Fast determination of biofuel sugars by HPAE-PAD

Význam tématu

Využití lignocelulózní biomasy pro výrobu biopaliv je klíčové pro udržitelnou energetiku. Přesné sledování uvolňování pěti- a šestiuhlíkatých sacharidů z hydrolyzátů je rozhodující pro maximalizaci výtěžku a ekonomiky procesu. Rychlá, spolehlivá a robustní analytická metoda zkracuje dobu odezvy a zlepšuje kvalitu řízení bioprodukce.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo vyvinout a validovat rychlou aniontově-výměnnou chromatografii s pulzní amperometrií (HPAE-PAD) pro stanovení osmi běžných fermentovatelných cukrů v lignocelulózních hydrolyzátech. Použití kolony Thermo Scientific Dionex CarboPac SA10-4 µm ve formátu 4×150 mm umožnilo separaci v čase pod šest minut při zachování vysoké účinnosti.

Použitá metodika

Metoda využívá elektrolyticky generovaný eluent 1 mM KOH (Dionex EGC 500) a kontinuálně regenerovanou aniontovou past Dionex CR-ATC 600. Pro separaci slouží analytická kolona CarboPac SA10-4 µm (4×150 mm) a ochranná kolona (4×30 mm). Provozní podmínky: teplota kolony 45 °C, teplota detekční komory 30 °C, průtok 1,5 mL/min, objem injekce 0,4 µL (Push_Full režim). Detekce probíhá pulzní amperometrií na zlatém pracím elektrodě s pH-Ag/AgCl referencí.

Použitá instrumentace

• Dionex Integrion HPIC systém se SP pumpou
• Elektrochemický detektor ED s pracovní buňkou
• Eluentový generátor EGC 500 KOH a trap CR-ATC 600
• Degaser HP EG
• IC PEEK Viper™ přípojky a tubing
• Autosampler AS-AP s chlazeným stolem
• Zlatá prací elektroda na PTFE, referenční pH-Ag/AgCl elektroda

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda umožnila baseline separaci osmi cukrů (arabinosa, galaktosa, glukosa, xylosa, mannosa, fruktosa, sacharóza, celobióza) v méně než šesti minutách. Kalibrační křivky na jedenácti úrovních (0,006–2 g/L) vykázaly koeficienty determinace ≥ 0,999. Metoda prokázala vysokou přesnost – spikovací studie v pěti reálných vzorcích ukázaly průměrné recoveries 74–115 % s RSD < 1 %. Robustnost byla ověřena 180 injekcemi vzorků, při kterých RSD retenčního času nepřesáhla 0,68 % a RSD oblasti píku 2,38 %. Dávkováním ±10 % klíčových parametrů (teplota, průtok, koncentrace eluentu) se chromatografické parametry měnily minimálně.

Přínosy a praktické využití metody

Rychlost analýzy zkracuje dobu odezvy laboratoře a zvyšuje throughput. Snížení objemu eluentu snižuje provozní náklady. Vysoká linearita umožňuje analýzu koncentrovaných hydrolyzátů bez rozsáhlé diluce.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další směřování zahrnuje automatizaci přípravy vzorků, miniaturizaci separační sestavy, rozšíření metodiky na vyšší oligosacharidy a integraci do procesního analýzy (PAT). Kombinace s hmotnostní spektrometrií může zlepšit selektivitu a citlivost pro komplexní matricové vzorky.

Závěr

Popsaná HPAE-PAD metoda s kolonnou CarboPac SA10-4 µm je rychlá, přesná a robustní pro stanovení fermentovatelných cukrů v lignocelulózních hydrolyzátech. Umožňuje vysokoprocesní monitoring a podporuje optimalizaci výroby druhé generace biopaliv.

Reference

1. Hill J. et al. PNAS 2006, 103(30), 11206–11201.
2. Ragauskas A.J. et al. Science 2006, 311, 484–489.
3. Goldemberg J. Science 2007, 315, 808–810.
4. Alonso D.M. et al. Green Chem. 2010, 12, 1493–1513.
5. Wyman C.E. Bioresour. Technol. 1994, 50, 3–16.
6. Sluiter J.B. et al. J. Agric. Food Chem. 2010, 58(16), 9043–9053.
7. Thermo Scientific AU192 2016.
8. Thermo Scientific AN1089 2016.
9. Thermo Scientific TN186 2016.
10. Thermo Scientific AN1161 2017.