Rapid and Sensitive Determination of Biofuel Sugars by Ion Chromatography

Význam tématu

Analýza cukrů v biomase je zásadní pro optimalizaci výroby biopaliv, zejména bioetanolu. Přesné a rychlé stanovení sacharidů u vysokokoncentrovaných vzorků umožňuje lepší kontrolu enzymatických a fer­mentačních procesů a zvyšuje celkovou efektivitu bioprodukce.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo vyvinout robustní metodiku vysokovýkonné aniontové výměnné chromatografie s pulzní amperometrickou detekcí (HPAE-PAD), která umožní stanovení běžných cukrů v koncentrovaných hydrolyzátech kukuřičných stébel (corn stover) za méně než 8 minut a s minimální přípravou vzorku.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky hydrolyzátů byly centrifugovány a naředěny vodou (1/100 až 1/150). Eluent 1 mM KOH se generoval on-line pomocí Dionex EGC II KOH. Chromatografické podmínky: kolona CarboPac SA10 (4×250 mm analytická, 4×50 mm ochranná), průtok 1,5 mL/min, teplota 45 °C, objem injekce 0,4 µL. Detekce probíhala pulzní amperometrií na jednorázové zlaté elektrodě s referencí Ag/AgCl při vlnovém průběhu pro sacharidy.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific Dionex ICS-3000/ICS-5000 (SP/DP, EGC II KOH, DC, ED)
• Analytická kolona Dionex CarboPac SA10 + guard kolona
• Autosampler AS-AP, injekční ventil 4-port
• Jednorázová zlatá pracovní elektroda na PTFE, referenční elektroda Ag/AgCl
• Chromeleon CDS software

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda dokázala separovat osmi cukrů (fukózu, sacharózu, arabinózu, galaktózu, glukózu, xylo­zu, manózu a fruktózu) za 8 min s vysokou rozlišovací schopností. Lineární oblast 0,4–2 mg/mL dosahovala koeficientu determinace r2>0,988. Intradenní relativní standardní odchylky retenčních časů byly <0,28 %, plochy píků 1,7–2,7 %. Mezidenní RSD byly u RT 0,9–1,5 % a u plochy 6–8 %. Obnovení přídavků cukrů ve vzorcích se pohybovalo od 69 % do 112 % (RSD 1–10 %). S nasazením postkolonového přidání 200 mM NaOH se linearita rozšířila na 0,05–1 mg/mL (r2>0,997).

Přínosy a praktické využití metody

Rychlý čas analýzy a minimální příprava vzorku umožňují on-line nebo poloautomatické monitorování zpracování biomasy. Vysoká reprodukovatelnost díky elektrolytické generaci elu­entu a jednorázové pracovní elektrodě zajišťuje konzistentní výsledky mezi laboratořemi.

Budoucí trendy a možnosti využití

Metoda lze dále integrovat do kontinuálních výrobních linek pro reálné časové sledování procesů předúpravy a fermentace. Dalším směrem je rozšíření spektra analyzovaných sacharidů, kombinace s menšími kol­onami pro vyšší propustnost a automatizace přípravy vzorků v mikroškálách.

Závěr

Vyvinutá HPAE-PAD metoda s CarboPac SA10 a on-line generovaným KOH poskytuje rychlé, přesné a reprodukovatelné stanovení biofuel cukrů ve vysoce koncentrovaných hydrolyzátech. Vhodná je pro rutinní sledování kvality a optimalizaci výrobních procesů bioetanolu.

Reference

• Sluiter A.; Hames B.; Ruiz R.; Scarlata C.; Sluiter J.; Templeton D. Determination of Sugars, Byproducts, and Degradation Products in Liquid Fraction Process Samples. Technical Report NREL/TP-510-42623, 2006.
• Dionex. Rapid Method for the Estimation of Total Free Monosaccharide Content of Corn Stover Hydrolystate Using HPAE-PAD. Application Note 225, 2006.
• Kornfeld R.; Hanko V.; Lopez L.; Rohrer J. Determination of Monosaccharides in Acid-Hydrolyzed Corn Stover Using HPAE-PAD. Application Note LPN2489, 2010.
• Dionex. Eluent Preparation for High-Performance Anion-Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection. Technical Note 71, 2009.
• Zheng T.; Woodruff A.; Pohl C.; Rao S.; Flook K.; Agroskin Y. A New Solution for Fast and Rugged Biofuel Carbohydrate Analysis. Application Note LPN2629, 2010.
• Dionex. Analysis of Carbohydrates by High-Performance Anion-Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection. Technical Note 20, 2009.