שיטות מפורטות מוצגות לייצור ביודיזל יחד עם שיתוף הבידוד של alkenones כמו קו-מכפלה חשובה מכל microalgae המסחרי Isochrysis.
הצורך להחליף דלקי נפט עם חלופות מתחדשים ועוד מקורות קיימים סביבתי היא גובר חשיבות. ביומסה הנגזרות דלק הביולוגי זכה לתשומת לב ניכר בעניין זה, אולם דלק ביולוגי מהדור הראשון מגידולים אכילים כמו אתנול תירס או סויה ביודיזל כלל נפל מחוץ טוב. יש אפוא עניין רב בפיתוח שיטות לייצור דלקים נוזליים שנתקבלו מהארץ מעולה שאינו אכיל. כאן אנו מתארים הליך מפורט לייצור של ביודיזל מטוהר מן Isochrysis microalgae הימי. בנוסף, חבילה ייחודית של שומנים המכונים alkenones ארוך שרשרת רבה בלתי רווי מבודדת במקביל כמו קו-מכפלת ערך הפוטנציאלי כדי לקזז את העלות של ייצור ביו דיזל. כמויות Multi-קילו של Isochrysis נרכשות משני מקורות מסחריים, אחד בתור (מי 80%) רטוב דבק כי הוא מיובש ראשון לפני העיבוד, ואת otלה אבקה הסתובבה יבשה (95% יבשים). ליפידים מחולצים עם hexanes במנגנון Soxhlet לייצר שמן אצות ( "שמן אצות הקסאן") המכיל גם שומנים מסורתיים (כלומר, טריגליצרידים, 46-60% w / w) ו alkenones (16-25% w / w). סבון של וטריגליצרידים שמן האצות מאפשר פרדה של חומצות שומן חופשיות שתעוררנה (חומצות שומן חופשיות) מן השומנים ניטראליים המכיל alkenone. חומצות שומן חופשיות ואז מומרים ביודיזל (כלומר, אסטרים מתיל חומצות שומן, fames) על ידי esterification חומצה-catalyzed בעוד alkenones מבודדים מטוהר מן השומנים הניטראליים ידי התגבשות. אנו מדגימים כי ביודיזל משני biomasses המסחרי Isochrysis יש פרופילי FAME דומים אך לא זהה, מאופיין תוכן חומצת שומן רב בלתי רווי גבוה (כ 40% w / w). תשואות של ביודיזל היו גבוהות באופן עקבי כאשר החלו המשחה הרטובה Isochrysis (12% w / w לעומת 7% w / w), אשר ניתן לייחס להנמיך סכומים אוי אצות הקסאןl המתקבל מוצר Isochrysis האבקה.
לאחרונה חלו התעוררות מחודשת גדולה של עניין דלק ביולוגי מאצות, במיוחד לייצור דלקים נוזליים כגון ביודיזל 1 ושמנים הנגזרים ביומסה אחרת. 2 יתרונות מוצעים הסרים מזון מסוים לעומת מחלוקות דלק 3 ועל פי דיווחי productivities הגבוה ויכולות הקלה CO 2 מאשר גידולים חקלאיים מסורתיים. 4 זאת בעקבות כמעט 20 שנה ארצות הברית מחלקת תוכנית מינים ימיים של אנרגיה (ASP) החלה בשנת 1978 לצורך חקירת דלק תחבורה מאצות. כפי שצוין בדוח של שיהאן, 5 והתכנית הסתיימה בשנת 1996 בעיקר בשל עלויות חזויות לא היו תחרותיים עם נפט גולמי באותה עת (18.46 $ לחבית (159 L)). בעוד העלות של נפט גדל באופן דרמטי מאז (87.39 $ לחבית ב -2014) 6, אשר מחובר הרנסנס במחקר ביו-דלק אצות, כמה שעותave טען כי בכל זאת דלק ביולוגי אצות יוכיח יקר מדי. 7 כפי אסטרטגיה אחת כדי לקזז עלויות ייצור דלק ביולוגי, הרעיון של קו-מכפלה ערך מוסף התפתחה בקרב מבקרי 7,8 ו חסידי 9,10 ותכונות כאחת הסיבות המרכזיות רודף דלק ביולוגי אצות במחלקה אנרגיה ארצות הברית (DOE) "מפת הדרכים הטכנולוגית הלאומי אצות Biofuels". 11
כאן אנו מתארים שיטה קופרודוקציה של שני זרמי דלק נפרדים מן microalgae המסחרי Isochrysis. התמקדנו Isochrysis בין שאר משום שהוא כבר מיוצר באופן תעשייתי, שנקטף למטרות של חקלאות ימית, וגם בגלל Isochrysis הוא רק אחד מתוך כמה מינים של אצות שבנוסף שומנים מסורתיים (כלומר, חומצות שומן) biosynthesize מח' ייחודית של תרכובות המכונה alkenones ארוכי שרשרת רב בלתי רווי. 12 מבנים Alkenone מאופיינים מאוד l שרשראות פחמימנים אונג (36-40 פחמנים) שתים עד ארבע-מתילן הלא מופרע אג"ח -double טרנס, קטון מתיל או אתיל (איור 1). Alkenone unsaturation רגישה לטמפרטורה הגוברת אצות, 13,14 כגון כי שיעור של alkenone מתיל C37 diunsaturated ( "מדד unsaturation" מה שנקרא) יכול לשמש כמדד טמפרטורות פני הים בעבר 15 -. 20 Alkenones הם חשב להתגורר בגופי שומנים ציטופלסמית ויכול להיות שופע יותר טריגליצרידים (תגיות). 21,22 תחת חנקן או הגבלת זרחן, עד 10-20% של פחמן תא בשלב הנייח מצטבר כמו alkenones. 23,24 מנקודה מבט אבולוציונית, alkenones ייתכן העדיף על פני תגיות בגלל גיאומטרית אג"ח -double טרנס שלהם מספקת צורה יציבה יותר של אחסון אנרגיה. 21
189fig1.jpg "/>
איור 1. מבנים של alkenones ארוכי שרשרת רב בלתי רווי alkenone נפוצות מתיל 37:. 3 מבודד Isochrysis הממחיש אורכי שרשרת פחמימנים ארוכים (36 – 40 פחמנים), שאינם מתילן טרנס קטע קשרים כפולים, ו שמסתיים בבית קטון מתיל או אתיל. המינוח דומה חומצות שומן כש- #: # מתייחס למספר פחמנים:. מספר קשרים כפולים אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
לטענתנו alkenones מייצג זינת פחמן מתחדשת מבטיחות של אצה משותפת עם היסטוריה של גידול תעשייתי. 25 ביודיזל מיוצר ישירות מתמצית השומנים הכוללת של Isochrysis מכילה כמות משמעותית (10-15% w / w) של alkenones וזיהום על ידי אלה תרכובות גבוהה היתוך תוצאות בנכסי דלק תזרים קר עניים. עם זאת, באמצעות tהוא טכניקות סבון / חילוץ המתואר כאן, alkenones ניתן להסיר התאושש ובכך לשפר את איכות ביודיזל תוך הפקת זרם מוצר משני. לאחרונה הראינו את ההמרה של alkenones על דלק נוזלי ידי-metathesis צלב עם 2-Butene (butenolysis). 26 התגובה butenolysis מעסיקה יוזם metathesis-רותניום מסחרי, מתרחשת במהירות בטמפרטורה נמוכה, ו למשעי מספק תערובת צפויה של דלק סילוני פחמימנים טווח. תגובה זו מבוצעת במקביל סינתזת ביודיזל מחומצות שומן, המייצג את הצעדים הראשונים לקראת גישה "biorefinery" 27 לייצור דלק ביולוגי Isochrysis בכמות מסחרית.
Isochrysis הוא אחד מתוך מספר נבחר בלבד של מיני אצות מעובדים תעשייתיים, שנקטפו כמרכיב עיקרי של מזון רכיכה, ולכן נציג של הסקאלה הדרוש לייצור דלק ביולוגי. הזמינות של האצות לנצל ואת שיטות סטנדרטיות מועסקים במחקר זה, להפיק את הפרוטוקול המובא נגיש לציבור רחב לקבוצות אחרות עבור חקירות נוספות. צעדים קריטיים כוללים מיזוג ייבוש האצות (להבדיל lyophilizing 33), עקירות ממסות, סבון, ו esterification. באמצעות פעולות אלה ניתן לבחון תשואות של שומני קו-מכפלה אחרת מהעמוד בו Isochrysis השונה 30 זמינים. זה צפוי כי אלו עלולות להיות שונות כתוצאה שונה זנים ושיטות טיפוח, 31 ועשויה להיות מושפעות גם את האופי של המוצר וכן כל עיבוד נוסף (למשל, ייבוש או הקפאה) מנוצל על ידי הספק. ככל שאנו להפגין כאן, הפרוטוקול לפתחאד יכול להיות מיושם בהצלחה סוגים שונים של מוצרי Isochrysis, החל משחה רטובה לאבקה הסתובבה יבשה. תשואות של ביודיזל היו אולם נמוכים מביומסה האבקה (7% w / w לעומת ביומסה יבש 12% w / w מ להתייבשות דבקה), אשר עולה בקנה אחד עם כמויות נמוכות של שמן אצות (h-AO) חילוץ. זה יכול לרמז על כך פרוטוקול חילוץ חלופת 32 למעט מנגנון Soxhlet עשוי להיות מתאים יותר עבור מוצרי Isochrysis אבקה יבשים. אבקת Isochrysis השתמשה במחקר זה היא כפי שפורסם המכיל 23-25 שומני%, אשר דומה למה השגנו ניסיוני מן דבק Isochrysis יבש. 33,34,26
למרות בצבעים השונים של ביומסה היבשה תחילתו, שָׁוֶה רסק-האו Iso -powder-האו היו בלתי שונים במהותה, הוא בצבע ירוק כהים / ליד מוצקים שחור עם נקודות היתוך של כ -50 מעלות צלזיוס. מעניין לציין, כי היחס בין חומצות שומן חופשיות אל שפתה הניטראליתמזהים בתוך שתי תמציות הקסאן היו שונים. אחרי הסבון והפרדה של ליפידים הניטראלי, השגנו 60% (w / w) חומצות שומן חופשיות ו -40% (w / w) שומנים ניטראליים Iso -paste-האו. שָׁוֶה האבקה-האו המיוצר על 46% בממוצע (w / w) חומצות שומן חופשיות ו -54% (w / w) שומנים ניטראליים. התוצאות מצביעות על כך גם את ביומסה האבקה החל עשויה להכיל כמויות גדולות יותר של ניטראלי שומנים ביחס נגזר FA מאשר להדביק Isochrysis, או כי מיצוי Soxhlet של Isochrysis אבקה מעט סלקטיבית עבור שומנים ניטראליים.
לא רק היו התשואות של מוצרים המופקים שתיים המסחרי Isochrysis biomasses שונים, אלא גם את הפרופילים של חומצות שומן של ביודיזל שהתקבל. זה חשוב, כמו תכונות הדלק של ביודיזל תלויות באופן ישיר על אופי תכני fames פרט. 35 כדי להיות ממוסחר, כל ביודיזל חייב לעמוד בסטנדרטים המתוארים ASTM המסמכיםD6751 או EN 14214 בארה"ב או באירופה בהתאמה. מפרט כולל טווחים עבור lubricity וצמיגות קינמטיקה, וערכי מינימום עבור מספר cetane ויציבות חמצונים. המלצות חשובות נוספות קשורות תכונות זרימה קרות בצורת נקודת ענן (CP) או נקודת פקיקה המסננת קר (CFPP). דיווחנו בעבר תוצאות של בדיקות דלק המקיפות של ביודיזל שהוכנו רסק שָׁוֶה. 36 מאז פרופיל FAME של ביודיזל המופק -powder Iso במחקר זה דומה לשיעורים נבדקו בעבר, נוכל לחזות מאפייני דלק מסוימים להיות דומה הן דלק ביו דיזל. למשל, חומצות שומן רב בלתי רווי (PuFAMEs, יותר משני קשרים כפולים) מהווים כ -40% הן תערובות FAME (35.2% ו 39.9%, טבלה 2). זה יגרום ליציבות חמצוני עניים וקר תזרים חיובי. 35 יש, עם זאת, הבדלים קלים בין פרופילי FAME של שני biodieדלקי SEL. ביודיזל המופק Isochrysis אבקת כלול כמויות גדולות יותר של 14: 0 (19.4 מ"ג / g לעומת 16.4 מ"ג / g), 18: 3 (13.5 מ"ג / g לעומת 8.5 מ"ג / g), ו -22: 6 (11.0 מ"ג / לעומת g 6.9 מ"ג / g) fames, עדיין כמויות נמוכות של 18: 4 (10.4 מ"ג / g לעומת 19.8 מ"ג / g). מידת ההשפעה של הבדלים אלה על מאפייני דלק שונים המצויים התקן ASTM נשארה להיחקר.
ביודיזל הראשוני המתקבל שניהם ירוק המסחריות Isochrysis האצות היו דומה כהה אשר יכול להיות מוסבר על ידי הנוכחות של כלורופיל. 36 כלורופיל ונגזרותיו דווחו להיות השפעה שלילית על יציבות שמנים צמחיים הדלק ביו דיזל המקביל שלהם. 36,29 בהתבסס על שיטת Issariyakul ו הדלאי עבור decolorizing שמן קנולה greenseed בקשר עם ייצור ביו דיזל, 29 בחישה ביודיזל הירוק שלנו מעל 10% (w / w) MK10 ב 60 מעלות צלזיוס במשך שעה 1 הביא דרמטיהפחתת התוכן פיגמנט על ידי בדיקה ויזואלית (נ"צ. איור 2). החלמה Mass מתהליך הַדהָיָה היו על 90% בממוצע.
תשואות alkenones מטוהר מן שָׁוֶה רסק-האו ושומנים ניטראליים אבקה-האו שָׁוֶה היו דומות ב 40% ו -46% w / w בהתאמה (לוח 1). מאז שומנים ניטראליים מייצגים שיעור גבוה יותר של חומר כלול האבקה-האו שָׁוֶה (54% w / w לעומת 40% w / w), תשואת alkenone מן האבקה-האו שָׁוֶה עולה תשואת alkenone הרסק-האו שָׁוֶה בכ 10% (25% w / w לעומת 16% w / w). עם זאת, בהתחשב בכך התשואות של האבקה-האו שָׁוֶה עצמו היו נמוכות יותר מאשר הרסק-האו שָׁוֶה (15% לעומת 20% w / w), תשואות כוללות של alkenones משני biomasses היבש Isochrysis הדומה יותר (0.2 x 0.4 x 0.4 = 3.2% w / w מ להדביק Isochrysis יבשים 0.15 x 0.54 x 0.46 = 3.7% מאבקת Isochrysis).
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (מל"ג 1,151,492), הברית מתחדש Northwest המתקדם (המילגה ג'יי וילסון-פלטייה), ובאמצעות תרומה פרטית מחברים של WHOI. אנו מודים קווין ר Steidley וקים Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) לקבלת סיוע טכני מעולה.
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). |