjur foder, och därmed representativa för den skala som krävs för produktion av biobränsle. Tillgängligheten av alger utnyttjas och standardmetoder som används i denna studie gör Protokollet presenteras allmänt tillgängliga för andra grupper för ytterligare undersökningar. Kritiska steg innefattar lufttorkning av alger (i motsats till lyofilisering 33), lösningsmedelsextraktionerna, förtvålning och förestring. Genom dessa operationer kan man undersöka halterna av lipider och andra samprodukter från olika Isochrysis tillgängliga 30. Man räknar med att dessa kan skilja sig som ett resultat av olika stammar och odlingsmetoder, 31 och kan också påverkas av vilken typ av produkt och ytterligare bearbetning (t.ex. torkning eller frysning) som används av leverantören. Som vi visar här, protokollet utvecklaed kan med framgång tillämpas på olika typer av Isochrysis produkter, allt från en våt pasta till en torr malda pulvret. Utbyten av biodiesel men var lägre från det pulverformiga biomassa (7% vikt / vikt torr vs biomassa 12% vikt / vikt från den torkade pastan), vilket motsvarar med lägre mängder av alger olja (h-AO) extraheras. Detta kan tyda på att ett alternativt extraktion protokoll 32 annan än en Soxhlet-apparat kan vara bättre lämpade för torrt pulver Isochrysis produkter. Den Isochrysis pulver som används i denna studie är marknadsförs som innehåller 23-25% lipider, som liknar vad vi experimentellt har erhållits från torkat Isochrysis pasta. 33,34,26
Trots de olika färgerna i utgångs torr biomassa, det Iso- pasta Hao och Iso -powder Hao var i huvudsak oskiljbara, både mörkgrön / nära svarta fasta ämnen med smältpunkter av ca 50 ° C. Intressant nog är förhållandet mellan ffas till neutralt läppids inom två hexanextrakten var annorlunda. Efter förtvålning och separation av neutrala lipider, erhöll vi 60% (vikt / vikt) ffas och 40% (vikt / vikt) neutrala lipider från Iso -paste-Hao. Den Iso- pulver-HAO producerade i medeltal 46% (vikt / vikt) ffas och 54% (vikt / vikt) neutrala lipider. Resultaten tyder på att antingen utgångspulverformiga biomassan kan innehålla högre mängder av neutrala lipider i förhållande till FA-derivat än Isochrysis pastan, eller att Soxhlet-extraktion av pulverformigt Isochrysis är något selektiv för neutrala lipider.
Inte bara var utbytena av produkter som framställts av de två kommersiella Isochrysis biomassor annorlunda, men också fettsyraprofilerna för den resulterande biodiesel. Detta är viktigt, eftersom bränsle egenskaperna hos en biodiesel är direkt beroende av naturen och innehållet i enskilda FAME. 35 kommersialiseras, all biodiesel måste följa de normer som beskrivs i dokument ASTMD6751 eller EN 14214 i USA eller Europa respektive. Specifikationer inkluderar intervall för smörj och kinematisk viskositet, och minimivärden för cetantal och oxidativ stabilitet. Andra viktiga rekommendationer är relaterade till kallflödesegenskaper i form av en grumlingspunkt (CP) eller kall filterpluggpunkten (CFPP). Vi har tidigare rapporterat resultat från omfattande bränsletester av biodiesel framställd från Iso- pasta. 36 Eftersom FAME profilen för biodiesel från Iso -powder i denna studie är liknande de som tidigare testats, kan vi förutsäga vissa bränsleegenskaper för att likna både biodiesel. Till exempel, fleromättade fettsyror (PuFAMEs, mer än två dubbelbindningar) står för cirka 40% av både FAME-blandningar (35,2% och 39,9%, tabell 2). Detta kommer att resultera i dålig oxidativ stabilitet och god kallflöde. 35 Det finns dock små skillnader i FAME profiler två biodieSEL bränslen. Biodiesel från pulveriserade Isochrysis innehöll större mängder av 14: 0 (19,4 mg / g jämfört med 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g jämfört med 8,5 mg / g), och 22: 6 (11,0 mg / g vs. 6,9 mg / g) FAMEs, ännu lägre mängder av 18: 4 (10,4 mg / g vs. 19,8 mg / g). Omfattningen av effekterna av dessa skillnader på de olika bränsleegenskaper som finns i ASTM standarder återstår att undersöka.
Den initiala biodiesel som erhålls från både kommersiella Isochrysis alger var lika mörkt grön färg som kan förklaras av förekomsten av klorofyller. 36 Klorofyll och dess derivat har rapporterats ha en negativ effekt på stabiliteten av vegetabiliska oljor och deras motsvarande biodiesel. 36,29 Baserat på metoden för Issariyakul och Dalai för avfärgning greenseed rapsolja i samband med produktion av biodiesel, 29 omrörning vår gröna biodiesel över 10% (v / v) MK10 vid 60 ° C under 1 h resulterade i en dramatiskminskning av pigmenthalt genom visuell inspektion (ref. Figur 2). Massåtervinningar från avfärgning processen var i genomsnitt 90%.
Utbyten av renade alkenones från Iso- pasta Hao och iso- pulver-HAO neutrala lipider var jämförbara vid 40% och 46% vikt / vikt (tabell 1). Eftersom neutrala lipider representerar en högre andel material som finns i Iso- pulver HAO (54% vikt / vikt vs. 40% vikt / vikt), alkenone utbyte från Iso- pulver HAO överskrider Iso- pasta HAO alkenone utbyte med cirka 10% (25% vikt / vikt vs. 16% vikt / vikt). Men med tanke på att avkastningen av Iso- pulver HAO själv var lägre än Iso- pasta HAO (15% jämfört med 20% vikt / vikt), totalt utbyte av alkenones från både torra Isochrysis biomassa är mer likartade (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% vikt / vikt av torkad Isochrysis pasta och 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% från Isochrysis pulver).
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av National Science Foundation (CHE-1.151.492), nordvästra Advanced Renewables Alliance (gemenskap J. Wilson-Peltier), och genom en privat donation från vänner WHOI. Vi tackar Kevin R. Steidley och Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) för utmärkt tekniskt stöd.
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). |