يتم عرض طرق تفصيلية لإنتاج وقود الديزل الحيوي جنبا إلى جنب مع الرئيسين عزل alkenones كما coproducts قيمة من الطحالب ذهبي متساوي التجاري.
الحاجة إلى استبدال المحروقات البترولية مع البدائل من مصادر مستدامة بيئيا المتجددة وأكثر من ذلك هي من الأهمية المتزايدة. اكتسبت الوقود الحيوي المشتق من الكتلة الحيوية اهتماما كبيرا في هذا الصدد، وتراجعت ولكن الأولى الوقود الحيوي من الجيل من المحاصيل الصالحة للأكل مثل الايثانول من الذرة أو وقود الديزل الحيوي فول الصويا عموما من صالح. وبالتالي فإن هناك اهتماما كبيرا في تطوير أساليب لإنتاج الوقود السائل من المصادر غير الصالحة للأكل المحلية ومتفوقة. نحن هنا وصف الإجراء مفصلة لإنتاج الديزل الحيوي المنقى من ذهبي متساوي الطحالب البحرية. بالإضافة إلى ذلك، يتم عزل مجموعة فريدة من الدهون غير المشبعة المعروفة باسم alkenones سلسلة طويلة بشكل متواز، وcoproducts قيمة محتملة لتعويض تكلفة إنتاج وقود الديزل الحيوي. ويتم شراء كميات متعددة كيلوغرام من ذهبي متساوي من اثنين من مصادر تجارية، واحد كما عجينة الرطب (80٪ ماء) والتي يتم تجفيفها أولا قبل تجهيزها، وبعد التمديدلها مسحوق طحن الجاف (95٪ الجافة). يتم استخراج الدهون مع hexanes في جهاز سوكسليت لإنتاج النفط الطحالب ( "النفط الهكسان الطحالب") الذي يحتوي على الدهون التقليدية (أي، الدهون الثلاثية، 46-60٪ ث / ث) وalkenones (16-25٪ ث / ث). التصبين من الدهون الثلاثية في مجال النفط الطحالب يسمح لفصل ينتج عن ذلك من الأحماض الدهنية الحرة (FFAs) من الدهون المحايدة التي تحتوي على alkenone. ثم يتم تحويل FFAs إلى وقود الديزل الحيوي (أي الأحماض الدهنية استرات الميثيل، جوع) من خلال الأسترة الحمضية المحفز في حين يتم عزل alkenones وتنقيته من الدهون المحايدة التبلور. علينا أن نبرهن على وقود الديزل الحيوي من كل الكتل الحيوية ذهبي متساوي التجارية لديها الشخصية شهرة مماثلة لكنها ليست متطابقة، والتي تتميز محتويات الأحماض الدهنية غير المشبعة مرتفعة (حوالي 40٪ ث / ث). وكانت غلة وقود الديزل الحيوي أعلى باستمرار عند بدءا من عجينة الرطب ذهبي متساوي (12٪ ث / ث مقابل 7٪ ث / ث)، والتي يمكن أن تعزى إلى انخفاض كميات من منظمة اوكسفام الدولية الهكسان الطحالبل تم الحصول عليها من المنتج ذهبي متساوي المجفف.
وقد كانت هناك مؤخرا تجدد كبيرا من الاهتمام في الوقود الحيوي من الطحالب، وخاصة لإنتاج الوقود السائل مثل وقود الديزل الحيوي 1 وغيرها من الزيوت المشتقة من الكتلة الحيوية. 2 الفوائد المقترحة تشمل تجنب بعض المواد الغذائية مقابل الخلافات وقود 3 والإنتاجيات أعلى تردد وقدرات التخفيف CO 2 من المحاصيل الزراعية التقليدية. 4 هذا يتبع بدأ ما يقرب من 20 عام الولايات المتحدة وزارة برنامج الأنواع المائية للطاقة (ASP) في عام 1978 لغرض التحقيق وقود النقل من الطحالب. كما هو مبين في تقرير شيهان، وانتهت 5 البرنامج في عام 1996 في المقام الأول لأن التكاليف المتوقعة لم تكن قادرة على المنافسة مع النفط الخام في ذلك الوقت (18.46 $ للبرميل (159 لتر)). في حين أن تكلفة البترول قد زادت بشكل كبير منذ ذلك الحين (87.39 $ للبرميل في عام 2014) 6، وهذا مرتبط إلى نهضة في مجال البحوث الوقود الحيوي الطحالب، وبعض حقال افي أن على الرغم من ذلك الوقود الحيوي من الطحالب سوف يثبت مكلفة للغاية. 7 واستراتيجية واحدة لتعويض تكاليف إنتاج الوقود الحيوي، وقد برز مفهوم coproducts القيمة المضافة بين كل من النقاد 7،8 وأنصار 9،10 وملامح واحدة من الأسباب الرئيسية ل السعي الوقود الحيوي من الطحالب في وزارة الطاقة الأمريكية (وزارة الطاقة) "الوطنية الطحالب الوقود الحيوي تقنية خريطة الطريق". 11
نحن هنا تصف طريقة لالإنتاج المشترك للتيارين وقود منفصلة من الطحالب ذهبي متساوي التجاري. فقد ركزنا على ذهبي متساوي في جزء لأنه أنتج بالفعل صناعيا، تحصد لأغراض تربية الأحياء البحرية، وأيضا بسبب ذهبي متساوي هي واحدة من عدد قليل من أنواع الطحالب أنه بالإضافة إلى الدهون التقليدية (أي الأحماض الدهنية) biosynthesize فئة فريدة من وتتميز المركبات المعروفة باسم غير المشبعة alkenones سلسلة طويلة. 12 مبنى Alkenone التي كتبها l جدا السلاسل الهيدروكربونية أونغ (36-40 الكربون)، 2-4 غير الميثيلين-توقف السندات -double غير المشبعة، والميثيل أو إثيل كيتون (الشكل 1). Alkenone التشبع حساس إلى الطحالب التي تنمو في درجة الحرارة، 13،14 مثل أن نسبة alkenone الميثيل C37 diunsaturated (ما يسمى ب "مؤشر التشبع") يمكن استخدامه كبديل لدرجات حرارة سطح البحر الماضية 15 – 20 Alkenones هي يعتقد أن يقيم في الهيئات الدهون حشوية، ويمكن أن تكون أكثر وفرة من الدهون الثلاثية (الكلمات). 21،22 تحت النيتروجين أو الحد الفوسفور، وتصل إلى 10-20٪ من الكربون خلية في مرحلة ثابتة ومتراكمة كما alkenones. 23،24 من و جهة النظر التطورية، قد يكون فضل alkenones على الكلمات لأن العابرة الهندسة السندات -double من توفر شكلا أكثر استقرارا من تخزين الطاقة. 21
189fig1.jpg "/>
الشكل 1. هياكل alkenones سلسلة طويلة غير المشبعة المتعددة alkenone المشتركة الميثيل 37: 3 معزولة عن ذهبي متساوي تجسد أطوال السلسلة الهيدروكربونية طويلة (36-40 الكربون)، العابرة غير الميثيلين-تنقطع الروابط المزدوجة، وإنهاء في الميثيل أو إثيل كيتون. تسمية مشابهة للأحماض الدهنية حيث #: # يشير إلى عدد ذرات الكربون: عدد من روابط مزدوجة الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
نحن نرى أن alkenones تمثل واعدة المواد الخام الكربون المتجددة من الطحالب مشترك مع تاريخ من زراعة الصناعية. 25 وقود الديزل الحيوي المنتجة مباشرة من إجمالي استخراج الدهون من ذهبي متساوي يحتوي على كمية كبيرة (10-15٪ ث / ث) من alkenones والتلوث هذه المركبات ذوبان عالي نتائج في خصائص الفقراء وقود تدفق الباردة. ومع ذلك، باستخدام رانه التقنيات التصبين / استخراج الموصوفة هنا، alkenones يمكن إزالتها واستردادها وبالتالي تحسين نوعية وقود الديزل الحيوي في حين أن إنتاج تيار المنتج الثانوي. مؤخرا أثبتنا تحويل alkenones إلى وقود سائل من قبل عبر وصفت الابدال والاحلال مع 2-بيوتين (butenolysis). 26 إن رد الفعل butenolysis توظف الروتينيوم التجاري وصفت الابدال والاحلال في المبادرة، تحدث بسرعة في درجة حرارة منخفضة، ونظيفة يسلم خليط يمكن التنبؤ به من وقود الطائرات الهيدروكربونات النطاق. يتم تنفيذ هذا التفاعل بالتوازي مع التوليف وقود الديزل الحيوي من الأحماض الدهنية، التي تمثل الخطوات الأولى نحو نهج "معامل تكرير أحيائية" 27 لانتاج الوقود الحيوي ذهبي متساوي مجدية تجاريا.
ذهبي متساوي واحدة فقط لعدد مختار من أنواع الطحالب تربيتها صناعيا، تحصد كمكون أساسي من تغذية الأسماك الصدفية، وبالتالي ممثل النطاق اللازم لإنتاج الوقود الحيوي. توافر الطحالب المستخدمة والأساليب القياسية المستخدمة في هذه الدراسة، وجعل بروتوكول قدم الوصول على نطاق واسع لمجموعات أخرى لمزيد من التحقيقات. وتشمل الخطوات الحاسمة الطحالب (في مقابل lyophilizing 33) تجفيف الهواء، واستخراج المذيبات، التصبين، والأسترة. من خلال هذه العمليات يمكن للمرء أن دراسة غلة الدهون وcoproducts أخرى من ذهبي متساوي مختلف المتاحة 30. ومن المتوقع أن هذه قد تختلف نتيجة للضغوط وأساليب زراعة، 31 اختلاف ويمكن أيضا أن تتأثر طبيعة المنتج وأي معالجة إضافية (على سبيل المثال، والتجفيف أو التجميد) المستخدمة من قبل المورد. كما علينا أن نظهر هنا، بروتوكول تطويرإد يمكن تطبيقه بنجاح لأنواع مختلفة من المنتجات ذهبي متساوي، بدءا من عجينة رطبة إلى مسحوق طحن الجاف. وكانت غلة وقود الديزل الحيوي ولكن أقل من الكتلة الحيوية مسحوق (7٪ ث / ث مقابل الكتلة الحيوية الجافة 12٪ ث / ث من عجينة المجفف)، والتي تتطابق مع كميات أقل من النفط الطحالب (ح-AO) المستخرج. قد يوحي هذا بأن البروتوكول استخراج بديل 32 آخرين من جهاز سوكسليت قد تكون أكثر ملاءمة للالجافة المنتجات ذهبي متساوي المجفف. تم الإعلان عن مسحوق ذهبي متساوي المستخدمة في هذه الدراسة كما تحتوي على 23-25٪ دهون، والتي على غرار ما حصلنا عليها تجريبيا من المجفف معجون ذهبي متساوي. 33،34،26
وعلى الرغم من ألوان مختلفة من الكتلة الحيوية الجافة البدء، كانت Iso- معجون هاو وايزو -powder هاو لا يمكن تمييزها بشكل أساسي، سواء خضراء داكنة / بالقرب المواد الصلبة السوداء مع نقطة انصهار ما يقرب من 50 درجة مئوية. ومن المثير للاهتمام، أن نسبة FFAs إلى الشفاه المحايدةوكانت هويات داخل مقتطفات الهكسان مختلفين. بعد التصبين وفصل الدهون محايدة، حصلنا على 60٪ (ث / ث) FFAs و 40٪ (ث / ث) الدهون محايدة من ايزو -paste هاو. أنتجت Iso- مسحوق هاو في المتوسط 46٪ (ث / ث) FFAs و 54٪ (ث / ث) الدهون محايدة. وتشير النتائج إلى أن أيا من الكتلة الحيوية مسحوق ابتداء قد تحتوي على كميات عالية من الدهون محايدة قريبة ل المشتقات الاتحاد الانجليزي من عجينة ذهبي متساوي، أو أن استخراج سوكسليت من مسحوق ذهبي متساوي انتقائي إلى حد ما عن الدهون محايدة.
لم تكن فقط العوائد من المنتجات التي تم الحصول عليها من ذهبي متساوي التجاري اثنين من الكتل الحيوية المختلفة، ولكن أيضا لمحات الأحماض الدهنية من وقود الديزل الحيوي الناتجة عن ذلك. وهذا أمر مهم، وخصائص وقود الديزل الحيوي من تعتمد اعتمادا مباشرا على طبيعة ومحتويات جوع الفردية. 35 ليكون تجاريا، عن وقود الديزل الحيوي يجب أن تتفق مع المعايير الموضحة في وثائق ASTMD6751 أو EN 14214 في الولايات المتحدة أو أوروبا على التوالي. وتشمل مواصفات نطاقات مداهنة واللزوجة الحركية، والقيم الدنيا لعدد السيتاني والاستقرار التأكسدي. ترتبط التوصيات الهامة الأخرى لخصائص تدفق الباردة في شكل سحابة نقطة (CP) أو فلتر البارد نقطة يسد (CFPP). لقد ذكرت سابقا نتائج الاختبارات وقود الديزل الحيوي شامل لإعداد عجينة من Iso- 36 منذ الشخصية شهرة من وقود الديزل الحيوي المستخرج من -powder ايزو في هذه الدراسة هو مماثلة لتلك التي تم اختبارها سابقا، يمكننا التنبؤ خصائص وقود معينة لتكون مشابهة لكل من وقود الديزل الحيوي. على سبيل المثال، والأحماض الدهنية غير المشبعة (PuFAMEs، أكثر من اثنين من السندات مزدوجة) تمثل حوالي 40٪ من كل من خليط FAME (35.2٪ و 39.9٪، الجدول 2). هذا وسوف يؤدي ذلك إلى ضعف الاستقرار التأكسدي ومواتية تدفق البارد. 35 ولكن هناك اختلافات طفيفة في ملامح شهرة من biodie اثنينالوقود قانون حالة الطوارئ. وقود الديزل الحيوي المستخرج من ذهبي متساوي المجفف يحتوي على كميات أكبر من 14: 0 (19.4 ملغ / غ مقابل 16.4 ملغ / غ)، 18: 3 (13.5 ملغ / غ مقابل 8.5 ملغ / غ)، و 22: 6 (11.0 ملغ / ز مقابل 6.9 ملغ / غ) جوع، ولكن كميات أقل من 18: 4 (10.4 ملغ / غ مقابل 19.8 ملغ / غ). يبقى مدى تأثير هذه الاختلافات على مختلف خصائص الوقود الواردة في معايير ASTM للتحقيق معهم.
وكان وقود الديزل الحيوي الأولي تم الحصول عليها من كلا التجاري ذهبي متساوي الطحالب بالمثل خضراء داكنة اللون والتي يمكن تفسيرها من خلال وجود الكلوروفيل (36). وقد تم الإبلاغ عن الكلوروفيل ومشتقاته أن يكون لها تأثير سلبي على استقرار الزيوت النباتية وقود الديزل الحيوي المقابلة. 36،29 استنادا إلى طريقة Issariyakul والدالاي لdecolorizing زيت الكانولا greenseed في اتصال مع إنتاج وقود الديزل الحيوي، 29 التحريك لدينا وقود الديزل الحيوي الأخضر أكثر من 10٪ (ث / ث) MK10 على 60 درجة مئوية لمدة 1 ساعة وأسفرت بطريقة مثيرةانخفاض في محتوى الصبغة عن طريق التفتيش البصري (المرجع الشكل 2). وكانت المبالغ المستردة الجماعية من عملية إزالة اللون في المتوسط 90٪.
وكانت غلة alkenones تنقيته من Iso- معجون هاو وIso- مسحوق هاو الدهون محايدة مقارنة بنسبة 40٪ و 46٪ ث / ث التوالي (الجدول 1). منذ الدهون محايدة تمثل نسبة أعلى من المواد الواردة في Iso- مسحوق هاو (54٪ ث / ث مقابل 40٪ ث / ث)، alkenone العائد من Iso- مسحوق هاو يتجاوز Iso- معجون هاو العائد alkenone قبل ما يقرب من 10٪ (25٪ ث / ث مقابل 16٪ ث / ث). ومع ذلك، بالنظر إلى أن العوائد من Iso- مسحوق هاو نفسها كانت أقل من Iso- معجون هاو (15٪ مقابل 20٪ ث / ث)، والمحاصيل الشاملة للalkenones من كل الكتل الحيوية ذهبي متساوي الجافة هي أكثر مماثلة (0.2 X 0.4 X 0.4 = 3.2٪ ث / ث من المجفف معجون ذهبي متساوي و 0.15 X 0.54 X 0.46 = 3.7٪ من مسحوق ذهبي متساوي).
The authors have nothing to disclose.
وأيد هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية (سويسرا-1151492)، شمال غرب المتقدم مصادر الطاقة المتجددة التحالف (الزمالة إلى J. ويلسون، بلتيير)، وذلك عن طريق منحة خاصة من أصدقاء معهد وودز هول. نشكر كيفن ر Steidley وكيم Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) للحصول على المساعدة التقنية الممتازة.
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). |