Method Article
Des méthodes détaillées sont présentées pour la production de biodiesel ainsi que la co-isolement de alcénones comme coproduits de valeur à partir de microalgues Isochrysis commercial.
La nécessité de remplacer les combustibles pétroliers par des alternatives provenant de sources renouvelables respectueuses de l'environnement et plus est d'une importance croissante. biocarburants dérivés de la biomasse ont gagné une attention considérable à cet égard, mais les biocarburants de première génération à partir de cultures comestibles tels que l'éthanol de maïs ou le biodiesel de soja ont généralement perdu la faveur. Il y a donc un grand intérêt pour le développement de méthodes pour la production de combustibles liquides à partir de sources non-comestibles domestiques et supérieures. Nous décrivons ici une procédure détaillée pour la production d'un biodiesel purifié à partir de micro - algues marines Isochrysis. En outre, une suite unique de lipides appelés alcénones polyinsaturés à longue chaîne sont isolés en parallèle comme coproduits potentiellement utiles pour compenser le coût de la production de biodiesel. Quantités Multi-kilogramme de Isochrysis sont achetés auprès de deux sources commerciales, l' une comme une pâte humide (80% d' eau) qui est d' abord séché avant le traitement, et l'otelle une poudre sèche broyée (95% de matière sèche). Lipides sont extraits avec de l' hexane dans un appareil Soxhlet pour produire une huile d' algue ( "huile hexane algale") contenant à la fois des graisses classiques ( par exemple, des triglycérides, de 46 à 60% p / p) et alcénones (16 à 25% en poids / poids). Saponification des triglycérides dans l'huile d'algue permet une séparation des acides gras libres résultants (AGL) à partir des lipides neutres contenant alcénones. FFAs sont ensuite converties en biodiesel ( par exemple, les esters méthyliques d'acides gras, FAME) par estérification catalysée par un acide alors que alcénones sont isolés et purifiés à partir des lipides neutres par cristallisation. Nous avons démontré que le biodiesel à partir des deux biomasses Isochrysis commerciaux ont des profils de FAME similaires mais non identiques, caractérisé par des teneurs élevées poly - insaturés d'acides gras (environ 40% p / p). Les rendements de biodiesel étaient toujours plus élevés lors du démarrage de la pâte humide Isochrysis (12% p / p par rapport à 7% p / p), qui peut être attribuée à la baisse des quantités d'hexane algal oil obtenu à partir du produit Isochrysis en poudre.
Il a récemment été un grand regain d'intérêt pour les biocarburants à partir d' algues, en particulier pour la production de combustibles liquides tels que le biodiesel 1 et d' autres huiles dérivés de la biomasse. 2 avantages proposés comprennent l'évitement de certains aliments par rapport à des controverses de combustible 3 et productivités seraient plus élevés et les capacités de CO 2 d'atténuation que les cultures agricoles traditionnelles. 4 Cette suit la presque 20 années Département du Programme pour les espèces aquatiques de l' énergie (ASP) des États-Unis a commencé en 1978 dans le but d'enquêter sur le carburant de transport à partir d' algues. Comme il est indiqué dans le rapport de Sheehan, 5 le programme a pris fin en 1996 , principalement en raison des coûts projetés ne sont pas en concurrence avec le pétrole brut à ce moment - là (18,46 $ par baril (159 L)). Alors que le coût du pétrole a augmenté de façon spectaculaire depuis ($ 87.39 par baril en 2014) 6, qui est relié à la renaissance dans la recherche sur les biocarburants d' algues, certains have a fait valoir que néanmoins les biocarburants d' algues vont se révéler trop coûteux. 7 Comme une stratégie visant à compenser les coûts de production de biocarburants, la notion de coproduits à valeur ajoutée a émergé parmi les critiques 7,8 et promoteurs 9,10 et caractéristiques comme l' une des principales raisons pour la poursuite de biocarburants d' algues dans le United States Department of Energy (DOE) "national algales Biofuels Technology Roadmap". 11
Nous décrivons ici une méthode pour la coproduction de deux courants de combustible séparés à partir de microalgues Isochrysis commercial. Nous nous sommes concentrés sur Isochrysis en partie parce qu'il est déjà produit industriellement, récoltée à des fins de la mariculture, et aussi parce que Isochrysis est l' une des seules quelques espèces d'algues qui , en plus de lipides traditionnels ( par exemple, les acides gras) biosynthèse une classe unique de des composés connus comme alcénones à longue chaîne poly - insaturés. 12 structures sont caractérisées par alcénone très l les chaînes hydrocarbonées de ong (36-40 carbones), deux à quatre méthylène non interrompus liaisons trans -Doubles et un groupe méthyle ou éthyle cétone (figure 1). Alcénone insaturation est sensible à la température de croissance des algues, 13,14 de telle sorte que la proportion de la diinsaturé alcénone de méthyle C37 (que l'on appelle « l' indice d'insaturation») peut être utilisé comme indicateur de la température de surface de la mer depuis 15 -. 20 alcénones sont pensé à résider dans des corps lipidiques cytoplasmiques et peut être plus abondant que les triglycérides (TAG). 21,22 Sous azote ou la limitation de phosphore, jusqu'à 10-20% de carbone de cellules dans la phase stationnaire est accumulée comme alcénones. 23,24 du point de vue évolutif, alcénones peut avoir été favorisée par rapport à TAGs parce que leur géométrie de double liaison trans fournit une forme plus stable de stockage d'énergie. 21
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Figure 1. Structures de polyinsaturés alcénones longue chaîne alcénone commune méthyle 37:. 3 isolé de Isochrysis exemplifiant longueurs de chaîne longue d'hydrocarbures (36 - 40 atomes de carbone), non-méthylène trans doubles liaisons interrompues, et se terminant par un groupe méthyle ou éthyle cétone. Nomenclature est similaire aux acides gras où #: # fait référence à nombre de carbones:. Nombre de doubles liaisons S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Nous soutenons que alcénones représentent une prometteuse renouvelable charge de carbone à partir d' une algue commune avec une histoire de la culture industrielle. 25 Biodiesel produit directement à partir de l'extrait lipidique total de Isochrysis contient une quantité importante (10-15% p / p) de alcénones et la contamination par des ces composés à haut point de fusion se traduit par de mauvaises propriétés de carburant d'écoulement à froid. Cependant, l'utilisation de til techniques saponification / d'extraction décrits ici, alcénones peut être enlevé et récupéré en améliorant ainsi la qualité du biodiesel, tout en produisant un courant de produit secondaire. Récemment , nous avons démontré la conversion de alcénones à un carburant liquide par métathèse croisée avec le 2-butène (butenolysis). 26 La réaction de butenolysis utilise un ruthénium commercial métathèse-initiateur, se produit rapidement à basse température, et proprement délivre un mélange prévisible du carburant hydrocarbures de la gamme. Cette réaction est réalisée en parallèle avec la synthèse de biodiesel à partir d' acides gras, ce qui représente les premiers pas vers une «bioraffinerie» approche 27 pour commercialement viable la production de biocarburants Isochrysis.
1. microalgues et biomasse Préparation
Note: La marine microalgues Isochrysis sp. "T-iso" utilisé dans la présente étude peut être acheté (voir la liste des matériaux). Quantités Multi-kilogramme de Isochrysis peuvent être achetés sous forme de pâte humide congelé (Iso -paste) contenant environ 80% d' eau et 20% de la biomasse, et est vert foncé / près de couleur noire avec une odeur odeur âcre de la mer. Isochrysis peut aussi être acheté comme une poudre sèche jaune-brun (95% de matière sèche) (Iso -Poudre) avec une odeur semblable.
2. Extraction Soxhlet de biomasse sèche Isochrysis
3. La saponification de l'huile d'algue et de séparation des acides gras et lipides neutres
4.L'estérification catalysée par un acide des acides gras libres et la production d'un biodiesel vert
5. Biodiesel Décoloration
6. Isolement et purification de alcénones des lipides neutres
Avant le traitement, la pâte Isochrysis (pâte Iso-) a été séché. Cela a été commodément à plus grande échelle en ajoutant le -paste Iso à un grand cristallisoir et laisser le matériau sécher à l' air à la température ambiante. Au cours du séchage, certaines formes d'accumulation d'eau (généralement de couleur rougeâtre) qui peut être retiré par décantation ou pipetage pour accélérer le processus de séchage. Après environ 48-96 heures, le Isochrysis maintenant à sec pouvait être gratté sur le plat cristallisant et obtenu sous la forme d' un vert matériau noir / feuilletée avec une odeur d'algues comme (Figure 2). Les rendements de biomasse sèche étaient généralement 20% en poids / poids de la pâte comme annoncé. En revanche, le produit Isochrysis poudre (poudre Iso-) était un jaune-brun, finement broyé, poudre sèche (95% sec) qui a été utilisé directement sans autre traitement (Figure 2).
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Figure 2. Comparaison des commerciale pâte Isochrysis. Isochrysis (80% humide) se propage le long du fond d'un plat de cristallisation et laissé sécher à l' air à la température ambiante pendant 48-96 heures avant le traitement. Le Isochrysis séché résultant est obtenu sous la forme d' un matériau en paillettes de couleur foncée ( à droite) qui est différent en apparence que la poudre sèche commerciale Isochrysis ( à gauche). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Extraction soit de la poudre Iso -paste ou Iso- séchée par Soxhlet avec des hexanes a donné, après élimination des hexanes, des huiles d'algues (h-AO) qui étaient semblables en apparence que vert foncé / presque noir solides (mp. ~ 50 -60 ° C). Les rendements de h-AO lors du démarrage de la pâte ( "Iso- pâte HAO») Étaient généralement 20% p / p de la biomasse Isochrysis sèche, en accord avec nos résultats précédents, 26 alors que les rendements de h-AO par extraction Soxhlet de la publicité en poudre Isochrysis (" Iso- poudre-hao ") étaient 15% p / w (tableau 1).
Produit (g) | Iso -paste | Iso -Poudre-1 | Iso -Poudre-2 |
La biomasse sèche | 30 | 20 | 20 |
Hexane algales Oil | 5,86 | 2,87 | 3.11 |
FFAs | 3.52 | 1,34 | 1,38 |
lipides neutres | 2.34 | 1,38 | 1.61 |
alkénones | 0,94 | 0,63 | 0,74 |
Notes: Iso-poudre-1 et Iso-poudre-2 représentent les résultats de deux échantillons de Isochrysis en poudre qui ont été traitées en parallèle. Pour d'autres rapports avec des rendements de ces produits de Iso-paste voir les références 26, 32 et 33. |
Tableau 1. Les rendements de produits de Isochrysis biomasse commerciale.
Acylglycérols dans le h-AO ont été convertis en sels de carboxylate soluble dans l'eau correspondants ( par exemple, des savons) lors de l' addition de KOH dans le methanol aqueux / CH 2 Cl 2. Les lipides neutres dont alcénones ont ensuite été extraites de ce mélange aqueux par répartition sélective avec des hexanes. Après élimination des lipides neutres, des savons réacidification réalise ensuite les acides gras libres correspondants (AGL) qui pourraient être extraites de manière similaire à partir de la solution aqueusela phase ueous avec de l'hexane. Les recouvrements globaux de masse pour FFAs combinés et des lipides neutres provenant soit Iso- pâte-hao ou Iso -Poudre-hao étaient toujours près quantitative. Cependant, le rapport des produits ( par exemple, les lipides neutres + AGL) est différent. De l'Iso- pâte-hao , nous avons obtenu 60% (p / p) AGL et 40% (p / p) lipides neutres (tableau 1). A l' inverse, Iso- poudre-hao prouvé enrichi en lipides neutres (moyenne = 54% de lipides neutres + 46% AGL) comme détaillé dans le tableau 1.
Estérification des FFAs avec H 2 SO 4 et de méthanol a ensuite produit des esters d'acides gras de méthyle (FAME, à savoir, biodiesel) comme un vert foncé près de liquide huileux noir dans plus de 90% de rendement (figure 3). Décoloration par chauffage sur montmorillonite K10 29 (MK10) l' argile a ensuite donné un produit jaune / orange, similaire en apparence à un autre bi commercialecarburants odiesel (voir la liste des matériaux) (figure 3). Les résultats de l'analyse FAME des décolorées carburants biodiesel Isochrysis sont présentés dans le tableau 2.
Figure 3. Comparaison des Isochrysis et de soja carburants biodiesel. Vert Isochrysis de biodiesel (milieu) est produit par estérification d'acides gras libres extraits et purifiés. Décoloration produit un produit ( à droite) avec des propriétés similaires à biodiesel commercial ( à gauche). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
FAME A | Iso -paste | Iso -Poudre |
14:00 | 16.4 | 19.4 |
14h01 | - | 0,3 |
15:00 | trace | 0,3 |
16h00 | 10.1 | 8.8 |
16: 1 Δ9 | 7.6 | 5.5 |
16h02 | Dakota du Nord | 0,3 |
16h03 | Dakota du Nord | 0,5 |
18:00 | Trace | 0,2 |
18: 1 B | 12.1 | 14.3 |
18h02 | 8.1 | 7.1 |
18: 3 C | 8.5 | 13.5 |
18h04 | 19,8 | 10.4 |
18h05 | Dakota du Nord | 3 |
20h05 | Dakota du Nord | - |
22h05 | Dakota du Nord | 2 |
22h06 | 6.9 | 11 |
Σ D | 89,8 | 96,2 |
Notes: Une nomenclature des acides gras est #carbons:. # Cis liaisons -double B combinés 18: 1 Δ9 + 18:.. 1 Δ11 C combiné Δ6,9,12 et Δ9,12,15 d'isomères D La matière restante est à peu près 50 : 50 autres FAME et composants non-FAME (total ~ 95% FAME). ND = non détecté. |
Tableau 2. Composition de FAME du biodiesel produit à partir de -past commerciale Iso et Iso -Poudre Isochrysis biomasse.
Les lipides neutres ont été obtenus sous la forme d' un mélange solide verdâtre à 40% p / p de l'Iso -paste-hao et 54% (moy.) À partir de la poudre-hao Iso- (tableau 1). Filtrer les lipides neutres dissous à travers la silice en utilisantDCM a donné, après élimination du solvant, d'un rouge / orange solide qui peut être recristallisé dans un mélange avec de l'hexane pour donner alcénones analytiquement pur sous forme d'un solide blanc. Cette procédure a abouti à 16% (p / p) rendement isolé de alcénones de Iso- pâte-hao et un rendement de 25% par rapport à Iso -Poudre-hao (tableau 1).
Isochrysis est l' un de seulement un certain nombre d'espèces d' algues cultivées industriellement, récoltés en tant que composant principal de l' alimentation des mollusques et crustacés, et donc représentant de l'échelle nécessaire pour la production de biocarburants. La disponibilité des algues utilisées et des méthodes classiques utilisées dans cette étude, rendre le protocole présenté largement accessible à d'autres groupes pour d'autres investigations. Les étapes critiques incluent l' air de séchage des algues (par opposition à la lyophilisation 33), extraction au solvant, saponification et estérification. Grâce à ces opérations , on peut examiner les rendements des lipides et d' autres coproduits issus des différents Isochrysis disponibles 30. Il est prévu que ceux - ci peuvent différer en raison des souches et des méthodes de culture, 31 différentes et peuvent également être touchés par la nature du produit et de tout traitement supplémentaire (par exemple, le séchage ou la congélation) utilisé par le fournisseur. Comme nous le démontrons ici, le protocole développered peut être appliquée avec succès à différents types de produits Isochrysis, allant d'une pâte humide à une poudre broyée à sec. Les rendements de biodiesel ont cependant été plus faible de la biomasse en poudre (7% p / p par rapport à la biomasse sèche de 12% en poids / poids de la pâte sèche), ce qui correspond à des quantités plus faibles de l'huile d'algue (h-AO) extraite. Cela peut suggérer qu'un protocole d'extraction alternatif 32 autre qu'un appareil de Soxhlet peut être mieux adapté pour les produits de Isochrysis en poudre sèche. La poudre Isochrysis utilisée dans cette étude est annoncé comme contenant 23-25% de lipides, qui semblable à ce que nous avons obtenu expérimentalement à partir de pâte séchée Isochrysis 33,34,26.
Malgré les différentes couleurs de la biomasse sèche de départ, le Iso- pâte-hao et Iso -Poudre-hao étaient essentiellement impossibles à distinguer, à la fois vert foncé / près de solides noirs avec des points de fusion d'environ 50 ° C. Fait intéressant, le rapport des acides gras libres à lèvre neutreids dans les deux extraits d'hexane était différent. Après saponification et la séparation des lipides neutres, nous avons obtenu 60% (p / p) AGL et 40% (p / p) lipides neutres de la Iso -paste-hao. La Iso- poudre-hao produit , en moyenne , 46% (p / p) AGL et 54% (p / p) lipides neutres. Les résultats suggèrent que la biomasse soit en poudre de départ peuvent contenir des quantités plus élevées de lipides neutres par rapport aux dérivés FA que la pâte Isochrysis, ou que l' extraction au Soxhlet en poudre de Isochrysis est quelque peu sélective pour les lipides neutres.
Non seulement les rendements des produits obtenus à partir des deux Isochrysis commerciale biomasses différents, mais aussi des profils d'acides gras de biodiesel obtenu. Ceci est important, car les propriétés du carburant d'un biodiesel sont directement dépendantes de la nature et le contenu des FAME individuels 35. Pour être commercialisé, tout le biodiesel doit être conforme aux normes décrites dans les documents ASTMD6751 ou EN 14214 aux Etats-Unis ou en Europe, respectivement. Les spécifications comprennent des gammes pour la lubricité et la viscosité cinématique, et les valeurs minimales pour l'indice de cétane et de stabilité à l'oxydation. D'autres recommandations importantes sont liées aux propriétés d'écoulement à froid sous la forme d'un point (CP) ou le point de colmatage du filtre à froid (CFPP) nuage. Nous avons précédemment rapporté les résultats de l'essai de carburant complet de biodiesel préparé à partir de pâte Iso-. 36 Depuis le profil de FAME du biodiesel produit à partir du -Poudre Iso dans cette étude est similaire à ceux précédemment testé, nous pouvons prédire certaines propriétés du carburant pour être similaire pour les deux carburants biodiesel. Par exemple, les acides gras poly - insaturés (PuFAMEs, plus de deux doubles liaisons) représentent environ 40% des deux mélanges de FAME (35,2% et 39,9%, tableau 2). Cela se traduira par une stabilité à l'oxydation pauvres et écoulement à froid favorable. 35 Il y a, cependant, de légères différences dans les profils FAME des deux biodiecombustibles Sél. Le biodiesel produit à partir du Isochrysis en poudre contenait des quantités plus élevées de 14: 0 (19,4 mg / g par rapport à 16,4 mg / g), 18: 3 (13,5 mg / g contre 8,5 mg / g), et 22: 6 (11,0 mg / g contre 6,9 mg / g) FAME, mais des quantités inférieures de 18: 4 (10,4 mg / g par rapport à 19,8 mg / g). L'ampleur de l'impact de ces différences sur les différentes propriétés du carburant contenues dans les normes ASTM reste à étudier.
Le biodiesel initial obtenu à la fois commerciale Isochrysis algues étaient de la même couleur vert foncé qui peut être expliqué par la présence de chlorophylles. 36 Chlorophylle et ses dérivés ont été signalés à avoir un effet négatif sur la stabilité des huiles végétales et de leurs carburants biodiesel correspondants. 36,29 Basé sur la méthode de Issariyakul et Dalai pour décolorer l' huile de canola greenseed dans le cadre de la production de biodiesel, 29 agitant notre biodiesel vert plus de 10% (p / p) MK10 à 60 ° C pendant 1 heure a donné lieu à une spectaculaireréduction de la teneur en pigment par inspection visuelle (réf. Figure 2). recouvrements de masse du processus de décoloration étaient en moyenne de 90%.
Les rendements de alcénones purifiés à partir de Iso- pâte-hao et de lipides neutres poudre-hao iso- étaient comparables à 40% et 46% p / p (tableau 1). Comme lipides neutres représentent une proportion plus élevée de matière contenue dans la Iso- poudre-hao (54% p / p par rapport à 40% p / p), alcénone rendement de la Iso- poudre-hao dépasse le rendement de Iso- alcénone pâte HAO d'environ 10% (25% p / p par rapport à 16% p / p). Toutefois, étant donné que les rendements de la Iso- poudre-hao s'étaient inférieurs à Iso- pâte HAO (15% contre 20% p / p), les rendements globaux de alcénones des deux biomasses Isochrysis secs sont plus similaires (0,2 x 0,4 x 0,4 = 3,2% en poids / poids de la pâte séchée Isochrysis et 0,15 x 0,54 x 0,46 = 3,7% de poudre Isochrysis).
Mention of trade names or commercial products in this publication is solely for the purpose of providing specific information and does not imply recommendation or endorsement by the U.S. Department of Agriculture. USDA is an equal opportunity provider and employer.
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation (CHE-1151492), le Nord-Ouest avancée Renewables Alliance (bourse pour J. Wilson-Peltier), et par un don privé des amis de WHOI. Nous remercions Kevin R. Steidley et Kim Ascherl (USDA / ARS / NCAUR) pour une excellente assistance technique.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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). |
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