Caracterización cualitativa de la fracción acuosa de hidrotérmico Licuefacción de algas mediante 2D cromatografía de gases con espectrometría de masas de tiempo de vuelo

Resumen

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.

Resumen

cromatografía de gases bidimensional acoplada a espectrometría de masas de tiempo de vuelo es una poderosa herramienta para la identificación y la cuantificación de componentes químicos en mezclas complejas. A menudo se utiliza para analizar la gasolina, combustible de aviación, diesel, biodiesel y la fracción orgánica de bio-crudo / bio-aceite. En la mayoría de los análisis, la primera dimensión de separación es no polar, seguido de una separación polar. Las fracciones acuosas de bio-crudo y otras muestras acuosas de la producción de biocombustibles se han examinado con combinaciones de columnas similares. Sin embargo, las técnicas de preparación de muestras, tales como la derivatización, extracción con disolvente, y la extracción en fase sólida eran necesarias antes del análisis. En este estudio, las fracciones acuosas obtenidas a partir de la licuefacción hidrotérmica de algas se caracterizaron por cromatografía de gases bidimensional acoplada a espectrometría de masas de tiempo de vuelo sin técnicas de preparación de muestra anterior que utilizan una separación polar en la primera dimensión seguidopor una separación no polar en el segundo. parcelas de dos dimensiones de este análisis se compararon con los obtenidos a partir de la configuración de columna más tradicional. Los resultados de la caracterización cualitativa de las fracciones acuosas de algas bio-crudo se discuten en detalle. Las ventajas de utilizar una separación polar seguido por una separación no polar para la caracterización de los compuestos orgánicos en muestras acuosas por cromatografía de gases bidimensional acoplada a espectrometría de masas de tiempo de vuelo están resaltados.

Introducción

El crecimiento constante de la demanda de combustibles líquidos, los recursos de combustibles fósiles finitos, la incertidumbre de los suministros de combustibles fósiles, y la preocupación por el aumento de la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera han aumentado la conciencia global de los recursos renovables ^1. La energía solar (incluyendo la energía fotovoltaica y solar térmica), energía eólica, energía hidroeléctrica, geotérmica y biomasa son las fuentes primarias renovables que potencialmente podrían reemplazar a la energía fósil derivado ^2. De éstas, la biomasa es la única fuente energética alternativa basada en el carbono para la producción de combustibles para el transporte de líquidos y productos químicos de alto valor ^3. La biomasa incluye cualquier material orgánico tales como los recursos forestales, residuos agrícolas, algas, semillas oleaginosas, los residuos sólidos municipales y residuos industriales ricos en carbono (por ejemplo, de la industria de celulosa y papel o de procesamiento de alimentos) ^1. La biomasa se clasifica en dos grandes categorías: las materias primas lignocelulósicas y no leñosas basado en comcaracterísticas posicionales. La biomasa lignocelulósica se compone de hidratos de carbono y la lignina, mientras que las materias primas no leñosas tienen proteínas, carbohidratos y lípidos / aceites ^4. Materias primas lignocelulósicas, derivados de plantas terrestres, sólo pueden satisfacer el 30% de la corriente de combustible líquido (gasolina, combustible de aviación, y el diesel) si la demanda sostenible cultivadas y recolectadas en ^5,6. materias primas potenciales, por lo tanto, los microorganismos acuáticos no leñosas, tales como las microalgas y hongos, se consideran para la producción de combustibles líquidos renovables para complementar los recursos lignocelulósicos.

Materias primas de microalgas tienen el potencial para satisfacer los combustibles líquidos para el transporte actual exigen ^7,8. Las algas tienen muchas ventajas: alta productividad por área ^8, la capacidad de crecer en baja calidad, salobre o agua de mar ^9, y la capacidad de acumular triglicéridos o hidrocarburos ^7,8 de alto contenido energético. licuefacción hidrotermal (HTL) es un co viable y escalablenVersión procedimiento que utiliza agua de forma natural asociado con materias primas de algas o acuáticas ^10,11. Es un proceso termoquímico con temperaturas de operación de 250-400 ° C y presiones de operación de 10-25 MPa, que produce un producto líquido, o bio-crudo, que se puede aumentar en una mezcla de combustible. Bio-crudo producido a partir de algas HTL tiene fracciones orgánica y acuosa distinguibles y fácilmente separables. La fracción orgánica de los bio-crudo se puede convertir de manera eficiente en una refinería listo mezcla de la vía catalíticos procesos de hidrotratamiento ^11. La fracción acuosa de bio-crudo contiene ~ 30% de la total presente de carbono en el material de alimentación de algas. Aunque miles de compuestos se han identificado en la corriente acuosa HTL, las fracciones predominantes consisten de compuestos oxigenados bajo peso molecular (que incluyen ácidos, alcoholes, cetonas y aldehídos) formados por la degradación de los hidratos de carbono y lípidos, y heterociclos de nitrógeno (incluyendo pirroles, piridinas , pirazinES, y imidazoles) derivadas de la descomposición de proteínas ^12. Los estudios sobre la utilización de la fracción acuosa para mejorar la economía global del proceso, así como la sostenibilidad están en curso. El gas de síntesis puede producirse a partir de la fracción acuosa de algas bio-crudo mediante gasificación hidrotermal catalítica ^{10,13, 14.} Alternativamente, compuestos orgánicos en la fracción acuosa también pueden ser convertidos catalíticamente para aditivos de combustibles y productos químicos especiales. La investigación sobre la optimización de los estudios de gasificación hidrotermal y de cribado de catalizador para la conversión catalítica de compuestos orgánicos en la fase líquida acuosa está llevando a cabo en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste (PNNL). Para este trabajo, tanto cualitativa como cuantitativa caracterización de la fracción acuosa de algas bio-crudo se requiere. Dado que la fracción acuosa de algas bio-crudo se considera un flujo de residuos, hay muy pocos estudios que han analizado la fracción acuosa de algas bio-crudo ^13,15. Por otra parte, la recienteLos estudios concluyeron que la conversión de esta agua algas HTL en alto valor bioproductos mejoraría la sostenibilidad, así como la economía de una bio-refinería a base de HTL ^11. Por lo tanto, este estudio se centró en el desarrollo de un método para la caracterización cualitativa de la fracción acuosa de bio-crudo obtenido de HTL de las algas por cromatografía de gases bidimensional acoplada a espectrometría de masas de tiempo de vuelo (GC × GC-TOF-MS).

GC × GC-TOF-MS es la técnica más prometedora analítico cromatográfico para aumentar la resolución (o la separación de compuestos químicos en una muestra), la capacidad de pico (es decir, número de picos resueltos), la relación señal-ruido (para la identificación de compuestos químicos con alta confianza), y para evitar la co-elución de los compuestos químicos ^16. Con el fin de maximizar la resolución, la capacidad máxima, y ​​la relación de señal a ruido, dos columnas de GC con diferentes fases estacionarias se conectan en serie mediante un ajuste a presión connector o micro-unión ¹⁷ (véase la Figura 1 que es un diagrama de bloques de GC × sistema GC-TOF-MS utilizado en este estudio). Un modulador se encuentra entre el conector de ajuste a presión y las columnas secundarias para atrapar, reorientar y reinyectar los efluentes de la columna principal en la columna secundaria ^18. La modulación se produce en la columna secundaria en el presente estudio como se muestra en la Figura 1. La columna secundaria se conecta entonces a la TOF-MS a través de un conjunto de línea de transferencia.

GC × GC-TOF-MS se utilizó previamente para cualitativa, así como el análisis cuantitativo de muestras orgánicas tales como el petróleo crudo ^16,19, gasolina, jet-fuel, diesel, biodiesel, y la fracción orgánica de bio-combustible ^{20- 22} producido a partir de termo-química, así como la conversión termo-catalítica procesa ^23,24. Para la caracterización de estas muestras orgánicas en GC × instrumentos GC-TOF-MS, una larga columna no polar wtal como se utiliza como la columna principal, mientras que una columna corta polar se usó como la columna secundaria. Esta configuración de columna convencional resuelve compuestos químicos basados ​​en las diferencias de volatilidad en la primera dimensión, seguida de polaridad en la segunda dimensión ^18. Muestras acuosas o de agua de procesos biológicos, procesamiento de alimentos y desechos ambientales también se caracterizaron utilizando configuraciones similares primarias / secundarias de columna después de que la muestra había sido a través de los pasos de preparación ^17,25-30. Técnicas de preparación de muestras, tales como la derivatización, extracción en fase sólida, y la extracción de disolvente orgánico han sido utilizados antes de la GC × análisis GC-TOF-MS ^{17,27-29,31,32.} Estas técnicas se dirigen a la disminución de la polaridad de los compuestos en la muestra para el análisis utilizando una configuración de columna convencional ^33. Una estrategia alternativa se empleó en este estudio basándose en la naturaleza de la muestra (compuestos orgánicos polares aquí en agua)la utilización de la configuración / inversa primaria secundaria en la columna para GC × análisis GC-TOF-MS. Dado que la fracción acuosa de bio-crudo producido de HTL tiene compuestos polares ^13, se usó una combinación de columna de una columna polar primaria y una columna no polar secundario en el GC × GC-TOF-MS sin ninguna preparación de la muestra aguas arriba. Esta combinación columna primaria / secundaria resuelve compuestos químicos basados ​​en las diferencias de polaridad más de la primera dimensión, seguida por la volatilidad en la segunda dimensión. Existen métodos analíticos limitados en la literatura para la caracterización de las muestras acuosas utilizando cromatografía de gases bidimensional sin procesamiento previo de la muestra ^15.

El objetivo de este estudio fue determinar los compuestos químicos presentes en la fracción acuosa de algas bio-crudo. Para lograr este objetivo, un GC × método de adquisición de datos GC-TOF-MS fue desarrollado con una combinación de columna de la columna polar (primary) x no polar (secundaria). Klenn et al. (2015) sugirió que el aumento de la longitud de la columna primaria (especialmente de 60 m columnas de GC) y la reducción de la temperatura de desplazamiento de la columna secundaria con respecto a la columna primaria sería maximizar la capacidad y de la resolución ^16-18 pico. Por lo tanto, un 60 m columna primaria y 5 ° C a compensar la temperatura de la columna secundaria con respecto a la columna primaria se utilizaron en este estudio. Se determinó el período de modulación óptima siguiendo un protocolo descrito en este estudio (ver sección 4). La tasa de rampa óptima de GC temperatura de la columna se determinó por un método de ensayo y error y es similar al valor sugerido en la literatura ^16-18. Para discutir las ventajas de esta combinación en la columna para muestras acuosas, se han analizado muestras de agua algas HTL con la combinación convencional de la columna × no polares polares. Se emplearon parámetros de funcionamiento sugeridos en la bibliografía para analizar la acuosafracción de algas bio-bruto con una × no polar combinación columna polar ^18.

Protocolo

1. Preparación de muestras

1. Generar una corriente mixta acuoso / orgánico producto a través de HTL flujo continuo de algas de acuerdo con el diseño del reactor y el procedimiento experimental que se encuentra en la literatura ^10,11.
2. Use un separador por gravedad para separar la corriente de producto en una fase acuosa y fase orgánica.
3. Filtrar 10 ml de la fase acuosa HTL utilizando un filtro de jeringa de 0,45 micras y almacenar en un refrigerador mantenido a 4 ° C para GC × análisis GC-TOF-MS.

2. Componentes del equipo

1. Utilice un cromatógrafo de gases (GC) equipada con una doble etapa basada en la refrigeración modulador quad-jet y el tiempo de vuelo (TOF) espectrometría de masas (MS) para estos experimentos.
2. Configurar el muestreador automático para inyectar 1 l de cada muestra o estándar en el GC. Utilizar un diseño de bloques al azar de la muestra y las inyecciones estándar para la secuencia de auto-muestreador como se describe en la literatura ^13. la asignación aldiseño de bloques zeta se utiliza comúnmente en los estudios cuantitativos para controlar el funcionamiento del instrumento. Nuestro laboratorio utiliza el diseño de forma rutinaria, incluso en estudios comparativos para verificar el funcionamiento del instrumento.
3. Conectar la columna primaria y secundaria mediante un conector estanco de prensa antes del modulador. Asegúrese de que ambos bordes de ambas columnas primarias y secundarias son de corte recto y sin aristas vivas antes de conectarse al conector estanco de prensa.
4. Coloque la férula en la columna de GC y luego conectar la columna principal para el inyector de GC de manera que 5 mm de columna es el interior del inyector.
5. Asegúrese de que tubo de vidrio, revestimiento antiadherente junta tórica y tabiques para el inyector GC son nuevos y libres de contaminación.
6. Utilice 1/16 x 0,5 mm casquillos de línea de transferencia de ID para conectar la línea de la columna y la transferencia secundaria. Colocar una porción de 0,2 m de la columna secundaria en la línea de transferencia.
7. Asegúrese de que una porción de la columna secundaria 0,1 m está en el modulador.
8. Utilizar helio ultra alta purezagas como gas portador de GC a un caudal de 1,5 ml min ^-1.
9. Asegúrese de que hay suficiente nitrógeno líquido en el Dewar que actúa como un refrigerante en el modulador. El nivel del nitrógeno líquido en el Dewar puede predecirse utilizando un medidor de presión conectado a su salida. A 69 kPa lectura del medidor de presión indica que el Dewar está llena, mientras que 0 kPa indica que está vacía.

3. Protocolos Antes de analizar las muestras

1. Asegúrese de que no hay fugas importantes en el instrumento. Si la lectura del indicador de vacío de la TOF-MS es mayor que 2,7 x 10 ^-5 Pa para 1,5 ml caudal de la columna min ^-1 GC, esto indica una fuga importante en el sistema.
2. Puesta en marcha del método de control de calidad (CC) y ejecutar incorporado protocolo '' sistema de adquisición de ajustes para lograr la respuesta máxima de la señal utilizando el protocolo del fabricante.
3. Ejecutar incorporado protocolos 'de optimización instrumento de método de control de calidad, en la serie - Filament enfoque, el enfoque de iones óptica y pruebas de calibración de masas utilizando el protocolo del fabricante. Asegúrese de que la prueba de calibración masa pasa. Este método de control de calidad se asegura de que todos los parámetros de hardware del instrumento son a un nivel óptimo.
4. Realizar una "prueba de fugas" usando el protocolo del fabricante. Analizar genera automáticamente informe de comprobación de fugas. Asegúrese de que la concentración relativa de 28 (N _2), 32 (O ₂₎ y 18 (humedad) iones deben estar por debajo de menos de 10%, 3% y 5% de los espectros de masas de patrón interno de 69 de iones, respectivamente.
5. Sintonizar el TOF-MS mediante el protocolo del fabricante.
6. método de gestión de control de calidad, así como el protocolo sintonizar TOF-MS antes y después de comprobación de fugas y también durante el análisis de las muestras y patrones.

4. Protocolo para determinar el periodo óptimo de modulación del modulador

1. Seleccionar arbitrariamente un período de modulación de longitud (por ejemplo, 10 segundos o 13 segundos). Se inyecta una muestra como se describe en 2.2.
2. Identificar el tiempo de retención en la segunda dimensión de la gráfica de contorno después de lo cual no hay picos eluye. Seleccionar segundo tiempo de retención dimensión identificado como período de modulación óptima. Figura 2 claramente dilucidar la identificación de tiempo de retención en segundos dimensión del gráfico de contorno.
3. Aumentar el periodo de modulación utilizado en el paso 4.1 y realizar el análisis de nuevo si "envolvente" se observa ^18. Envolver alrededor de fenómenos se produce cuando los picos en la segunda dimensión se eluye por debajo de la línea de base de la primera dimensión. Ejemplo gráfico de contorno de 'envolvente' se muestra en la Figura 3 información complementaria.
4. Repita los pasos 4.2 y 4.3 hasta que se determine el valor óptimo.

5. Los parámetros experimentales de configuración del instrumento

1. Instalar un (60 mx 0,25 mm x micras de espesor de película 0,5) columna capilar como la columna principal y una no polar (2,3 mx 0,25 mm x 0,5 micras de espesor de película) Capilla polarcolumna ry como la columna secundaria. Hornear tanto la columna primaria y secundaria durante al menos 2 horas para eliminar trazas de humedad, el aire y los contaminantes asociados a las nuevas columnas de GC.
2. El uso de gas helio de pureza ultra alta como gas portador de GC a un caudal de 1,5 ml min ^-1.
3. Ajuste el inyector de GC a una temperatura de 260 ° C y una relación de división de 1: 250.
4. Emplear el siguiente programa de temperatura para la columna primaria: una temperatura constante de 40 ° C durante 0,2 minutos seguido de una rampa de temperatura a 260 ° C a 5 ° C min ^-1, seguida de una temperatura constante de 260 ° C durante 5 min.
5. Mantener el modulador de temperatura 5 ° C más alta que la de la columna secundaria y la temperatura de la columna secundaria en 5 ° C más alta que la de la columna principal.
6. Use un período de modulación óptima de 4 segundos con 0,8 segundos de pulso caliente y 1,2 segundos de pulso frío. Este valor se determina con base en el protocolo descrito en la secta4 iones.
7. Ajuste la temperatura del tubo de transferencia hasta 270 ° C.
8. Ajuste el retardo de adquisición o de espera para el solvente a 0 seg.
9. Establecer el rango más bajo y más alto de m / z 35 y 800, respectivamente.
10. Ajuste la velocidad de adquisición detector de MS en 400 espectros / seg.
11. Mantener la tensión de detector MS a 150 V mayor que el valor optimizado.
12. Mantener la temperatura de la fuente de iones MS a 225 ° C.

Análisis 6. Datos

1. Realizar el procesamiento de los datos con el software proporcionado por el fabricante del instrumento.
2. Seleccione las siguientes tareas en el método de análisis de datos - Calcular la línea de base, encontrar picos por encima de la línea de base, de búsqueda de librerías y calcular son / altura.
3. Realizar un seguimiento de la línea de base a través del archivo de datos. Ingrese la línea de base desplazamiento como 0,5.
   Introduzca anchura de pico esperado de 15 segundos en la primera dimensión y 0,15 segundos en la segunda dimensión.
4. Establecidos de la relación señal-ruido y la similitud de 5.000 valores de> 850 para identificación de compuestos.
5. Seleccione una biblioteca de espectros de masas disponible en el mercado para identificar compuestos químicos presentes en las muestras y establecer el modo de búsqueda de librerías reenviar.
6. Procesar los archivos de datos utilizando este método de análisis de datos usando el protocolo del fabricante. Se requiere al menos 1 hora de procesar un archivo de datos.

Resultados

Un cromatograma de iones total (TIC) obtenido para la fracción acuosa de algas bio-crudo analizado con una combinación columna de × polar no polar se muestra en la Figura 4. Los tiempos de retención y los valores de similitud o factor de coincidencia de los compuestos identificados mediante la búsqueda contra una Nacional Instituto de Estándares y biblioteca Tecnología (NIST) se tabulan en la Tabla 1. oxigenados (tales como cyclopenatanone, los co...

Discusión

Results clearly illustrate the ability of the column combination of polar × non-polar to resolve polar compounds and light volatiles present in the aqueous fraction of algae bio-crude without prior sample preparation techniques. Drastic peak tailing was observed for organic acids and N-compounds while using the non-polar× polar column combination. This peak tailing was not observed for the early eluting light organics. This behavior has been reproducible when verifying the instrument is free of leaks (the vacuu...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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