Determination of Carbohydrates in Acid Hydrolysates of Wood

Význam tématu

V oblasti výroby druhé generace biopaliv hraje klíčovou roli přesné stanovení rozpuštěných sacharidů ve dřevních hydrolyzátech. Monitorování rozkladu celulózy a ligninu na fermentovatelné cukry umožňuje optimalizovat konverzi biomasy na etanol, sledovat účinnost procesů a zvyšovat výtěžnost konečného paliva.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo vyvinout a validovat rychlou a opakovatelnou metodu pro separaci a kvantifikaci jednotlivých cukrů ve vzorcích kyselých dřevních hydrolyzátů. Práce představuje dvě varianty HPAE-PAD analýzy s využitím nového Dionex CarboPac SA10-4µm analytického sloupce, které řeší obtížné rozlišení páru galaktóza/rhamnóza.

Použitá metodika a instrumentace

V obou metodách se využívá vysokotlaké aniontově-výměnné chromatografie s pulzní amperometrickou detekcí (HPAE-PAD). Eluent je generován on-line z 18 MΩ deionizované vody pomocí Dionex EGC III KOH cartridge a CR-ATC trappu. Vzorky se aplikují injekčním objemem 0,4 µL. Metoda 1 pracuje při 45 °C a 1,5 mL/min, metoda 2 při 30 °C a 1,2 mL/min pro lepší rozlišení rhamnózy.

Použitá instrumentace

• Dionex ICS-5000+ HPIC systém se SP nebo DP pumpou a detekčním modulem ED
• Dionex CarboPac SA10 Guard 4×50 mm a CarboPac SA10-4µm Analytical 4×250 mm
• Dionex EGC III KOH eluent generator cartridge a CR-ATC trapp
• ED elektrochemická buňka s Ag/AgCl referenční elektrodou a PTFE zlatým pracovním povrchem
• Thermo Scientific Dionex AS-AP autosampler
• Thermo Scientific Chromeleon CDS software

Hlavní výsledky a diskuse

• 4 µm sloupec vede k >40 % zvýšení platností píků a lepšímu poměru signál/šum oproti standardnímu 6 µm sloupci při obdobném čase analýzy.
• Metoda 1 umožňuje rozdělit 11 běžných dřevních cukrů během 8 min, metoda 2 rozliší galaktózu a rhamnózu během 14 min.
• Preciznost retenčních časů RSD <0,3 % a ploch píků 2–3,8 %; linearita v rozsahu 0,05–2,4 g/L s koeficienty determinace 0,998–0,9998.
• Obnova analytů ve spikovaných vzorcích se pohybovala mezi 71 a 103  %, což potvrzuje přesnost metod v komplexních matricích.
• Metody vykazují stabilitu retence a plošné přesnosti i po stovkách injekcí, při pravidelné údržbě eluentu a elektrochemické buňky.

Přínosy a praktické využití metody

Rychlá doba analýzy a vysoké rozlišení umožňují rutinní kontrolu kvality během výroby biopaliv ze dřeva. Metoda je vhodná pro laboratoře QA/QC, výzkumná pracoviště i průmyslové provozy sledující výtěžnost fermentace.

Budoucí trendy a možnosti využití

Potenciál dalšího rozvoje spočívá v automatizaci přípravy vzorků, integraci on-line sledování procesních toků a rozšíření na jiné lignocelulózové materiály. Kombinace HPAE-PAD s hmotnostní spektrometrií by mohla zlepšit selektivitu a citlivost detekce méně běžných sacharidů.

Závěr

Popsané metody založené na sloupci CarboPac SA10-4µm a generovaném hydroxidu poskytují rychlé, citlivé a reprodukovatelné stanovení hlavních dřevních cukrů. Obě varianty HPAE-PAD analýz uspokojí nároky na přesnost, linearitu a robustnost v rámci biopalivového výzkumu a produkce.

Reference

1. Larsen E Biofuel Production Technologies Status Prospects and Implications for Trade and Development United Nations Conference on Trade and Development 2008
2. Demirbas A Biofuels Securing the Planets Future Springer New York 2009
3. Stephen JD Mabee WE Saddler JN Will Second-Generation Ethanol Be Able to Compete with First-Generation Ethanol Biofuels Bioproducts Biorefining 2012 6 159–176
4. Sluiter JB Ruiz RO Scarlata CJ Sluiter AD Templeton DW Compositional Analysis of Lignocellulosic Feedstocks J Agric Food Chem 2010 58 9043–9053
5. Davis MW A Rapid Modified Method for Compositional Carbohydrate Analysis of Lignocellulosics by High pH Anion-Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection J Wood Chem Technol 1998 18 235–252
6. Thermo Scientific Application Note 282 Rapid and Sensitive Determination of Biofuel Sugars by Ion Chromatography Sunnyvale CA 2012
7. Thermo Scientific Application Update 192 Carbohydrate Determination of Biofuel Samples Sunnyvale CA 2014
8. Thermo Scientific Technical Note 71 Eluent Preparation for High-Performance Anion-Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection Sunnyvale CA 2013