Zaman-of-flight Kütle Spektrometre ile 2D Gaz Kromatografisi Kullanarak Alg Hidrotermal Sıvılaşma gelen Sulu Kesir Nitel Karakterizasyonu

Özet

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.

Özet

time-of-flight kütle spektrometre ile birlikte iki boyutlu gaz kromatografisi belirlenmesi ve kompleks karışımlar kimyasal bileşenleri ölçülmesi için güçlü bir araçtır. Genellikle benzin, jet yakıtı, motorin, biyodizel ve biyo-ham / biyo-yağ organik kısmını analiz etmek için kullanılır. Bu analizlerin çoğunda, ayırma ilk boyutu polar ayrılması, ardından polar olmayan. biyoyakıt üretimi biyo-ham ve diğer sulu örneklerin sulu fraksiyonlar benzer sütun kombinasyonları ile incelenmiştir. Bununla birlikte, bu türetme, çözgen ekstraksiyonu, ve katı faz ekstraksiyonu gibi örnek hazırlama teknikleri gerekli olan analizden önce. Bu çalışmada, yosun hidrotermal sıvılaştırma ile elde edilen sulu fraksiyonlar, ardından birinci boyutta bir polar ayırma kullanarak önceden örnek hazırlama teknikleri olmadan time-of-flight kütle spektrometre ile birlikte iki boyutlu gaz kromatografisi ile karakterize edilmiştirikinci bir polar olmayan ayırma ile. Bu analizden elde edilen iki boyutlu çizimleri daha geleneksel kolon konfigürasyonu elde edilenler ile karşılaştırılmıştır. yosun biyo-ham sulu fraksiyonların niteliksel tanımlanması sonuçları ayrıntılı olarak ele alınmıştır. time-of-flight kütle spektrometre ile birlikte iki boyutlu gaz kromatografisi ile, sulu örneklerde organik karakterizasyonu için bir polar olmayan ayrılması, ardından polar ayırma kullanmanın avantajı ortaya koyulmaktadır.

Giriş

Sıvı yakıtlar, sonlu fosil yakıt kaynaklarının, fosil yakıt kaynaklarının belirsizlik ve atmosferdeki sera gazlarının artması konsantrasyonu kaygıları olan talebin istikrarlı büyüme yenilenebilir kaynaklara ¹ global farkındalık artmıştır. Güneş, rüzgar enerjisi, hidroelektrik, jeotermal (fotovoltaik ve güneş termal dahil) enerji ve biyokütle potansiyel fosil kaynaklı enerji ² yerini alabilir birincil yenilenebilir kaynaklardır. Bunlardan, biyokütle, sıvı ulaşım yakıtları ve yüksek değerli kimyasallar ³ üretimi için sadece karbon bazlı alternatif enerji kaynağıdır. Biyokütle gibi orman kaynaklarının, tarım kalıntı, yosun, yağlı tohumlar, belediyeye ait katı atık ve karbon zengini endüstriyel atıkların gibi herhangi bir organik madde içeren (örneğin kağıt hamuru ve kağıt endüstrisinden veya gıda işleme) ^1. com dayalı lignoselülozik ve non-odunsu hammaddeleri: Biyokütle iki geniş kategoriye ayrılırkonumsal özellikleri. Olmayan odunsu besleme stokları protein, karbonhidrat ve lipitleri / yağlar ⁴ varken lignoselülozik biyokütle, karbonhidrat ve lignin oluşur. Sürdürülebilir ekili ve ^5,6 hasat eğer karasal bitkilerden elde edilen odun selülozu hammaddeler, yalnızca geçerli sıvı yakıt (benzin, jet yakıtı, motorin ve) talep% 30 tatmin edebilir. Yenilenebilir sıvı yakıt üretimi için Dolayısıyla, bu mikro algler ve mantarlar gibi non-odunsu suda mikroorganizmalar olarak potansiyel besleme stokları lignoselülozik bilgi güzelleştirmek için.

Mikroalg besleme stokları mevcut sıvı taşımacılığı yakıtlar ^7,8 talep tatmin potansiyeline sahiptir. Yosun pek çok avantajı var: yüksek alansal verimlilik ^8, düşük kaliteli, acı veya deniz suyu ⁹ ve enerji yoğun trigliseridleri veya hidrokarbonlar ^7,8 birikir yeteneği büyümeye yeteneği. Hidrotermal sıvılaşma (HTL) uygulanabilir ve ölçeklendirilebilir eşdoğal olarak alg veya su ham madde ^10,11 ile ilişkili su kullanır nSürüm süreç. Bir yakıt karışımı stoka yükseltilebilir bir sıvı ürünü, ya da biyo-ham olarak üreten 10-25 MPa 250-400 ° C çalışma basıncı işletme sıcaklıklarında bir termo-kimyasal bir süreçtir. Biyo-ham alg HTL üretilen ayırt kolayca ayrılabilir organik ve sulu kesirler vardır. Biyo-ham organik pay etkin katalitik hidro-muamele işlemleri ¹¹ aracılığı ile arıtma hazır karışım için stoklar dönüştürülebilir. Biyo-ham sulu fraksiyon ~ alg besleme stoğundaki toplam karbon mevcut olan% 30 içerir. Binlerce bileşik HTL sulu akım tespit edilmiş olmasına rağmen, baskın fraksiyonlar karbohidratlar ve lipidleri ve piroller içeren nitrojen heterosiklikler (piridinler bozunmasıyla meydana (asitler, alkoller, ketonlar ve aldehitler dahil olmak üzere), düşük molekül ağırlıklı hacimsel oluşmaktadır , pirazinProtein ayrışma ¹² elde es ve imidazoller). Sulu genel işlem ekonomisini iyileştirmek için fraksiyonu yanı sıra sürdürülebilirlik kullanarak ilgili çalışmalar devam etmektedir. Sentez gazı katalitik hidrotermal gazlaştırma ^{10,13, 14} ile yosun biyo-ham sulu fraksiyondan elde edilebilir. Seçenek olarak ise, sulu bir fraksiyonunda organik katalitik olarak yakıt katkı ve özel kimyasallar dönüştürülebilir. sulu sıvı fazda organik dönüştürülmesi için katalitik hidrotermal gazlaştırma ve katalizör tarama çalışmaları optimize Araştırması Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) şu anda devam etmektedir. Bu çalışmada, niteliksel olarak yosun biyo-ham sulu fraksiyon kantitatif karakterizasyonu için gereklidir. Yosun biyo-ham sulu kısım atık akışı olarak kabul edilir beri, yosun biyo-ham ^13,15 sulu kısmını analiz ettik çok az sayıda çalışma vardır. Dahası, sonçalışmalar değeri yüksek biyo-ürünler içine bu HTL yosun suyu dönüştürme Bir HTL bazlı biyo-rafineri ¹¹ sürdürülebilirliği yanı sıra ekonomi artıracak sonucuna varmıştır. Bu nedenle, bu çalışmada (GC-TOF-MS × GC) zaman-of-flight kütle spektrometresi ile birleştiğinde iki boyutlu gaz kromatografisi ile alg HTL elde edilen biyo-ham sulu fraksiyonun kalitatif karakterizasyonu için bir yöntem geliştirmeye odaklandık.

GC-TOF-MS x GC (bir numunede veya kimyasal bileşiklerin ayrılması) çözünürlüğünü geliştirmek için en ümit verici kromatografik analitik teknik, debisi (çözülmüş piklerin yani sayısı) kimyasal bileşiklerin tanımlanması için sinyal-gürültü oranı (bir ) yüksek güvenle ve kimyasal bileşiklerin ¹⁶ co-elüsyon önlemek için. çözünürlük, yüksek kapasiteye ve gürültü oranı sinyal-maksimize etmek için, farklı sabit fazlarda iki GC sütun bir basın-fit c kullanarak seri olarak bağlanıronnector ya da mikro-Union ¹⁷ (Bu çalışmada kullanılan GC-TOF-MS sistemi x GC bir blok diyagramıdır, Şekil 1 'e bakınız). Bir modülatör yönlendirmesi, yakalamak için press-fit konnektörü ve ikincil sütunlar arasında yer alan ve ikincil sütuna ¹⁸ içine birincil sütundan atık suların yeniden enjekte edilir. Şekil 1 'de gösterildiği gibi, modülasyon, bu çalışmada, ikincil kolonunda gerçekleşir. İkinci kolon daha sonra bir transfer hattı montajı ile TOF-MS bağlanır.

GC-TOF-MS × GC ham petrol ^16,19, benzin, jet-yakıtı, motorin, biyo-dizel ve biyo-yakıt organik fraksiyon olarak nitel yanı sıra organik örneklerin kantitatif analiz için daha önce kullanılan ^20- termo-kimyasal yanı sıra termo-katalitik dönüşüm üretilen ^{22 23,24} işler. GC-TOF-MS aletleri, uzun bir polar olmayan kolon w × GC bu organik örneklerin karakterizasyonu içinKısa bir polar kolon, ikinci sütun olarak kullanılmıştır, birincil sütun olarak kullanıldığı haliyle. Bu geleneksel sütun yapılandırma ikinci boyutta ¹⁸ kutupluluk ardından ilk boyuta üzerinde volatilite farklılıklara dayalı kimyasal bileşikleri giderir. Hazırlık ^17,25-30 adımları ile örnek olmuştu sonra biyolojik süreçler, gıda işleme ve çevresel atıklardan sulu veya su numuneleri de benzer birincil / ikincil sütun yapılandırmaları kullanılarak karakterize edildi. Bu türetme, bir katı faz ekstraksiyon ve organik solventle ekstraksiyon gibi örnek hazırlama teknikleri, tüm GC-TOF-MS analizi ^{17,27-29,31,32} x GC önce kullanılmıştır. Bu teknikler, klasik bir kolon yapılandırması ³³ kullanılarak analiz örnek bileşikler polaritesinin azaltılması amaçlanıyordu. Alternatif bir strateji, numunenin doğasına göre bu çalışmada kullanılmıştır (su içinde burada polar organik bileşikler)GC-TOF-MS analizi × GC için ters birincil / ikincil sütun yapılandırmasını kullanarak. Biyo-ham HTL üretilen sulu fraksiyon yana polar bileşikleri ¹³ sahip bir primer polar sütunu ve bir ikincil polar olmayan bir sütunun sütun kombine bir akış yukarı örnekleme hazırlanmadan GC-TOF-MS x GC kullanılmıştır. Bu birincil / ikincil sütun kombinasyonu, ikinci boyutta dalgalanmalar ardından ilk boyuta üzerinde kutupluluk farklılıklara dayalı kimyasal bileşikler, giderir. Sınırlı analitik metotlar önce numune işleme ¹⁵ olmadan iki boyutlu gaz kromatografisi kullanılarak sulu örneklerin karakterizasyonu için literatürde var.

Bu çalışmanın amacı, yosunlar biyo-ham sulu fraksiyonunda kimyasal bileşikleri belirlemekti. Bu hedefe, GC-TOF-MS veri toplama yöntemine × bir GC elde etmek için bir sütun kutup sütunun kombinasyonu (prim ile geliştirilmiştirli)) polar olmayan (ikincil ×. Klenn ve diğ. (2015) birincil sütuna göre birincil sütun (özellikle 60 m GC sütun) ve ikincil sütunun ofset sıcaklığının düşürülmesi uzunluğunu arttırarak zirve kapasite ve çözünürlüğü ^16-18 maksimize edeceğini ileri sürdü. Bu nedenle, 60 m primer kolonu ve 5 ° C, bu çalışmada kullanılan primer sütununa ilgili ikincil kolonun sıcaklığı farkı. Optimum modülasyon süresi bu çalışmada açıklanan bir protokol tespit edilmiştir (Bölüm 4'e bakınız). GC kolon sıcaklığı optimum rampa oranı deneme yanılma yöntemiyle belirlendi ve literatürde ^16-18 önerilen değere benzer oldu. Sulu numuneler için bu sütun kombinasyonunun avantajlarını tartışmak, biz kutup polar olmayan × geleneksel kolon kombinasyonu ile HTL yosun su örnekleri analiz ettik. Literatürde önerilen işletim parametreleri sulu analiz etmek için kullanılmıştırpolar olmayan bir X polar sütun kombinasyonu ^18, algli biyo-ham fraksiyonu.

Protokol

1. Numune Hazırlama

1. Literatürde ^10,11 bulunan reaktör tasarımı ve deneysel prosedüre göre alglerin sürekli akış HTL ile karışık bir sulu / organik bir ürün akışı oluşturur.
2. bir sulu faz ve organik faz halinde bir ürün akımının ayrılması için bir çekim ayırıcı kullanarak.
3. GC-TOF-MS analizi x GC boyunca 4 ° C 'de muhafaza edilen bir buzdolabı içinde bir 0.45 mikron bir şırınga filtresi ve deposunu kullanan HTL sulu fazın 10 ml filtre.

2. Enstrüman Bileşenleri

1. dört jet çift aşamalı soğutma tabanlı modülatör ve zaman-of-flight (TOF) kütle spektrometresi (MS), bu deneyler için donatılmış bir gaz kromatografisi (GC) kullanın.
2. GC her bir numune ya da standardın 1 ul enjekte etmek için bir otomatik numune yapılandırma. Literatürde ¹³ de tarif edildiği gibi otomatik örnekleyici dizisi için örnek ve standart enjeksiyon rastgele bir blok tasarım kullanılmıştır. randomized blok tasarımı yaygın enstrüman işlemi kontrol etmek için kantitatif çalışmalarda kullanılmaktadır. Laboratuvarımız enstrüman çalıştığını doğrulamak için bile karşılaştırmalı çalışmalarda rutin tasarım kullanır.
3. modülatör önce bir basın geçirmez konnektörü kullanılarak birincil ve ikincil sütun bağlayın. hem birincil hem de ikincil sütunların her iki kenarları basın geçirmez konnektörüne bağlamadan önce keskin kenarları olmayan düz kesim emin olun.
4. GC sütun üzerinde halkalı yerleştirin ve sütun 5 mm enjektör içinde olduğunu böylece daha sonra GC enjektör birincil sütun bağlayın.
5. GC enjektör için bu cam liner, yapışmaz liner O-ring ve septa yeni ve kirlenme serbest olduğundan emin olun.
6. İkincil kolon ve transfer hattı bağlamak için 1/16 x 0,5 mm ID nakil hattı yüksüklüdür kullanın. transfer hattı ikincil sütunun 0.2 M kısmı yerleştirin.
7. İkincil sütunun 0.1 m kısmı modülatör olduğundan emin olun.
8. Ultra yüksek saflık helyum kullanın1.5 ml ^dak-1 bir akış oranında GC taşıyıcı gaz olarak doğal gaz.
9. modülatöründeki bir soğutucu gibi davranır Dewar yeterli sıvı azot olduğundan emin olun. Dewar sıvı azot düzeyi, prize takılan bir basınç ölçer kullanılarak tahmin edilebilir. 0 kPa boş olduğunu gösterir iken basınç göstergesi A 69 kPa okuma, Dewar dolu olduğunu gösterir.

3. Protokoller Örnekleri Analiz önce

1. enstrüman hiçbir büyük sızıntı olmamasına dikkat edin. TOF-MS vakum ölçer okuması 1.5 mi ^dak-1 GC sütunu akış hızı için daha yüksek 2.7 x 10 ^-5 Pa, bu sistemde önemli bir sızıntı olduğunu gösterir.
2. kalite kontrol (QC) yöntemini set-up ve üreticinin protokolü kullanılarak maksimum sinyal yanıtı elde etmek için dahili 'toplama sistemi ayarlamalar' protokolü çalıştırın.
3. dahili QC yöntemi 'enstrüman optimizasyon' protokolleri, seri olarak çalıştırın - Filament odak, iyon optik odaklama ve üreticinin protokolü kullanılarak kütle kalibrasyon testleri. kütle kalibrasyon testi geçer emin olun. Bu QC yöntemi aracının tüm donanım parametreleri optimum düzeyde olmasını sağlar.
4. Üreticinin protokolü kullanılarak bir "kaçak kontrolü" gerçekleştirin. otomatik olarak kaçak kontrolü raporu oluşturur analiz edin. Emin olun görece konsantrasyonu, 28 _(N2) altında, 32 (O ₂₎ ve 18 (nem) iyonları, sırasıyla en az% 10, 3 ve% 69 iyonu iç standart kütle spektrumları% 5, ​​altında olmalıdır.
5. Ayarlama TOF-MS, üreticinin protokolü kullanılarak.
6. Run kalite kontrol yöntemi yanı sıra TOF-MS ayar protokolü öncesi ve sızıntı kontrolünden sonra ve aynı zamanda örnekleri ve standartları analiz ederken.

Modülatör Optimum Modülasyon Dönemi belirleme 4. Protokol

1. Keyfi uzun bir modülasyon dönemi (örneğin 10 sn veya 13 sn) seçin. 2.2 de tarif edildiği gibi, bir örnek enjekte edilir.
2. hiçbir zirveleri elutes sonra kontur arsa ikinci boyutta tutma süresini tanımlayın. . Optimum modülasyon dönemi olarak tanımlanan ikinci boyut tutma süresini seçin kontur arsa ikinci boyutta tutma süresi tanımlanmasını açıkça Şekil 2 aydınlatmak.
3. Adım 4.1 kullanılan modülasyon süresini arttırmak ve yine "saran" eğer ¹⁸ gözlenmektedir analizi gerçekleştirmek. İkinci boyutta zirveleri ilk boyutun taban çizgisinin altına elutes eğer etrafında sarın olayları meydana gelir. 'Wraparound' Örnek kontur arsa ek bilgiler Şekil 3'te gösterilmiştir.
4. Optimum değer tespit edilene kadar tekrarlayın 4.2 ve 4.3 adımları tekrarlayın.

Enstrüman Set-up 5. Deneysel Parametreleri

1. bir polar (60 mx 0.25 mm x 0.5 um film kalınlığında), birincil kolon ve polar olmayan (2.3 mx 0.25 mm x 0.5 um film kalınlığında) Kılcal Sütun Capilla yüklemeikincil sütun olarak ry sütun. nem, hava ve yeni bir GC sütununa ilişkili kirleticilerin eser miktarda kalmayana dek en az 2 saat için birincil ve ikincil sütun hem de fırında.
2. 1.5 ml ^dak-1 bir akış oranında GC taşıyıcı gaz olarak ultra yüksek saflıkta helyum gazı kullanın.
3. 250: 260 ° C arasındaki bir sıcaklıkta ve 1 'lik bir ayırma oranı GC enjektörü ayarlayın.
4. 5 ° C, en ^-1 de 260 ° C'ye kadar bir sıcaklık rampası, ardından 0.2 dk için 40 ° C sabit bir sıcaklıkta, 5 dakika boyunca 260 ° C'lik bir sabit sıcaklıkta, ardından: Birincil sütun için, aşağıdaki ısı programı çalıştırmak.
5. İkinci sütun ve primer kolonun daha yüksek, 5 ° C de, ikincil kolon sıcaklığı daha modülatör sıcaklığı 5 ° C daha yüksek bir muhafaza.
6. Sıcak nabız 0.8 sn ve soğuk nabız 1.2 sn 4 saniye optimum modülasyon dönemi kullanın. Bu değer mezhep açıklanan protokole göre belirleniriyon 4.
7. 270 ° C'ye kadar ayarlayın transfer hattı sıcaklığı.
8. 0 sn iktisap gecikmesi veya solvent gecikme ayarlayın.
9. sırasıyla, 35 ve 800 olarak m / z alt ve üst aralığı ayarlayın.
10. 400 spektrumu / sn MS dedektör satın alma hızını ayarlayın.
11. Optimize edilmiş değerden 150 V yüksek MS dedektör gerilimi sürdürmek.
12. 225 ° C MS iyon kaynağı sıcaklığı muhafaza edin.

6. Veri Analizi

1. alet üreticisi tarafından sağlanan yazılımı kullanarak veri işleme gerçekleştirin.
2. veri analizi yönteminde aşağıdaki görevleri seçin - bazal, kütüphane arama yukarıdaki doruklarına bulmak, Compute taban çizgisi ve hesaplamak vardır / yükseklik.
3. veri dosyası aracılığıyla taban çizgisi izleyin. Bazal 0.5 olarak ofset girin.
   İlk boyutta 15 saniye ve ikinci boyutta 0.15 sn beklenen zirve genişliğini girin.
4. kimliğin için> 850 Set sinyal-gürültü 5.000 olarak oran ve benzerlik değerleriBileşiklerin Sınıflamasına.
5. örneklerde mevcut kimyasal bileşiklerin belirlenmesi ve iletmek için kütüphane arama modunu ayarlamak için piyasada mevcut olan kitle spektral kütüphane seçin.
6. Üreticinin protokolü kullanılarak bu veri analiz yöntemi kullanarak veri dosyalarını işlemek. Bu bir veri dosyası işlem için en az 1 saat gerektirir.

Sonuçlar

Bir Ulusal karşı arama tarafından tanımlanan bileşiklerin, polar olmayan, polar x şekilde gösterilmiştir sütun kombinasyonu ile analiz yosun biyo-ham sulu fraksiyondan elde edilen toplam iyon kromatogram (TIC) 4. Alıkonma süreleri ve benzerlik veya eşleme faktörü değerleri Standartlar ve Teknoloji (NIST) kütüphane Enstitüsü Tablo 1 'de tablolaştırılmıştır. oksijenatlar ve (asetik asit, propanoik asit ve büta...

Tartışmalar

Sonuçlar açıkça öncesinde numune hazırlama teknikleri olmadan yosun biyo-ham sulu fraksiyonunda mevcut polar bileşikleri ve hafif uçucu çözmek için polar × polar olmayan kolon kombinasyonu yeteneğini göstermektedir. Sert pik atık organik asitler ve N-bileşikleri polar olmayan x polar kolon kombinasyonu kullanarak gözlendi. Bu zirve atık erken çıkan ışık organikler için gözlenmedi. Enstrüman doğrulama (TOF-MS vakum 1.5 ml dk ^-1 GC taşıyıcı gaz akış hızı için 2.7 × 10 ^-...

Malzemeler

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