Caratterizzazione qualitativa della frazione acquosa da idrotermale Liquefazione di alghe Utilizzando 2D gascromatografia con tempo di volo spettrometria di massa

Riepilogo

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

gascromatografia bidimensionale accoppiata con spettrometria di massa a tempo di volo è un potente strumento per l'identificazione e la quantificazione dei componenti chimici in miscele complesse. E 'spesso usato per analizzare la benzina, combustibile per aviogetti, diesel, biodiesel e la frazione organica dei bio-greggio / bio-olio. Nella maggior parte di tali analisi, la prima dimensione della separazione è non polare, seguito da una separazione polare. Le frazioni acquose di bio-greggio e altri campioni acquosi dalla produzione di biocarburanti sono stati esaminati con combinazioni di colonne simili. Tuttavia, le tecniche di preparazione del campione come derivatizzazione, estrazione con solvente, ed estrazione in fase solida erano necessarie prima dell'analisi. In questo studio, frazioni acquose ottenute dalla liquefazione idrotermale di alghe sono stati caratterizzati mediante gascromatografia bidimensionale accoppiata con spettrometria di massa a tempo di volo senza precedenti tecniche di preparazione dei campioni utilizzando una separazione polare nella prima dimensione seguitida una separazione non polare nel secondo. Terreni bidimensionali di questa analisi sono stati confrontati con quelli ottenuti dalla configurazione delle colonne più tradizionale. I risultati di caratterizzazione qualitativa delle frazioni acquose di alghe bio-greggio sono discussi in dettaglio. I vantaggi di usare una separazione polare seguito da una separazione non polare per la caratterizzazione delle sostanze organiche in campioni acquosi mediante gascromatografia bidimensionale accoppiata con spettrometria di massa a tempo di volo sono evidenziati.

Introduzione

Una crescita costante della domanda di combustibili liquidi, limitate risorse di combustibili fossili, l'incertezza delle forniture di combustibili fossili, e le preoccupazioni per la crescente concentrazione di gas serra nell'atmosfera sono aumentati consapevolezza globale per le risorse rinnovabili ^1. L'energia solare (tra cui il fotovoltaico e solare termico), eolico, idroelettrico, geotermico e biomasse sono le fonti rinnovabili primarie che potrebbe potenzialmente sostituire fossili di derivazione di energia ^2. Di questi, la biomassa è l'unica fonte di energia alternativa a base di carbonio per la produzione di carburanti per il trasporto liquidi e sostanze chimiche ad alto valore ^3. La biomassa comprende qualsiasi materiale organico come le risorse forestali, residui agricoli, alghe, semi oleosi, rifiuti solidi urbani e rifiuti industriali ricchi di carbonio (ad esempio da industria della cellulosa o di trasformazione alimentare) ^1. La biomassa è classificata in due grandi categorie: materie prime lignocellulosiche e non legnose sulla base di comcaratteristiche posizionali. Biomassa lignocellulosica è costituito da carboidrati e lignina, mentre materie prime non legnose sono proteine, carboidrati e lipidi / oli ^4. Materie prime lignocellulosici, derivati ​​da piante terrestri, in grado di soddisfare solo il 30% del combustibile liquido corrente (benzina, il carburante degli aerei, e diesel) la domanda se in modo sostenibile coltivato e raccolto ^5,6. potenziali materie prime Quindi, i microrganismi acquatici non legnose, come microalghe e funghi, sono considerati per la produzione di combustibili liquidi rinnovabili per integrare le risorse lignocellulosici.

Materie prime microalghe hanno il potenziale per soddisfare carburanti per il trasporto liquidi domanda attuale ^7,8. Le alghe hanno molti vantaggi: elevata produttività areale ^8, la capacità di crescere in bassa qualità, salmastra o di mare ^9, e la capacità di accumulare trigliceridi o idrocarburi ^7,8 densità energetica. Idrotermale di liquefazione (HTL) è una co praticabile e scalabilenVersione processo che utilizza l'acqua naturalmente associato con materie prime di alghe o acquatiche ^10,11. È un processo termochimico con temperature di funzionamento di 250-400 ° C e pressioni di esercizio di 10-25 MPa che produce un prodotto liquido, o bio-grezzo, che può essere aggiornata in un archivio di miscela combustibile. Bio-greggio prodotto da HTL di alghe ha frazioni organiche e acquose distinguibili e facilmente separabili. La frazione organica dei bio-greggio può essere efficacemente convertita in una raffineria pronto miscela magazzino tramite catalitici processi idro-trattamento ^11. La frazione acquosa di bio-greggio contiene ~ 30% del carbonio presente totale nella carica alghe. Sebbene migliaia di composti sono stati identificati nella corrente acquosa HTL, le frazioni predominanti consistono ossigenati basso peso molecolare (compresi acidi, alcoli, chetoni e aldeidi) formata dalla degradazione dei carboidrati e lipidi, e eterociclici azotati (compresi pirroli, piridine , pyrazinES, e imidazoli) derivati ​​da proteine ​​di decomposizione ^12. Studi sulla utilizzando la frazione acquosa per migliorare l'economia globale di processo, nonché la sostenibilità sono in corso. Il gas di sintesi può essere prodotto dalla frazione acquosa di alghe bio-greggio via idrotermica catalitica gassificazione ^{10,13, 14.} In alternativa, sostanze organiche nella frazione acquosa possono anche essere convertiti in cataliticamente additivi per carburanti e prodotti chimici speciali. La ricerca sull'ottimizzazione studi idrotermale di gassificazione e di screening catalizzatore catalitici per la conversione di composti organici in fase liquida acquosa è attualmente in corso presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Per questo lavoro, qualitativa e quantitativa caratterizzazione della frazione acquosa di alghe bio-greggio è richiesto. Dal momento che la frazione acquosa di alghe bio-greggio è considerato un flusso di rifiuti, ci sono pochi studi che hanno analizzato la frazione acquosa di alghe bio-greggio ^13,15. Inoltre, di recentestudi hanno concluso che la conversione di questa acqua alghe HTL in alto valore bio-prodotti migliorerebbe la sostenibilità così come l'economia di una bio-raffineria di HTL a base ^11. Pertanto, questo studio si è concentrato sullo sviluppo di un metodo per la caratterizzazione qualitativa della frazione acquosa di bio-grezzo ottenuto da HTL delle alghe mediante gascromatografia bidimensionale accoppiata con spettrometria di massa a tempo di volo (GC × GC-TOF-MS).

GC × GC-TOF-MS è la tecnica più promettente cromatografica analitica per aumentare la risoluzione (o separazione di composti chimici in un campione), capacità di picco (cioè il numero di picchi risolti), segnale-rumore (per l'identificazione di composti chimici con elevata sicurezza), e per evitare co-eluizione di composti chimici ^16. Al fine di massimizzare la risoluzione, capacità di picco, e segnale-rumore, due colonne GC con fasi stazionarie sono collegate in serie mediante un press-fit connector o micro-union ¹⁷ (vedere Figura 1 che rappresenta uno schema a blocchi di GC × sistema GC-TOF-MS utilizzata in questo studio). Un modulatore si trova tra il connettore press-fit e le colonne secondarie per intrappolare, rimettere a fuoco, e re-iniettare il effluenti dalla colonna primaria nella colonna secondario ^18. Modulazione verifica nella colonna secondaria nel presente studio, come mostrato in Figura 1. La colonna secondaria viene quindi collegato al TOF-MS tramite un complesso linea di trasferimento.

GC × GC-TOF-MS è stato utilizzato in precedenza per qualitativi così come l'analisi quantitativa dei campioni biologici come il petrolio greggio ^16,19, benzina, jet-fuel, diesel, biodiesel, e la frazione organica dei bio-combustibili ^{20- 22} prodotta da termo-chimico, nonché la conversione termo-catalitico processi ^23,24. Per la caratterizzazione di questi campioni biologici in GC × strumenti GC-TOF-MS, una colonna non polare lungo wusati come colonna primaria, mentre una corta colonna polare è stato utilizzato come colonna secondaria. Questa configurazione colonna convenzionale risolve composti chimici a base di differenze di volatilità nel corso della prima dimensione, seguita da polarità nella seconda dimensione ^18. Campioni acquosi o acqua da processi biologici, trasformazione dei prodotti alimentari, e rifiuti ambientali sono state anche caratterizzate con primari simili / configurazioni colonna secondaria dopo che il campione era stato attraverso la preparazione passi ^17,25-30. Tecniche di preparazione del campione come derivatizzazione, estrazione in fase solida, e l'estrazione con solvente organico sono stati tutti utilizzati prima GC × analisi GC-TOF-MS ^{17,27-29,31,32.} Queste tecniche sono state finalizzate a ridurre la polarità dei composti nel campione per l'analisi utilizzando una configurazione convenzionale colonna ^33. Una strategia alternativa è stato impiegato in questo studio in base alla natura del campione (composti organici polari qui in acqua)utilizzando la configurazione inversa primario / secondario colonna per GC × GC-TOF-MS. Poiché la frazione acquosa di bio-greggio prodotto da HTL ha composti polari ^13, una combinazione di colonna di una colonna polare primario ed una colonna non polare secondario è stato utilizzato nel GC × GC-TOF-MS senza preparazione del campione monte. Questa combinazione colonna primaria / secondaria risolve composti chimici a base di differenze di polarità sulla prima dimensione, seguita dalla volatilità nella seconda dimensione. Metodi analitici limitati esistono in letteratura per la caratterizzazione di campioni acquosi mediante gascromatografia bidimensionale senza trasformazione campione prima ^15.

L'obiettivo di questo studio era di determinare i composti chimici presenti nella frazione acquosa di alghe bio-greggio. Per raggiungere questo obiettivo, un GC × GC-TOF-MS metodo di acquisizione dei dati è stato sviluppato con una combinazione colonna della colonna polare (primary) × non polare (secondario). Klenn et al. (2015) hanno suggerito che aumentando la lunghezza della colonna primaria (specialmente 60 m colonne GC) e abbassando la temperatura di offset della colonna secondaria rispetto alla colonna primaria sarebbe massimizzare la capacità di picco e la risoluzione ^16-18. Pertanto, un 60 m colonna primaria e 5 ° C compensata temperatura della colonna secondaria rispetto alla colonna primaria sono stati utilizzati in questo studio. Il periodo di modulazione ottimale è stato determinato a seguito di un protocollo descritto in questo studio (vedi paragrafo 4). La rampa ottimale della temperatura della colonna GC è stato determinato mediante un metodo di prova ed errore ed è simile al valore suggerito in letteratura ^16-18. Per discutere i vantaggi di questa combinazione colonna per campioni acquosi, abbiamo analizzato campioni di acqua alghe HTL con la combinazione della colonna convenzionale × non polari polari. I parametri operativi proposti in letteratura sono stati impiegati per analizzare la acquosafrazione di alghe bio-greggio con una × non polare combinazione colonna polare ^18.

Protocollo

Preparazione 1. Esempio

1. Generare un flusso misto acquoso / organico prodotto tramite continuo HTL flusso di alghe secondo il disegno reattore e procedura sperimentale trovato in letteratura ^10,11.
2. Utilizzare un separatore a gravità per separare il flusso di prodotto in una fase acquosa e la fase organica.
3. Filtrare 10 ml di fase acquosa HTL utilizzando un filtro siringa da 0,45 micron e conservare in frigorifero mantenuto a 4 ° C per GC × GC-TOF-MS.

2. componenti dello strumento

1. Utilizzare un gascromatografo (GC) dotato di un modulatore quad-jet doppio stadio di raffreddamento-based e tempo di volo (TOF) spettrometro di massa (MS) per questi esperimenti.
2. Configurare l'auto-campionatore per iniettare 1 ml di ogni campione o standard nel GC. Utilizzare un disegno a blocchi randomizzati di campione e iniezioni tipo relative alla sequenza di auto-campionatore come descritto in letteratura ^13. il randomidisegno a blocchi zed è comunemente usato in studi quantitativi di controllare per il funzionamento dello strumento. Il nostro laboratorio utilizza il disegno di routine anche in studi comparativi per verificare il funzionamento dello strumento.
3. Collegare la colonna primaria e secondaria mediante un connettore pressa a tenuta prima del modulatore. Assicurarsi che entrambi i bordi di entrambe le colonne primarie e secondarie sono tagliati dritto senza spigoli vivi prima di collegare al connettore stampa tenuta.
4. Posizionare ferrula sulla colonna GC e quindi collegare colonna primaria all'iniettore GC in modo che il 5 mm di colonna è all'interno dell'iniettore.
5. Assicurarsi che rivestimento in vetro, rivestimento antiaderente O-ring e setti per GC iniettori sono nuovi e privi di contaminazione.
6. Utilizzare 1/16 x 0,5 mm puntali linea di trasferimento ID per collegare la colonna e il trasferimento linea secondaria. Inserire una porzione di 0,2 m di colonna secondaria nella linea di trasferimento.
7. Assicurarsi che una porzione della colonna secondaria 0,1 m è nel modulatore.
8. Utilizzare altissima purezza dell'eliogas come gas vettore di GC ad un flusso di 1,5 ml min ^-1.
9. Prevedere l'azoto liquido sufficiente nella Dewar che agisce come refrigerante nel modulatore. Il livello di azoto liquido nel Dewar può essere previsto con un indicatore di pressione collegato alla sua uscita. Un kPa lettura 69 del manometro indica che il Dewar è pieno, mentre 0 kPa indica che è vuota.

3. I protocolli prima di analizzare campioni

1. Assicurarsi che non ci sono grandi perdite nello strumento. Se la lettura vacuometro del TOF-MS è superiore a 2,7 × 10 ^-5 Pa per 1,5 ml portata colonna min ^-1 GC, questo indica una grande perdita nel sistema.
2. Set-up il metodo di controllo di qualità (QC) ed eseguire in-built protocollo 'regolazioni del sistema di acquisizione' per ottenere la massima risposta del segnale utilizzando il protocollo del produttore.
3. Eseguire in-built protocolli 'ottimizzazione strumento' di metodo di controllo di qualità, in serie - Filamattenzione ent, agli ioni di messa a fuoco ottica e test di calibrazione di massa utilizzando il protocollo del produttore. Assicurarsi che prova di calibrazione di massa passa. Questo metodo QC garantisce che tutti i parametri hardware dello strumento sono al livello ottimale.
4. Eseguire un "controllo delle perdite" utilizzando il protocollo del produttore. Analizzare genera automaticamente rapporto di controllo delle perdite. Assicurarsi che la concentrazione relativa di 28 (N _2), 32 (O ₂₎ e 18 (umidità) ioni deve essere inferiore a meno di 10%, 3% e il 5% di spettri di massa standard interno di 69 ione rispettivamente.
5. Tune il TOF-MS usando il protocollo del produttore.
6. metodo run controllo di qualità così come il protocollo sintonia TOF-MS, prima e dopo il controllo delle perdite e anche durante l'analisi di campioni e gli standard.

4. protocollo per determinare l'ottimale modulazione Periodo di modulatore

1. Arbitrariamente selezionare un lungo periodo di modulazione (ad esempio, 10 sec o 13 sec). Iniettare un campione come descritto al punto 2.2.
2. identificare il tempo di ritenzione a seconda dimensione della trama di contorno dopo la quale senza picchi eluisce. Selezionare il tempo di ritenzione dimensione secondo identificato come periodo di modulazione ottimale. Figura 2 chiaramente chiarire l'identificazione di tempo di ritenzione a seconda dimensione della trama di contorno.
3. Aumentare il periodo di modulazione utilizzata nel passaggio 4,1 ed eseguire l'analisi di nuovo se "wrap around" si osserva ^18. Avvolgere intorno fenomeni si verifica se i picchi nella seconda dimensione eluisce al di sotto della linea di base della prima dimensione. Esempio trama di contorno per 'avvolgente' è indicata nelle informazioni supplementari figura 3.
4. Ripetere i punti 4.2 e 4.3 fino a quando viene determinato valore ottimale.

5. I parametri sperimentali di Instrument Set-up

1. Installare un polare (60 mx 0,25 millimetri x 0,5 micron spessore del film) colonna capillare come colonna primaria e non polare (2,3 mx 0,25 millimetri x 0,5 micron spessore del film) capillacolonna ry come colonna secondaria. Cuocere sia la colonna primaria e secondaria per almeno 2 ore per rimuovere tracce di umidità, aria e contaminanti associati con nuove colonne GC.
2. Utilizzare ultraelevato gas purezza elio come gas vettore di GC ad un flusso di 1,5 ml min ^-1.
3. Impostare l'iniettore GC ad una temperatura di 260 ° C ed un rapporto di divisione di 1: 250.
4. Impiegare il seguente programma di temperatura per la colonna primaria: una temperatura costante di 40 ° C per 0,2 min seguita da una rampa di temperatura a 260 ° C a 5 ° C min ^-1, seguita da una temperatura costante di 260 ° C per 5 min.
5. Mantenere il modulatore temperatura di 5 ° C superiore a quella della colonna secondaria e la temperatura della colonna secondario a 5 ° C superiore a quella della colonna primaria.
6. Utilizzare un periodo di modulazione ottimale di 4 sec con 0,8 secondi di impulso caldo e 1,2 secondi di impulso freddo. Questo valore è determinato sulla base del protocollo descritto nella sezione 4.
7. Impostare la temperatura linea di trasferimento a 270 ° C.
8. Impostare il ritardo di acquisizione o il ritardo solvente a 0 sec.
9. Impostare l'intervallo inferiore e superiore di m / z come 35 e 800, rispettivamente.
10. Impostare la velocità di acquisizione del rivelatore MS a 400 spettri / sec.
11. Mantenere la tensione rivelatore MS a 150 V superiore al valore ottimale.
12. Mantenere la temperatura della sorgente di MS di ioni a 225 ° C.

Analisi 6. Dati

1. Eseguire l'elaborazione dei dati utilizzando il software fornito dal costruttore dello strumento.
2. Selezionare le seguenti operazioni nel metodo di analisi dei dati - Compute linea di base, trovare picchi al di sopra della linea di base, di ricerca della libreria e calcolare sono / altezza.
3. Traccia la linea di base attraverso il file di dati. Invio di riferimento offset 0.5.
   Inserire ampiezza del picco previsto di 15 secondi nella prima dimensione e 0,15 sec nella seconda dimensione.
4. Impostare il rapporto segnale-rumore come 5.000 e somiglianza valori> 850 per identizione di composti.
5. Selezionare una libreria spettrale di massa disponibile in commercio per identificare i composti chimici presenti nei campioni e impostare la modalità di ricerca della libreria a trasmettere.
6. Elaborare i file di dati che utilizzano questo metodo di analisi dei dati utilizzando il protocollo del produttore. Si richiede almeno 1 ora per elaborare un file di dati.

Risultati

Un totale ion cromatogramma (TIC) ottenuto per la frazione acquosa di alghe bio-greggio analizzato con una combinazione colonna × polare non polare è mostrato in Figura 4. I tempi di ritenzione e valori di similarità o fattore di corrispondenza di composti identificati ricercando contro una nazionale Institute of Standards and Technology biblioteca (NIST) sono riportati nella tabella 1. ossigenati (come cyclopenatanone, composti furanici e dianhydroma...

Discussione

I risultati illustrano chiaramente la capacità della combinazione colonna × polare non polare per risolvere composti polari e volatili luminose presenti nella frazione acquosa di alghe bio-greggio senza tecniche di preparazione del campione precedente. Drastica picco tailing è stato osservato per gli acidi organici e composti azotati mentre utilizzando la combinazione × colonna polare non polare. Questo tailing picco non è stato osservato per i primi organici leggeri eluizione. Questo comportamento è stato riprodu...

Materiali

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