비행 시간 형 질량 분석과 2D 가스 크로마토 그래피를 사용하여 조류의 열수 액화에서 수성 분수의 질적 특성

요약

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.

초록

비행 시간 형 질량 분광 분석으로 결합 이차원 기체 크로마토 식별하고 복잡한 혼합물의 화학 성분을 정량화하기위한 강력한 도구이다. 종종 가솔린, 제트 연료, 디젤, 바이오 디젤, 바이오 - 조 / 바이오 오일, 유기 분획을 분석하기 위해 사용된다. 이러한 분석의 대부분에서, 제 1 분리 차원 극성 분리 한 후, 비극성이다. 바이오 연료 생산에서 바이오 원유 및 기타 수성 샘플의 수성 분획 유사한 열 조합으로 조사되었다. 그러나, 이러한 유도체 화, 용매 추출, 및 고체상 추출 등의 시료 전처리 기술이 필요했다 분석에 앞서. 본 연구에서는 조류의 열수 액화 얻은 수성 분획을이어서 제 차원 극성 분리하여 이전 샘플 제조 기술없이 비행 시간 형 질량 분광 분석으로 결합 이차원 기체 크로마토 그래피에 의해 특징했다두 번째의 비극성 분리에 의해. 이 분석에서 이차원 플롯 전통적인 열 구성에서 수득 된 것과 비교 하​​였다. 조류 바이오 원유의 수성 분수의 질적 특성의 결과가 자세히 설명되어 있습니다. 비행 시간 형 질량 분광 분석으로 결합 이차원 가스 크로마토 수성 샘플 유기물 특성화 비극성 분리 하였다 극성 분리를 사용하는 장점이 강조된다.

서문

액체 연료, 유한 한 화석 연료 자원, 화석 연료 공급의 불확실성 및 대기 중 온실 가스의 농도 증가 우려에 대한 수요가 꾸준히 증가 재생 자원에 대한 글로벌 ^한 인식이 증가하고있다. 태양 광, 풍력 에너지, 수력, 지열 (태양 광 및 태양열 포함) 에너지, 바이오 매스는 잠재적으로 화석에서 파생 된 에너지 ^(2)를 대체 할 수있는 기본 재생 에너지 원이다. 이들 바이오 매스 액체 수송 연료 및 고가의 화학 물질 ³ 제조에만 탄소 계 대체 에너지 원이다. 바이오 매스는 산림 자원, 농업 잔류 물, 조류, 종자, 도시 고형 폐기물 및 탄소가 풍부한 산업 폐기물로 유기 물질을 포함한다 (예, 펄프 및 제지 산업이나 식품 가공) ^1. COM을 기반으로 리그 노 셀룰로오스 및 비 목질 원료 : 바이오 매스는 크게 두 가지 범주로 분류된다위치 특성. 비 목질 원료는 단백질, 탄수화물 및 지질 / 오일 ^4있는 동안 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스는 탄수화물과 리그닌으로 구성되어 있습니다. 지속 재배 및 ^{5,6 수확} 경우 육상 식물에서 파생 된 리그 노 셀룰로오스 원료는, 단지 현재의 액체 연료 (가솔린, 제트 연료, 디젤) 수요의 30 %를 만족시킬 수 있습니다. 재생 액체 연료의 제조 따라서, 이러한 미세 조류 및 곰팡이와 같은 비 - 목질 수생 미생물, 고려 전위 공급 원료 목질 자원을 보완한다.

미세 조류 원료 전류 액체 수송 연료가 ^{7,8 요구} 만족시킬 가능성이있다. 조류는 많은 장점을 가지고 : 높은 면적 생산성 ^(8), 낮은 품질, 맛 없은, 또는 바다 물 ^(9), 에너지 밀도가 중성 지방 또는 탄화수소 ^{7, 8을} 축적 할 수있는 능력에서 성장 할 수있는 능력. 열수 액화 (HTL)는 실용적이고 확장 성이 공동자연 조류 나 수중 원료 ^{10, 11과} 관련된 물을 이용하여 n 버전 프로세스입니다. 이는 연료 블렌드 재고로 업그레이드 할 수 액상 제품 또는 바이오 원유 생산 10-25 MPa로 250-400 ℃로 운영 압력 작동 온도와 열 화학적 공정이다. 바이오 원유 조류의 HTL에서 생산은 구별 쉽게 분리 유기 및 수성 분수가있다. 바이오 미정 유기 분획을 효율적으로 촉매 하이드로 처리 공정 ^(11)을 통해 정제 준비 블렌드 재고로 전환시킬 수있다. 바이오 원유의 수성 분획 ~ 조류 원료의 전체 존재하는 탄소의 30 %가 포함되어 있습니다. 화합물 수천 HTL 수성 스트림에서 식별되었지만, 주된 분획 탄수화물 및 지질 및 피롤을 포함 질소 헤테로 (피리딘의 분해에 의해 형성 (지방산, 알콜, 케톤, 알데히드 류를 포함), 저 분자량 네이트 이루어져 , 피라진단백질 분해 ^{(12)로부터} 유래 된 말이지, 및 이미 다졸). 수성 전체 공정의 경제성을 개선하기위한 부분뿐만 ​​아니라 지속 가능성을 활용에 대한 연구가 진행 중이다. 합성 가스는 촉매 수열 가스화 ^{10,13, 14} 통해 조류 바이오 미정 수성 분획으로부터 제조 될 수있다. 다르게는, 수성 분획 유기물은 촉매 연료 첨가제 및 특수 화학 제품으로 전환 될 수있다. 수성 액상 유기물의 변환 촉매 열수 가스화 및 촉매 스크리닝 연구를 최적화에 대한 연구는 퍼시픽 노스 웨스트 국립 연구소 (PNNL)에서 현재 진행 중입니다. 이 작품, 질적뿐만 아니라 조류 바이오 원유의 수성 부분의 양적 특성이 필요합니다. 조류 바이오 미정 수성 분획을 폐기 스트림을 고려하기 때문에, 조류 바이오 조 ^{(13, 15)의} 수성 분획을 분석 한 소수의 연구가있다. 또한, 최근연구는 고 부가가치 바이오 제품에이 HTL 조류 물을 변환하는 HTL 기반의 바이오 정유 ^(11)의 지속 가능성과 경제성을 향상시킬 것이라고 결론을 내렸다. 따라서, 본 연구에서는 (GC-TOF-MS × GC) 비행 시간 형 질량 분광 분석으로 결합 이차원 가스 크로마토 조류 HTL로부터 얻은 바이오 미정 수성 분획 질적 특성화 방법 개발에 초점을 맞추었다.

GC-TOF-MS × GC는 (시료 또는 화학적 화합물의 분리)의 해상도를 증가시키는 가장 유망한 크로마토 그래피 분석 기술, 최대 용량 (해결 피크 예 번호) 화학 화합물을 식별하기위한 신호 대 잡음비 (인 ) 높은 자신감을 가지고, 화학 화합물 ^(16)의 공동 용출을 방지 할 수 있습니다. 해상도, 최대 용량 및 잡음비 신호대을 최대화하기 위해 상이한 고정상 두 GC 컬럼은 압입 C를 사용하여 직렬로 연결된onnector 또는 마이크로 유니온 ⁽¹⁷⁾ (본 연구에 사용 된 GC-TOF-MS × GC 시스템의 블록도도 1 참조). 변조기 집중할 트랩에 압입 커넥터와 보조 열 사이에 배치하고, 보조 열 ^(18)에 차 컬럼으로부터 유출 물을 다시 분사된다. 도 1에 도시 된 바와 같이 변조는 본 연구에서 보조 열을 발생한다. 보조 열은 다음 전송 라인 조립체를 통해 TOF-MS에 연결된다.

GC-TOF-MS × GC는 원유 ^{16, 19,} 가솔린, 제트 연료, 디젤, 바이오 디젤, 바이오 연료, 유기 분획 질적으로뿐만 아니라 유기 샘플의 정량 분석을 위해 이전에 사용 된 ^20- 열 화학 물질뿐만 아니라 열 촉매 변환에서 생산 ^{(22)는 23, 24를} 처리합니다. GC-TOF-MS 장비, 긴 비극성 열 w × GC에서 이러한 유기 샘플의 특성화단 극성 열 보조 열로서 사용하면서, 차 컬럼으로 사용되는. 종래 열 구성 번째 차원 ¹⁸ 극성이어서 제 차원 이상의 휘발성의 차이에 기초한 화학적 화합물을 해결한다. 준비 ^{17,25-30 단계를} 통해 시료가 된 후 생물학적 과정, 식품 가공, 환경 폐기물에서 수성 또는 물 샘플 유사한 주 / 보조 열 구성을 사용하는 것을 특징으로 하였다. 이러한 유도체 화, 고체상 추출하고, 유기 용매 추출 등의 시료 전처리 기술은 모든 GC-TOF-MS 분석 ^{17,27-29,31,32} × (GC)에 종래 이용되어왔다. 이들 기술은 종래의 열 ^(33)을 구성하여 분석 시료 화합물의 극성을 감소시키는 목적으로 하였다. 다른 전략이 샘플의 특성에 기초하여이 연구에 사용 하였다 (여기에서 물 극성 유기 화합물)GC-TOF-MS 분석을위한 GC × 역방향 주 / 보조 열 구성을 이용. 바이오 조 HTL로부터 제조의 수성 분획 때문에 극성 화합물 ^(13)을 가지며, 주 극성 칼럼 및 2 비극성 열의 열 조합은 상류 시료 전처리없이 GC-TOF-MS × GC에 사용 하였다. 이 주 / 보조 열 조합은 두 번째 차원에서 변동성 다음에 첫 번째 차원을 통해 극성의 차이에 따라 화학 물질을 해결합니다. 한정 분석 방법은 종래의 샘플 ^(15)없이 처리 이차원 가스 크로마토 그래피를 이용하여 수성 샘플 특성화 문헌에 존재한다.

이 연구의 목적은 조류 바이오 원유의 수성 부분에 존재하는 화학 물질을 확인하는 것이 었습니다. 이 목표, GC-TOF-MS 데이터 수집 방법 × GC를 달성하기 위해 열 극성 열의 조합 (프림 개발되었다워)) 비극성 (보조 ×. Klenn 등은. (2015)는 기본 항목에 대하여 차 컬럼 (특히 60m GC 컬럼) 및 보조 칼럼의 오프셋 온도 저하의 길이를 증가 시키면 피크 용량 해상도 ^16-18을 최대화한다고 제안했다. 따라서, 60m 차 칼럼 5 ° C는 본 연구에서 사용 된 주요 항목에 대하여 보조 칼럼의 온도 오프셋. 최적의 변조 기간이 연구에 기술 된 프로토콜에 따라 측정 하였다 (섹션 4 참조). GC 칼럼 온도의 최적의 램프 속도는 시행 착오 법에 의해 결정되고 문헌 ^16-18에 제시된 값과 비슷 하였다. 수성 샘플이 열 조합의 장점을 설명하기 위해, 우리는 극성 비극성 × 종래 열 조합 HTL 조류 물 샘플을 분석 하였다. 문헌에서 제안 된 동작 파라미터는 수성을 분석에 이용 하였다비극성 × 극성 열 조합 ^(18)와 조류 바이오 원유의 비율.

프로토콜

1. 샘플 준비

1. 문헌 ^10,11 검색된 반응기 설계 및 실험 절차에 따른 조류 연속 흐름 HTL 통해 혼합 수성 / 유기 생성물 스트림을 생성한다.
2. 수상과 유기상에 제품 스트림을 분리하는 중력 분리기를 사용합니다.
3. GC-TOF-MS 분석 GC × 4 ° C로 유지 냉장고 0.45 μm의 주사기 필터를 사용하여 저장소 HTL 성상을 10 ml의 필터.

2. 악기 구성 요소

1. 쿼드 - 젯 듀얼 스테이지 냉각 기반 변조기 및 비행 시간 (TOF) 질량 분석 (MS)이 실험에 구비하는 가스 크로마토 그래피 (GC)를 사용한다.
2. GC에 각 시료 또는 표준의 1 μl를 주입 할 수있는 오토 샘플러를 구성합니다. 문헌 ^(13)에 설명 된대로 자동 샘플러 시퀀스에 대한 샘플 및 표준 주사의 무작위 블록 디자인을 사용합니다. randomi평탄화 블록 설계는 일반적으로 장비 동작 제어 정량적 연구에 사용된다. 우리 실험실은 기기 작동을 확인도 비교 연구에서 일상적으로 디자인을 사용합니다.
3. 변조기 전에 기자 기밀 커넥터를 사용하여 기본 및 보조 열을 연결합니다. 모두 기본 및 보조 열 양쪽 가장자리가 프레스 꽉 커넥터에 연결하기 전에 날카로운 모서리없이 직선 절단되어 있는지 확인합니다.
4. GC 컬럼 페룰을 놓고 열 5mm가 인젝터 내부가되도록 한 다음 GC 주입기 1 차 열을 연결합니다.
5. GC 인젝터에 대한 그 유리 라이너, 비 스틱 라이너 O 링 및 격막 새로운 오염의 무료 확인합니다.
6. 보조 열 및 전송 라인을 연결하는 1/16 X 0.5 mm ID 전송 라인 페룰을 사용합니다. 전송 라인에 보조 기둥의 0.2 m 부분을 놓습니다.
7. 보조 열의 0.1 m 부분이 변조기에 있는지 확인하십시오.
8. 초 고순도 헬륨을 사용하여1.5 ml의 분 ^-1의 유속 GC 용 캐리어 가스로서 가스.
9. 변조기의 냉각제 역할을 듀어에 충분한 액체 질소가 있는지 확인하십시오. 듀어 액체 질소 수준의 출구에 연결된 압력 게이지를 사용하여 예측 될 수있다. 0 kPa의가 비어 있음을 나타냅니다 동안 압력 게이지의 69 kPa의 독서는, 듀어가 가득 함을 나타냅니다.

3. 프로토콜 샘플을 분석하기 전에

1. 악기에 더 큰 누수가 없는지 확인합니다. TOF-MS의 진공 게이지 판독 1.5 ml를 분 ^-1 GC 컬럼 유속 이상 2.7 × ^10-5 파의 경우,이 시스템의 주요 누출을 나타낸다.
2. 품질 관리 (QC) 방법을-설정하고 제조 업체의 프로토콜을 사용하여 최대 신호 응답을 달성하기 위해 내장 '수집 시스템 조정'프로토콜을 실행합니다.
3. 내장 품질 관리 방법의 '악기 최적화'프로토콜, 직렬로 실행 - filam을천만에 초점, 이온 광학 초점 및 제조 업체의 프로토콜을 사용하여 질량 교정 테스트합니다. 질량 교정 검사를 통과했는지 확인하십시오. QC이 방법은 기기의 모든 하드웨어 파라미터를 최적 레벨에있는 것을 보장한다.
4. 제조자의 프로토콜을 이용하여 "누출 검사"를 수행한다. 자동으로 누출 검사 보고서를 생성 분석합니다. 그 확인의 상대적 농도가 28 (N _2), 32 (O ₂₎ 및 18 (수분) 이온이 각각 10 % 미만, 3 %, 69 이온의 질량 스펙트럼을 내부 표준 5 % 미만이어야한다.
5. 조정 TOF-MS는 제조 업체의 프로토콜을 사용하여.
6. 실행 품질 제어 방법뿐만 아니라, TOF-MS 조정 프로토콜 전에 누설 검사 후도 시료와 표준 분석있다.

변조기의 최적 변조 기간을 결정 4. 프로토콜

1. 임의로 긴 변조주기 (예를 들어 10 초 또는 13 초)을 선택합니다. 2.2에 기술 된 바와 같이 샘플을 주입.
에는 피크가 용출되지 후 윤곽 플롯의 두 번째 차원의 체류 시간을 확인합니다. . 최적의 변조 기간으로 확인 된 두 번째 차원 보존 시간을 선택 윤곽 플롯의 두 번째 차원에서 유지 시간의 식별을 명확하게 도표 2 해명.
2. 단계 4.1에서 사용되는 변조 기간을 늘리고 다시 "랩 어라운드"경우 ¹⁸ 관찰 분석을 수행합니다. 두 번째 차원의 피크가 첫 번째 차원의 기준선 아래로 용출 경우 주위에 감싸 현상이 발생합니다. '랩 어라운드'에 대한 예 등고선 플롯은 추가 정보를 그림 3에 표시됩니다.
3. 최적의 값이 결정될 때까지 반복 4.2 및 4.3 단계를 반복합니다.

장비 셋업 5. 실험 매개 변수

1. 극성 (60 MX 0.25 mm X 0.5 ㎛의 막 두께) 차 칼럼과 비극성 (MX 2.3 0.25 mm X 0.5 ㎛의 막 두께)와 같은 모세관 컬럼 카필라 설치보조 열로 공예 열입니다. 수분, 공기 및 새로운 GC 컬럼과 관련된 오염 물질의 미량을 제거하기 위해 적어도 2 시간 동안 주 및 보조 열 모두 굽는다.
2. 1.5 ml의 분 ^-1의 유속 GC위한 캐리어 가스로서 초 고순도 헬륨 가스를 사용한다.
3. 250 : 260 ° C의 온도 (1)​​의 분할 비를 GC 인젝터를 설정한다.
4. 5 ° C의 분 ^-1에서 260 ° C로 승온 한 다음, 0.2 분 동안 40 ° C의 일정 온도에서 5 분 동안 260 ° C의 항온 하였다 : 차 열의 다음의 온도 프로그램을 사용한다.
5. 보조 칼럼 차 칼럼의보다 5 ° C에서 보조 칼럼 온도보다 변조기 온도 5 ° C 높게 유지한다.
6. 뜨거운 펄스의 0.8 초 차가운 펄스의 1.2 초와 4 초 최적의 변조주기를 사용합니다. 이 값은 종파에 기재된 프로토콜에 기초하여 결정된다이온 4.
7. 270 ° C로 설정 전송 라인 온도.
8. 0 초에 인수 지연 또는 용매 지연을 설정합니다.
9. 각각 35와 800으로 m / z의 낮은 및 높은 범위를 설정합니다.
10. 400 스펙트럼 / 초에서 MS 검출기 수집 속도를 설정합니다.
11. 최적화 된 값이 150 V 이상에서 MS 검출기 전압을 유지한다.
12. 225 ℃에서 MS 이온 소스 온도를 유지한다.

6. 데이터 분석

1. 장비 제조자에 의해 제공된 소프트웨어를 사용하여 데이터 처리를 수행한다.
2. 데이터 분석 방법에서 다음 작업을 선택합니다 -베이스 라인, 라이브러리 검색 위의 피크를 찾아, 계산 기준 및 계산은있다 / 높이입니다.
3. 데이터 파일을 통해베이스 라인 추적. 베이스 라인 0.5로 오프셋 입력합니다.
   첫 번째 차원에서 15 초와 두 번째 차원에서 0.15 초 예상 피크 폭을 입력합니다.
4. 식별자에 대한> 850의 설정 신호 대 잡음 5,000 비율과 유사 값화합물의 문법을 없애는.
5. 샘플에 존재하는 화학 화합물을 식별하고 전달하는 라이브러리 검색 모드를 설정하기 위해 시중에서 판매하는 질량 스펙트럼 라이브러리를 선택합니다.
6. 제조자의 프로토콜을 사용하여이 데이터를 분석 방법을 이용하여 데이터 파일을 처리한다. 이는 데이터 파일을 처리하는, 적어도 1 시간을 필요로한다.

결과

국가에 대해 검색하여 확인 된 화합물의 비극성 극성 ×는 그림에 표시됩니다의 열 조합으로 분석 조류 바이오 원유의 수성 부분에 대해 얻어진 총 이온 크로마토 그램 (TIC) 4. 체류 시간과 유사 또는 일치 계수 값 표준 기술 (NIST) 라이브러리 연구소는 표 1에 정리 하였다. 옥시 게 네이트는 AND (아세트산, 프로판 산, 부 탄산을 포함), 유...

토론

결과는 명확 전에 시료 전처리 기술없이 조류 바이오 미정 수성 분획에 존재 극성 화합물 및 광 휘발를 해결 극성 × 비극성의 열 결합 능력을 나타낸다. 급격한 피크 테일링 유기산 및 N-화합물 비극성 × 극성 열의 조합을 사용하는 동안 관찰되었다. 이 피크 테일링은 초기 용출 빛 유기물에 대한 관찰되지 않았다. 장비를 확인하는 것은 (TOF-MS에서 진공 1.5 ml의 분 ^-1 GC 캐리어 가스 유량 2.7 ...

자료

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