Kvalitativ Karakterisering af den vandige fraktion fra Hydrotermisk fortætning af alger ved hjælp af 2D gaskromatografi med Time-of-flight massespektrometri

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

To-dimensional gaschromatografi koblet med time-of-flight massespektrometri er et stærkt værktøj til at identificere og kvantificere kemiske komponenter i komplekse blandinger. Det er ofte brugt til at analysere benzin, flybrændstof, diesel, biodiesel og den organiske fraktion af bio-rå / bio-olie. I de fleste af disse analyser, den første dimension af separation er ikke-polært, efterfulgt af et polært separation. De vandige fraktioner af bio-råolie og andre vandige prøver fra produktionen af ​​biobrændstoffer er blevet undersøgt med lignende kolonne kombinationer. Imidlertid prøveforberedelse teknikker såsom derivatisering, opløsningsmiddelekstraktion, og fastfase-ekstraktion var nødvendig før analyse. I denne undersøgelse blev vandige fraktioner opnået ved hydrotermisk fortætning af alger kendetegnet ved todimensional gaschromatografi koblet med time-of-flight massespektrometri uden teknikker kendte for prøveforberedelse anvende et polært separation i den første dimension, efterfulgtaf en ikke-polær separation i den anden. Todimensionale afbildninger fra denne analyse blev sammenlignet med dem opnået fra den mere traditionelle kolonne konfiguration. Resultater fra kvalitativ karakterisering af de vandige fraktioner af alge bio-rå diskuteres i detaljer. Fordelene ved at anvende et polært separation efterfulgt af en ikke-polær separation til karakterisering af organiske i vandige prøver ved todimensional gaschromatografi koblet med time-of-flight massespektrometri er fremhævet.

Introduction

Stabil vækst i efterspørgslen efter flydende brændstoffer, begrænsede fossile ressourcer, usikkerhed forsyninger af fossile brændstoffer, og bekymringer over den stigende koncentration af drivhusgasser i atmosfæren har øget global bevidsthed for vedvarende ressourcer ^1. Solenergi (herunder solceller og solenergi termisk), vindenergi, vandkraft, geotermisk, og biomasse er de primære vedvarende energikilder, der potentielt kan erstatte fossilt afledt energi ^2. Af disse biomasse er den eneste carbon-baserede alternativ energikilde til produktion af flydende transportbrændstof og høj værdi kemikalier ^3. Biomasse omfatter ethvert organisk materiale såsom skovressourcerne, landbrugs- rest, alger, oliefrø, fast husholdningsaffald, og kulstof-rige industriaffald (f.eks fra papirmasse- og papirindustrien eller fra fødevareforarbejdning) ^1. Biomasse er klassificeret i to hovedkategorier: lignocellulose og ikke-træagtige udgangsmaterialerne baseret på compositionelle karakteristika. Lignocelluloseholdige biomasse består af kulhydrater og lignin, mens ikke-træagtige råmaterialer har proteiner, kulhydrater og lipider / olier ^4. Lignocelluloseholdige råmaterialer, der stammer fra terrestriske planter, kan kun tilfredsstille 30% af den nuværende flydende brændstof (benzin, flybrændstof, og diesel) efterspørgsel, hvis bæredygtigt dyrket og høstet ^5,6. Derfor ikke-træagtige akvatiske mikroorganismer, såsom mikroalger og svampe, der anses for potentielle råmaterialer til produktion af vedvarende flydende brændstoffer til at supplere lignocelluloseholdige ressourcer.

Mikroalger råmaterialer har potentiale til at opfylde nuværende flydende transport brændstoffer kræver ^7,8. Alger har mange fordele: høj areal produktivitet ^8, evnen til at vokse i lav kvalitet, brakvand eller havvand ^9, og evnen til at akkumulere energirige triglycerider eller carbonhydrider ^7,8. Hydrotermisk fortætning (HTL) er en levedygtig og skalerbar conversion, hvor anvendes vand naturligt associeret med alge- eller akvatiske råmaterialer ^10,11. Det er en termokemisk proces med driftstemperaturer på 250-400 ° C og driftstryk på 10-25 MPa, som producerer et flydende produkt, eller bio-råolie, som kan opgraderes til et brændstof blanding lager. Bio-rå fremstillet af HTL af alger har skelnes og let adskillelige organiske og vandige fraktioner. Den organiske fraktion af bio-råolie effektivt kan omdannes til et raffinaderi klar blanding lager via katalytiske hydro-behandling processer ^11. Den vandige fraktion af bio-råolie indeholder ~ 30% af den samlede carbon til stede i alger råmateriale. Selvom tusindvis af forbindelser er blevet identificeret i HTL vandig strøm, de fremherskende fraktioner bestå af lavmolekylære oxygenatorer (herunder syrer, alkoholer, ketoner og aldehyder) dannet ved nedbrydningen af ​​kulhydrater og lipider og nitrogen heterocykliske (herunder pyrroler, pyridiner , pyrazines, og imidazoler) afledt af protein nedbrydning ^12. Undersøgelser af at udnytte den vandige fraktion for at forbedre samlede procesøkonomi samt bæredygtighed er i gang. Syntesegas kan fremstilles ud fra den vandige fraktion af alger bio-rå via katalytisk hydrotermisk forgasning ^{10,13, 14.} Alternativt økologi i den vandige fraktion kan også katalytisk konverteret til brændstof tilsætningsstoffer og specialkemikalier. Forskning i optimering katalytiske hydrotermiske forgasning og katalysator screening studier til konvertering af organiske i den vandige flydende fase er i øjeblikket i gang på Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). For dette arbejde, såvel kvalitative som kvantitative karakterisering af den vandige fraktion af alger bio-råolie er påkrævet. Eftersom den vandige fraktion af alger bio-råolie betragtes som en affaldsstrøm, der er meget få undersøgelser, der har analyseret den vandige fraktion af alger bio-rå ^13,15. Endvidere nyligeundersøgelser konkluderede, at konvertere denne HTL alger vand i høj værdi bioprodukter vil forbedre holdbarheden samt økonomi af en HTL-baserede bioraffinering ^11. Derfor er denne undersøgelse fokuserede på udvikling af en fremgangsmåde til kvalitativ karakterisering af den vandige fraktion af bio-råolie opnået fra HTL af alger ved todimensional gaschromatografi koblet med time-of-flight massespektrometri (GC × GC-TOF-MS).

GC × GC-TOF-MS er den mest lovende kromatografiske analytisk teknik til at øge opløsning (eller separation af kemiske forbindelser i en prøve), peak kapacitet (dvs. antal løst toppe), signal-til-støj-forhold (til identifikation af kemiske forbindelser med høj tillid), og for at undgå co-eluering af kemiske forbindelser ^16. For at maksimere opløsning, peak kapacitet, og signal-støjforhold, er to GC-kolonner med forskellige stationære faser forbundet i serie ved hjælp af en prespasning connector eller mikro-union ¹⁷ (se figur 1, som er et blokdiagram af GC × GC-TOF-MS-system anvendt i denne undersøgelse). En modulator er beliggende mellem prespasningen stik og sekundære kolonner til fælde, omlægge, og re-injicere spildevandet fra den primære kolonne i den sekundære kolonne ^18. Modulation forekommer på det sekundære kolonne i den foreliggende undersøgelse, som vist i figur 1. Den sekundære Søjlen forbindes derefter til TOF-MS via en overføringsledning forsamling.

GC × GC-TOF-MS er tidligere anvendt til kvalitativ såvel som kvantitativ analyse af organiske prøver såsom råolie ^16,19, benzin, jet-brændstof, diesel, bio-diesel, og den organiske fraktion af bio-brændstof ^{20- 22} fremstillet af termo-kemisk samt termo-katalytisk omdannelse processer ^23,24. Til karakterisering af disse organiske prøver i GC × GC-TOF-MS instrumenter, en lang upolær kolonne wsom anvendes som det primære kolonne, mens en kort polær søjle blev anvendt som det sekundære kolonne. Denne konventionelle kolonne konfiguration løser kemiske forbindelser baseret på forskelle i volatiliteten over den første dimension, efterfulgt af polaritet i den anden dimension ^18. Vandige eller vandprøver fra biologiske processer, forarbejdning af fødevarer og miljømæssige affald blev også karakteriseret ved hjælp af tilsvarende sekundære / primære kolonne konfigurationer efter prøven havde været igennem forberedelse trin ^17,25-30. Prøveforberedelse teknikker såsom derivatisering, fastfaseekstraktion, og organiske ekstraktionsopløsningsmiddel er alle blevet anvendt før GC × GC-TOF-MS-analyse ^{17,27-29,31,32.} Disse teknikker havde til formål at mindske polariteten af forbindelser i prøven til analyse ved hjælp af en konventionel kolonne konfiguration ^33. En alternativ strategi blev anvendt i denne undersøgelse baseret på arten af ​​prøven (her polære organiske forbindelser i vand)udnytte den omvendte primær / sekundær kolonne konfiguration for GC × GC-TOF-MS-analyse. Eftersom den vandige fraktion af bio-råolie fremstillet af HTL har polære forbindelser ^13, blev en søjle kombination af en primær polære søjler og en sekundær apolære kolonne anvendes i GC × GC-TOF-MS uden nogen opstrøms prøvefremstilling. Denne primære / sekundære kolonne kombination løser kemiske forbindelser baseret på forskelle i polaritet end den første dimension, efterfulgt af volatilitet i den anden dimension. Begrænsede analysemetoder findes i litteraturen til karakterisering af vandige prøver ved hjælp af todimensional gaskromatografi uden forudgående prøve behandling ^15.

Formålet med denne undersøgelse var at bestemme de kemiske forbindelser, der findes i den vandige fraktion af alger bio-råolie. For at nå dette mål, en GC × GC-TOF-MS datafangst Metoden er udviklet med en kolonne kombination af polære søjle (primAry) × ikke-polær (sekundær). Klenn et al. (2015) foreslog, at forøgelse af længden af den primære kolonne (især 60 m GC kolonner) og sænke offset temperatur for den sekundære søjle med hensyn til det primære kolonne ville maksimere peak kapacitet og opløsning ^16-18. Derfor er en 60 m primær kolonne og 5 ° C offset temperatur for den sekundære søjle med hensyn til det primære kolonne blev anvendt i denne undersøgelse. Den optimale periode graduering blev bestemt efter en protokol beskrevet i denne undersøgelse (se afsnit 4). Den optimale stigningsgrad på GC-kolonne temperaturen blev bestemt ved en trial and error metoden og svarer til den værdi, foreslået i litteraturen ^16-18. At diskutere fordelene ved denne kolonne kombination til vandige prøver, har vi analyseret HTL alger vandprøver med den konventionelle kolonne kombination af ikke-polære × polære. Driftsparametre foreslået i litteraturen blev anvendt til at analysere vandigedel af alger bio-råolie med en ikke-polær × polære søjler kombination ^18.

Protocol

1. Prøvefremstilling Generere en blandet vandig / organisk produktstrøm via kontinuerlig strøm HTL af alger ifølge reaktoren design og eksperimentelle procedure findes i litteraturen 10,11. Brug en tyngdekraft separator til adskillelse af produktstrømmen ind i en vandig fase og organisk fase. Filter 10 ml af HTL vandige fase ved hjælp af et 0,45 um sprøjte filter og opbevares i køleskab holdes på 4 ° C i GC × GC-TOF-MS-analyse. 2. Inst…

Representative Results

En komplet ionkromatogram (TIC) opnået for den vandige fraktion af alger bio-rå analyseret med en kolonne kombination af polære × upolær er vist i figur 4. Retentionstider og lighed eller match faktor værdierne for forbindelser identificeret ved at søge mod en National Institute of Standards and Technology (NIST) bibliotek er tabuleret i tabel 1. oxygenatorer (såsom cyclopenatanone, furanic forbindelser og dianhydromannitol) og organiske syrer (h…

Discussion

Resultater illustrerer klart evnen af ​​kolonnen kombination af polære × upolært at løse polære forbindelser og lette flygtige stoffer til stede i den vandige fraktion af alger bio-råolie uden forudgående prøveforberedelse teknikker. Drastiske peak haledannelse blev observeret for organiske syrer og N-forbindelser, mens anvendelse af den ikke-polære × polære søjler kombination. Denne top hale blev ikke observeret for de tidlige eluerende lys økologi. Denne adfærd har været reproducerbar ved verificeri…

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