Kvalitativ karakterisering av den vattenhaltiga fraktionen från Hydrothermal Förvätskning av Alger Använda 2D gaskromatografi med Time-of-flight-masspektrometri

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

Tvådimensionell gaskromatografi i kombination med time-of-flight-masspektrometri är ett kraftfullt verktyg för att identifiera och kvantifiera kemiska komponenter i komplexa blandningar. Den används ofta för att analysera bensin, flygbränsle, diesel, biodiesel och den organiska fraktionen av bio-rå / bioolja. I de flesta av dessa analyser, är den första dimensionen av separation icke-polära, följt av ett polärt separation. De vattenhaltiga fraktionerna av bio-råolja och andra vattenprover från produktion av biobränsle har undersökts med liknande kolumn kombinationer. Emellertid provberedningstekniker såsom derivatisering, lösningsmedelsextraktion, och fastfas-extraktion var nödvändiga före analys. I denna studie var vattenhaltiga fraktioner erhållna från den hydrotermiska kondensering av alger som kännetecknas av två-dimensionell gaskromatografi i kombination med time-of-flight-masspektrometri utan föregående provberedningstekniker med användning av ett polärt separation i den första dimensionen följtav en icke-polär separation i den andra. Tvådimensionella tomter från denna analys jämfördes med de som erhållits från den mer traditionella kolumnen konfiguration. Resultat från kvalitativ karakterisering av de vattenhaltiga fraktionerna av alger bio-rå diskuteras i detalj. Fördelarna med att använda ett polärt separation följt av ett icke-polärt separation för karakterisering av organiska ämnen i vattenhaltiga prover genom tvådimensionell gaskromatografi i kombination med time-of-flight-masspektrometri är markerade.

Introduction

Stadig tillväxt i efterfrågan på flytande bränslen, ändliga resurser av fossila bränslen, osäkerhet av fossila bränslen, och oro över den ökande koncentrationen av växthusgaser i atmosfären har ökat global medvetenhet för förnybara resurser ^1. Solenergi (inklusive solceller och solvärme), vindkraft, vattenkraft, jordvärme och biomassa är de främsta förnybara energikällor som skulle kunna ersätta fossilt ursprung energi ^2. Av dessa är biomassa den enda kolbaserade alternativ energikälla för produktion av flytande bränslen transportkostnader och högvärdiga kemikalier ^3. Biomassa innehåller något organiskt material, såsom skogsresurser, jordbruksrester, alger, oljeväxter, fast kommunalt avfall, och kolrika industriavfall (t.ex. från massa- och pappersindustrin eller från livsmedelsindustrin) ^1. Biomassa indelas i två huvudkategorier: lignocellulosa och icke-vedartade råvaror baserade på compositions egenskaper. Lignocellulosa består av kolhydrater och lignin, medan icke-vedartade råvaror har proteiner, kolhydrater och lipider / oljor ^4. Lignocellulosa råvaror, som härrör från landväxter, kan bara tillfredsställa 30% av den nuvarande flytande bränsle (bensin, flygbränsle och diesel) efterfrågan om hållbart odlade och skördade ^5,6. Därför icke-vedartade akvatiska mikroorganismer, såsom mikroalger och svampar, anses potentiella råvaror för produktion av förnybara bränslen för att komplettera lignocellulosa resurser.

Mikroalger råvaror har potential att tillgodose nuvarande flytande bränslen transport kräver ^7,8. Alger har många fördelar: hög areal produktivitet ^8, förmågan att växa i låg kvalitet, bräckt eller havsvatten ^9, och förmågan att ackumulera energitäta triglycerider eller kolväten ^7,8. Hydrotermiska kondense (HTL) är en livskraftig och skalbar conVersion process som utnyttjar vatten naturligt associerad med alger eller vatten råvaror ^10,11. Det är en termokemisk process med arbetstemperaturer av 250-400 ° C och driftstryck av 10-25 MPa, vilket ger en flytande produkt, eller bio-råolja, som kan uppgraderas till en bränsleblandning lager. Bio-rå framställs av HTL av alger har urskiljbara och lätt separerbara organiska och vattenbaserade fraktionerna. Den organiska fraktionen av biologiskt rå effektivt kan omvandlas till ett raffinaderi färdig blandning lager via katalytiska hydrobehandlingsprocesser ^11. Den vattenhaltiga fraktionen av bio-rå innehåller ~ 30% av den totala kol närvarande i algal råmaterial. Trots att tusentals föreningar har identifierats i HTL vattenströmmen, de dominerande fraktioner bestå av lågmolekylära oxygenater (inklusive syror, alkoholer, ketoner och aldehyder) som bildats genom nedbrytning av kolhydrater och lipider, och kväveheterocykler (inklusive pyrroler, pyridiner , pyrazines, och imidazoler) härrörande från protein nedbrytning ^12. Studier på att utnyttja vattenfraktionen för att förbättra ekonomin för hela processen samt hållbarhet pågår. Syntesgas kan produceras från den vattenhaltiga fraktionen av alger bio-rå via katalytisk hydrotermisk förgasning ^{10,13, 14.} Alternativt, organiska i vattenfraktionen kan också katalytiskt omvandlas till bränsletillsatser och specialkemikalier. Forskning på att optimera katalytiska hydrotermisk förgasning och katalysatorscreeningstudier för omvandling av organiska ämnen i den vattenbaserade vätskefasen pågår vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). För detta arbete, såväl kvalitativa som kvantitativa karakteriseringen av den vattenhaltiga fraktionen av alger bio-rå krävs. Eftersom vatten fraktionen av alger bio-råolja anses vara en avfallsström, det finns mycket få studier som har analyserat den vattenhaltiga fraktionen av alger bio-rå ^13,15. Dessutom senasteStudier har visat att omvandla denna HTL alger vatten i högt värde bioprodukter skulle förbättra hållbarheten samt ekonomi av en HTL-baserad bioraffinaderi ^11. Därför fokuserade studien på att utveckla en metod för kvalitativ karakterisering av vattenfraktionen av bio-rå erhållen från HTL av alger genom tvådimensionell gaskromatografi i kombination med time-of-flight masspektrometri (GC × GC-TOF-MS).

GC × GC-TOF-MS är den mest lovande kromatografisk analysteknik för att öka upplösningen (eller separation av kemiska föreningar i ett prov), toppkapacitet (dvs. antal upplösta toppar), signal-till-brus-förhållande (för identifiering av kemiska föreningar med hög tillförlitlighet), och för att undvika samtidig eluering av kemiska föreningar ^16. För att maximera upplösningen, toppkapacitet, och signal-till-brusförhållande, är två GC-kolonner med olika stationära faser kopplade i serie med hjälp av en presspassning connector eller mikro union ¹⁷ (se figur 1 som är ett blockschema över GC × GC-TOF-MS-system som används i denna studie). En modulator ligger mellan presskoppling och sekundära kolonnerna att fånga, fokusera, och injicera utloppen från primärkolonnen i sekundär kolonnen ^18. Modulering inträffar på den sekundära kolonnen i den föreliggande studien som visas i figur 1. Den sekundära Kolonnen ansluts sedan till TOF-MS via en överföringsledning aggregat.

GC × GC-TOF-MS användes tidigare för kvalitativ och kvantitativ analys av organiska prover såsom råolja ^16,19, bensin, jetbränsle, diesel, biodiesel, och den organiska fraktionen av biobränsle ^{20- 22} framställs av termokemisk samt termo katalytisk omvandlingsprocesser ^23,24. För karakterisering av dessa organiska prover i GC × GC-TOF-MS instrument, en lång icke-polär kolonn wsåsom det används som den primära kolonnen, medan en kort polär kolonn användes som den sekundära kolonnen. Denna konventionella kolumn konfiguration löser kemiska föreningar baserade på skillnader i volatilitet under den första dimensionen, följt av polariteten i den andra dimensionen ^18. Vatten- eller vattenprover från biologiska processer, livsmedelsförädling, och miljö avfall karakteriserades också använda liknande primär / sekundär kolonnkonfigurationer efter provet hade gått igenom förberedelse steg ^17,25-30. Provberedningstekniker, såsom derivatisering, fast-fas-extraktion, och det organiska extraktionslösningsmedlet har alla använts före till GC × GC-TOF-MS-analys ^{17,27-29,31,32.} Dessa tekniker syftade till att minska polariteten av föreningar i analysprovet med hjälp av en konventionell kolonn konfiguration ^33. En alternativ strategi som användes i denna studie baseras på typen av prov (här polära organiska föreningar i vatten)utnyttja den omvända primära / konfiguration sekundär kolumnen för GC × GC-TOF-MS-analys. Sedan den vattenhaltiga fraktionen av biologiskt rå producerad från HTL har polära föreningar ^13, var en kolonn kombination av en primär polär kolonn och en sekundär icke-polär kolonn som användes i GC × GC-TOF-MS utan någon uppströms provberedning. Denna primära / sekundära kolumn kombination löser kemiska föreningar baserade på skillnader i polaritet över den första dimensionen, följt av volatilitet i den andra dimensionen. Begränsade analysmetoder förekommer i litteraturen för karakterisering av vattenprover med hjälp av tvådimensionell gaskromatografi utan föregående provbehandling ^15.

Syftet med denna studie var att bestämma de kemiska föreningar som finns i den vattenhaltiga fraktionen av alger bio-råolja. För att uppnå detta mål, en GC × GC-TOF-MS datainsamling metod utvecklades med en kolonn kombination av polära kolonn (primary) × opolär (sekundär). Klenn et al. (2015) föreslog att öka längden av den primära kolonnen (särskilt 60 m GC-kolonner) och sänkning av offsettemperaturen för den sekundära kolonnen med avseende på den primära kolonnen skulle maximera toppkapacitet och upplösning ^16-18. Därför är en 60 m primärkolonnen och 5 ° C offset temperaturen hos den sekundära kolonnen med avseende på den primära kolonnen användes i denna studie. Den optimala moduleringsperiod bestämdes efter ett protokoll som beskrivs i denna studie (se avsnitt 4). Den optimala ramphastighet av GC kolonntemperaturen bestämdes genom en trial and error-metoden och liknar värdet föreslagits i litteraturen ^16-18. Att diskutera fördelarna med denna kolumn kombination för vattenprover, har vi analyserat HTL alger vattenprov med den konventionella kolonnen kombinationen av icke-polära × polära. Driftsparametrar som föreslås i litteraturen användes för att analysera den vattenbaseradefraktion av alger bio-råolja med en icke-polär × polär kolonn kombination ^18.

Protocol

1. Provframställning Generera en blandad vatten / organisk produktström via kontinuerligt flöde HTL av alger enligt den reaktorkonstruktion och experimentell procedur finns i litteraturen 10,11. Använder en gravitationsavskiljare för att separera produktströmmen i en vattenfas och organisk fas. Filter 10 ml av HTL vattenfasen med hjälp av en 0,45 um sprutfilter och förvara i kylskåp som hölls vid 4 ° C för GC × GC-TOF-MS-analys. 2. I…

Representative Results

Totalt jonkromatogram (TIC) som erhållits för den vattenhaltiga fraktionen av alger bio-rå analyseras med en kolonn kombination av polära × opolärt visas i figur 4. Retentionstider och likhet eller matcha faktorvärden av föreningar identifierade genom att söka mot en National Institute of Standards and Technology (NIST) bibliotek är sammanställda i tabell 1. oxygenater (såsom cyclopenatanone, furanic föreningar och dianhydromannitol) och org…

Discussion

Resultaten visar tydligt förmågan hos kolonnen kombinationen av polära × opolärt att lösa polära föreningar och lätta flyktiga ämnen som är närvarande i den vattenhaltiga fraktionen av alger bio-rå utan föregående provberedningstekniker. Drastisk topp svansning observerades för organiska syror och N-föreningar samtidigt med användning av det icke-polära × polär kolonn kombination. Denna topp svansobserverades inte för tidigt eluerade lätta organiska ämnen. Detta beteende har varit reproducerbara …

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