Caractérisation qualitative de la fraction aqueuse de hydrothermale Liquéfaction d'algues Utilisation 2D chromatographie en phase gazeuse avec le temps de vol Spectrométrie de masse

Résumé

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.

Résumé

Chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle couplée à la spectrométrie de masse à temps de vol est un outil puissant pour identifier et quantifier les constituants chimiques dans des mélanges complexes. Il est souvent utilisé pour analyser l'essence, le kérosène, le diesel, le biodiesel et la fraction organique des bio-brut / bio-huile. Dans la plupart de ces analyses, la première dimension de séparation est non polaire, suivie d'une séparation polaire. Les fractions aqueuses de bio-brut et d'autres échantillons aqueux de la production de biocarburants ont été examinés avec des combinaisons de colonnes similaires. Cependant, les techniques de préparation d'échantillons tels que dérivatisation, extraction par solvant et l'extraction en phase solide ont été nécessaires avant l'analyse. Dans cette étude, les fractions aqueuses obtenues à partir de la liquéfaction hydrothermale d'algues ont été caractérisés par chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle couplée à la spectrométrie de masse à temps de vol sans techniques de préparation d'échantillons antérieurs utilisant une séparation polaire dans la première dimension, suiviepar une séparation non polaire dans le second. Terrain bidimensionnelles de cette analyse ont été comparées à celles obtenues à partir de la configuration plus classique de la colonne. Les résultats de la caractérisation qualitative des fractions aqueuses d'algues bio-brut sont discutés en détail. Les avantages de l'utilisation d'une séparation polaire suivie d'une séparation non polaire pour la caractérisation des matières organiques dans des échantillons aqueux par chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle couplée à la spectrométrie de masse à temps de vol sont mises en évidence.

Introduction

La croissance soutenue de la demande pour les combustibles liquides, les ressources en combustibles fossiles finis, l' incertitude de l' approvisionnement en combustibles fossiles et les préoccupations sur la concentration croissante des gaz à effet dans l'atmosphère ont augmenté la sensibilisation mondiale pour les ressources renouvelables ^1. L' énergie solaire (y compris l' énergie photovoltaïque et solaire thermique), l' énergie éolienne, l' hydroélectricité, la géothermie et la biomasse sont les sources renouvelables primaires qui pourraient remplacer l' énergie fossile dérivé ^2. Parmi ceux - ci, la biomasse est la seule ressource d'énergie alternative à base de carbone pour la production de carburants de transport liquides et à forte valeur ajoutée des produits chimiques ^3. La biomasse comprend toute matière organique comme les ressources forestières, les résidus agricoles, les algues, les oléagineux, les déchets solides municipaux et des déchets industriels riches en carbone (par exemple de l' industrie du papier ou de la transformation des aliments) ^1. La biomasse est classée en deux grandes catégories: les matières premières lignocellulosiques et non ligneuses sur la base de comles caractéristiques de position. La biomasse lignocellulosique est constitué d'hydrates de carbone et de la lignine, tandis que les matières premières non ligneuses ont des protéines, des glucides et des lipides / huiles ^4. Matières premières lignocellulosiques, dérivés de plantes terrestres, ne peut satisfaire 30% du carburant courant liquide (essence, carburéacteur et diesel) demande si durablement cultivées et récoltées ^5,6. matières premières potentielles Par conséquent, les micro-organismes aquatiques non ligneuses, comme les microalgues et les champignons, sont considérés pour la production de combustibles liquides renouvelables pour compléter les ressources lignocellulosiques.

Charges de microalgues ont le potentiel pour satisfaire les carburants de transport liquides actuelle exigent ^7,8. Les algues présentent de nombreux avantages: productivité élevée zonale ^8, la capacité de croître en basse qualité, saumâtre ou d' eau de mer ^9, et la capacité d'accumuler des triglycérides ou des hydrocarbures ^7,8 denses en énergie. Hydrothermale liquéfaction (HTL) est une co viable et évolutivenVersion procédé qui utilise l' eau naturellement associée avec des charges d' algues ou aquatiques ^10,11. Il est un processus thermo-chimique avec des températures de fonctionnement de 250-400 ° C et de fonctionnement des pressions de 10-25 MPa qui produit un produit liquide, ou bio-brut, qui peut être mis à niveau dans un mélange de carburant stock. Bio-brut produit à partir d'algues HTL a des fractions organiques et aqueuses distinctes et facilement séparables. La fraction organique des bio-brut peut être efficacement converti en une raffinerie prête pour mélange par des procédés catalytiques hydro-traitement ^11. La fraction aqueuse de bio-brut contient environ 30% du total du carbone présent dans la charge d'algues. Bien que des milliers de composés ont été identifiés dans le courant aqueux HTL, les fractions prédominantes sont constitués de composés oxygénés de faible poids moléculaire (y compris les acides, les alcools, les cétones et les aldéhydes) formés par la dégradation des glucides et des lipides et des hétérocycles d'azote (y compris les pyrroles, les pyridines , pyrazines, et imidazoles) dérivées de la protéine décomposition ^12. Les études sur l'utilisation de la fraction aqueuse pour améliorer la rentabilité globale du processus ainsi que la durabilité sont en cours. Le gaz de synthèse peut être produit à partir de la fraction aqueuse d'algues bio-brut via hydrothermique catalytique gazéification ^{10,13, 14.} En variante, les composés organiques dans la fraction aqueuse peut également être catalytiquement convertis en additifs pour carburants et produits chimiques spéciaux. La recherche sur l'optimisation des études catalytiques hydrothermal de gazéification et de criblage de catalyseur pour la conversion des matières organiques dans la phase liquide aqueuse est actuellement en cours au Northwest National Laboratory du Pacifique (PNNL). Pour ce travail, aussi bien qualitative que quantitative de la caractérisation de la fraction aqueuse d'algues bio-brut est nécessaire. Depuis la fraction aqueuse d'algues bio-brut est considéré comme un flux de déchets, il existe très peu d' études qui ont analysé la fraction aqueuse d'algues bio-brut ^13,15. En outre, la récenteétudes ont conclu que la conversion de ce HTL l' eau d'algues en haute valeur bioproduits permettrait d' améliorer la durabilité ainsi que l' économie d'une bio-raffinerie à base de ^HTL-11. Par conséquent, cette étude a porté sur l'élaboration d'une méthode pour la caractérisation qualitative de la fraction aqueuse de bio-brut obtenu à partir HTL d'algues par chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle couplée à la spectrométrie de temps de vol de masse (GC × GC-TOF-MS).

GC × GC-TOF-MS est la technique la plus prometteuse chromatographique analytique pour augmenter la résolution (ou la séparation de composés chimiques dans un échantillon), la capacité maximale (ie nombre de pics résolus), le rapport signal-bruit (pour l' identification de composés chimiques avec une confiance élevée), et d'éviter la co-élution de composés chimiques ^16. Afin de maximiser la résolution, la capacité maximale, et le rapport signal à bruit, deux colonnes GC avec différentes phases stationnaires sont connectées en série au moyen d'un emmanchement connector ou micro-union ¹⁷ (voir la figure 1 qui est un schéma de principe de GC × système GC-TOF-MS utilisé dans cette étude). Un modulateur est situé entre le connecteur de presse-forme et colonnes secondaires pour piéger, recentrer et ré-injecter les effluents de la colonne primaire dans la colonne secondaire ^18. La modulation a lieu dans la colonne secondaire dans la présente étude , comme le montre la figure 1. La colonne secondaire est ensuite relié à la TOF-MS par l' intermédiaire d' un ensemble de lignes de transfert.

GC × GC-TOF-MS a été utilisé précédemment pour qualitative ainsi que l' analyse quantitative des échantillons biologiques tels que le pétrole brut ^16,19, essence, kérosène, diesel, bio-diesel, et la fraction organique des bio-carburants ^{20- 22} produite à partir de thermo-chimique ainsi que la conversion thermo-catalytique traite ^23,24. Pour la caractérisation de ces échantillons biologiques en GC × instruments GC-TOF-MS, une longue colonne non polaire wtelle qu'elle est utilisée en tant que colonne principale, tandis qu'une colonne polaire courte a été utilisée comme colonne secondaire. Cette configuration de colonne classique résout les composés chimiques basés sur les différences de volatilité au cours de la première dimension, suivie d' une polarité dans la deuxième dimension ^18. Échantillons aqueux ou de l' eau de processus biologiques, la transformation des aliments, et les déchets environnementaux ont également été caractérisés en utilisant des configurations de colonnes similaires primaires / secondaires après que l'échantillon avait été par étapes de préparation ^17,25-30. Techniques de préparation des échantillons tels que dérivatisation, extraction en phase solide, et l' extraction de solvant organique ont tous été utilisés avant GC × analyse GC-TOF-MS ^{17,27-29,31,32.} Ces techniques visent à diminuer la polarité des composés dans l'échantillon à analyser en utilisant une configuration de colonne classique ^33. Une autre stratégie a été utilisée dans cette étude sur la base de la nature de l'échantillon (composés organiques ici polaires dans l'eau)en utilisant la configuration inverse primaire / secondaire de la colonne GC × analyse par GC-TOF-MS. Depuis la fraction aqueuse de bio-brut produit à partir de HTL a des composés polaires ^13, une combinaison de la colonne d'une colonne polaire primaire et une colonne non polaire secondaire a été utilisé dans la GC × GC-TOF-MS sans aucune préparation de l' échantillon en amont. Cette combinaison de la colonne primaire / secondaire résout des composés chimiques en fonction des différences de polarité sur la première dimension, suivie par la volatilité dans la deuxième dimension. Méthodes analytiques limitées existent dans la littérature pour la caractérisation des échantillons aqueux en utilisant la chromatographie gazeuse bidimensionnelle sans traitement de l' échantillon avant ^15.

L'objectif de cette étude était de déterminer les composés chimiques présents dans la fraction aqueuse d'algues bio-brut. Pour atteindre cet objectif, un GC × GC-TOF-MS méthode d'acquisition de données a été développé avec une combinaison de la colonne de la colonne polaire (primary) × non polaire (secondaire). Klenn et al. (2015) ont suggéré que l' augmentation de la longueur de la colonne principale ( en particulier 60 m colonnes GC) et en abaissant la température de décalage de la colonne secondaire par rapport à la colonne principale permettrait de maximiser la capacité et la résolution ^16-18 pointe. Par conséquent, un 60 m de colonne primaire et 5 ° C, la température de décalage de la colonne secondaire par rapport à la colonne primaire ont été utilisées dans cette étude. La période de modulation optimale a été déterminée selon un protocole décrit dans cette étude (voir la section 4). Le taux de rampe optimale de GC température de la colonne a été déterminée par une méthode d'essai et d' erreur et est similaire à la valeur suggérée dans la littérature ^16-18. Pour discuter des avantages de cette combinaison de colonne pour les échantillons aqueux, nous avons analysé des échantillons d'eau d'algues HTL avec la combinaison classique de × non polaires polaires colonne. Les paramètres de fonctionnement proposées dans la littérature ont été utilisées pour l'analyse de la phase aqueusefraction d' algues bio-brut avec une combinaison de la colonne polaire × non polaire ^18.

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Protocole

Préparation 1. Echantillon

1. Générer un flux mixte aqueux / organique produit par HTL flux continu d'algues selon la conception du réacteur et procédure expérimentale dans la littérature ^10,11.
2. Utiliser un séparateur par gravité pour séparer le courant de produit en une phase aqueuse et une phase organique.
3. Filtre 10 ml de la phase aqueuse de HTL à l'aide d'un filtre à seringue de 0,45 um et stocker dans un réfrigérateur maintenu à 4 ° C pour GC × analyse GC-TOF-MS.

2. Composants Instrument

1. Utilisez un chromatographe en phase gazeuse (GC) équipé d'une base de refroidissement-modulateur quad-jet à double étage et le temps de vol (TOF) spectromètre de masse (MS) pour ces expériences.
2. Configurer l'auto-échantillonneur pour injecter 1 pi de chaque échantillon ou d'étalon dans la GC. Utilisez une conception de blocs aléatoires de l' échantillon et les injections standards pour la séquence d' auto-échantillonneur tel que décrit dans la littérature ^13. Le randomiconception de bloc zed est couramment utilisé dans les études quantitatives pour contrôler le fonctionnement de l'instrument. Notre laboratoire utilise la conception même régulièrement dans les études comparatives pour vérifier le fonctionnement de l'instrument.
3. Connecter la colonne primaire et secondaire en utilisant un connecteur de presse étanche avant le modulateur. Veiller à ce que les deux bords des deux colonnes primaires et secondaires sont coupés droit sans arêtes vives avant de brancher le connecteur de presse étanche.
4. Placer la bague sur colonne GC, puis connecter colonne principale à l'injecteur de telle sorte que GC 5 mm de colonne à l'intérieur de l'injecteur.
5. Assurez-vous que revêtement de verre, non-stick revêtement joint torique et septa pour injecteur de GC sont nouveaux et exempt de contamination.
6. Utilisez 1/16 x 0,5 mm viroles de ligne de transfert d'ID pour connecter la ligne de colonne et le transfert secondaire. Placer une portion de 0,2 m de la colonne secondaire dans la ligne de transfert.
7. Veiller à ce qu'une portion de 0,1 m de la colonne secondaire dans le modulateur.
8. Utilisez ultravide la pureté de l'héliumgaz comme gaz porteur pour GC à un débit de 1,5 ml min ^-1 d'écoulement.
9. Assurer qu'il y a de l'azote liquide suffisante dans le Dewar qui agit comme réfrigérant dans le modulateur. Le niveau de l'azote liquide dans le Dewar peut être prédite à l'aide d'un manomètre fixé à sa sortie. A 69 kPa lecture de la jauge de pression indique que le Dewar est plein, tandis que 0 kPa indique qu'il est vide.

3. Protocoles Avant l'analyse des échantillons

1. Assurez-vous qu'il n'y a pas de fuites importantes dans l'instrument. Si la lecture de la jauge à vide du TOF-MS est supérieur à 2,7 × 10 ^-5 Pa pendant 1,5 ml Débit de la colonne GC min ^-1, cela indique une fuite importante dans le système.
2. Mise en place de la méthode de contrôle de qualité (QC) et exécuter en construction protocole 'acquisition des ajustements du système de pour obtenir une réponse maximale du signal en utilisant le protocole du fabricant.
3. Exécuter en construction protocoles 'optimisation de l'instrument »de QC méthode, en série - Filamfocus ent, l'ion accent optique et des tests d'étalonnage de masse en utilisant le protocole du fabricant. Assurez-vous que test d'étalonnage de masse passe. Cette méthode de contrôle qualité garantit que tous les paramètres matériels de l'appareil sont à un niveau optimal.
4. Effectuer un «contrôle de fuite" en utilisant le protocole du fabricant. Analyser génère automatiquement le rapport de vérification de fuite. Faire en sorte que la concentration relative de 28 (N _2), 32 (O ₂₎ et 18 (humidité) les ions doivent être inférieures à moins de 10%, 3% et 5% de spectres de masse étalon interne de 69 ions, respectivement.
5. Réglez le TOF-MS en utilisant le protocole du fabricant.
6. Méthode d'exécution de contrôle de qualité, ainsi que TOF-MS protocole de hauteur avant et après vérification de fuite ainsi que lors de l'analyse des échantillons et des normes.

4. Protocole pour déterminer l'Optimum Modulation Période de Modulator

1. Sélectionner arbitrairement une longue période de modulation (par exemple , 10 secondes ou 13 secondes). Injecter un échantillon tel que décrit dans 2.2.
2. Identifier le temps de rétention dans la deuxième dimension de la parcelle de contour après quoi aucun pic élué. Sélectionnez identifié deuxième temps de rétention de dimension que la période de modulation optimale. Figure 2 clairement élucider l'identification des temps de rétention dans la deuxième dimension du tracé de contour.
3. Augmenter la période de modulation utilisée à l' étape 4.1 et effectuer l'analyse à nouveau si "wrap around" est observé ^18. Enrouler autour de phénomènes se produit si les pics dans la deuxième dimension élué en dessous de la ligne de base de première dimension. Exemple tracé de contour pour 'enveloppant' est indiqué dans les informations supplémentaires Figure 3.
4. Répétez les étapes 4.2 et 4.3 jusqu'à ce que la valeur optimale est déterminée.

5. expérimentales Paramètres Instrument Set-up

1. Installer une polaire (60 mx 0,25 mm x 0,5 um d'épaisseur de film) de la colonne capillaire comme la colonne primaire et un non-polaire (2,3 mx 0,25 mm x 0,5 um d'épaisseur de film) capillacolonne comme la colonne secondaire ry. Cuire à la fois la colonne primaire et secondaire pendant au moins 2 heures pour éliminer les traces d'humidité, l'air et les contaminants associés aux nouvelles colonnes GC.
2. Utilisez ultravide gaz pureté de l' hélium comme gaz porteur pour GC à un débit de 1,5 ml min ^-1 d'écoulement.
3. Régler l'injecteur de GC à une température de 260 ° C et un rapport de division de 1: 250.
4. Utiliser le programme suivant de température pour la colonne principale: une température constante de 40 ° C pendant 0,2 min suivie d'une rampe de température de 260 ° C à 5 ° C min ^-1, suivie d'une température constante de 260 ° C pendant 5 min.
5. Maintenir le modulateur de température 5 ° C supérieure à celle de la colonne secondaire et la température de la colonne secondaire à 5 ° C supérieure à celle de la colonne primaire.
6. Utilisez une période de modulation optimale de 4 sec avec 0,8 sec d'impulsion chaude et 1,2 sec d'impulsion froid. Cette valeur est déterminée sur la base du protocole décrit dans section 4.
7. Réglez la température de la ligne de transfert à 270 ° C.
8. Définissez le délai d'acquisition ou d'un retard de solvant à 0 sec.
9. Définissez la plage inférieure et supérieure de m / z comme 35 et 800, respectivement.
10. Régler la vitesse d'acquisition du détecteur MS à 400 spectres / sec.
11. Maintenir la tension du détecteur MS à 150 V supérieure à la valeur optimale.
12. Maintenir la température de la source MS ion à 225 ° C.

Analyse 6. Données

1. Effectuer le traitement des données à l'aide du logiciel fourni par le fabricant de l'instrument.
2. Sélectionnez les tâches suivantes dans la méthode d'analyse de données - Calcul de base, trouver des pics au-dessus de la ligne de base, la recherche de la bibliothèque et calculer sont / hauteur.
3. Suivre la ligne de base dans le fichier de données. Saisissez la ligne de base offset 0,5.
   Entrer attendue largeur de pic de 15 secondes dans la première dimension et 0,15 seconde dans la seconde dimension.
4. Régler rapport signal-bruit 5000 et similitude des valeurs de> 850 pour identification de composés.
5. Sélectionnez une bibliothèque de spectre de masse disponible dans le commerce pour identifier des composés chimiques présents dans des échantillons et régler le mode de recherche de bibliothèque de transmettre.
6. Traiter les fichiers de données en utilisant cette méthode d'analyse de données en utilisant le protocole du fabricant. Il faut au moins 1 heure pour traiter un fichier de données.

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Résultats

Un chromatogramme ionique total (TIC) obtenue pour la fraction aqueuse d'algues bio-brut analysé avec une combinaison de colonne de × polaire non polaire est représenté sur la figure 4. Les temps de rétention et les valeurs de similarité ou de facteur de correspondance de composés identifiés par la recherche contre un National Institute of Standards and Technology (NIST) bibliothèque sont présentés dans le tableau 1. oxygénés (tels que c...

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Discussion

Les résultats montrent clairement la capacité de la combinaison de la colonne de × polaire non polaire pour résoudre les composés polaires et volatiles légers présents dans la fraction aqueuse d'algues bio-brut sans les techniques de préparation des échantillons avant. Drastic traînée de pic a été observé pour les acides organiques et composés azotés tout en utilisant la combinaison non polaire colonne polaire ×. Ce pic tailing n'a pas été observée pour les premières organiques légères él...

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matériels

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