Application of capillary electrophoretic methods for determining carbohydrates and aliphatic carboxylic acids formed during wood processing
Rovio, Stella (2012-11-14)
Väitöskirja
Rovio, Stella
14.11.2012
VTT Technical Research Centre of Finland
VTT Science
Tiivistelmä
Knowledge of the behaviour of cellulose, hemicelluloses, and lignin during wood
and pulp processing is essential for understanding and controlling the processes.
Determination of monosaccharide composition gives information about the structural
polysaccharide composition of wood material and helps when determining the quality
of fibrous products. In addition, monitoring of the acidic degradation products gives
information of the extent of degradation of lignin and polysaccharides.
This work describes two capillary electrophoretic methods developed for the
analysis of monosaccharides and for the determination of aliphatic carboxylic
acids from alkaline oxidation solutions of lignin and wood.
Capillary electrophoresis (CE), in its many variants is an alternative separation
technique to chromatographic methods. In capillary zone electrophoresis (CZE)
the fused silica capillary is filled with an electrolyte solution. An applied voltage
generates a field across the capillary. The movement of the ions under electric
field is based on the charge and hydrodynamic radius of ions.
Carbohydrates contain hydroxyl groups that are ionised only in strongly alkaline
conditions. After ionisation, the structures are suitable for electrophoretic analysis
and identification through either indirect UV detection or electrochemical detection.
The current work presents a new capillary zone electrophoretic method, relying
on in-capillary reaction and direct UV detection at the wavelength of 270 nm. The
method has been used for the simultaneous separation of neutral carbohydrates,
including mono- and disaccharides and sugar alcohols. The in-capillary reaction
produces negatively charged and UV-absorbing compounds. The optimised method
was applied to real samples. The methodology is fast since no other sample preparation,
except dilution, is required.
A new method for aliphatic carboxylic acids in highly alkaline process liquids
was developed. The goal was to develop a method for the simultaneous analysis
of the dicarboxylic acids, hydroxy acids and volatile acids that are oxidation and
degradation products of lignin and wood polysaccharides. The CZE method was
applied to three process cases. First, the fate of lignin under alkaline oxidation
conditions was monitored by determining the level of carboxylic acids from process
solutions. In the second application, the degradation of spruce wood using
alkaline and catalysed alkaline oxidation were compared by determining carboxylic
acids from the process solutions. In addition, the effectiveness of membrane filtration
and preparative liquid chromatography in the enrichment of hydroxy acids from black
liquor was evaluated, by analysing the effluents with capillary electrophoresis. Käsitys selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin käyttäytymisestä puun käsittelyssä
on oleellista, jotta prosesseja kyetään kontrolloimaan. Monosakkaridikoostumuksen
määrittäminen antaa tietoa puun polysakkaridikoostumuksesta ja auttaa arvioimaan
kuitutuotteiden laatua. Lisäksi happamien hajoamistuotteiden määrittäminen antaa
tietoa ligniinin ja polysakkaridien hajoamisesta.
Tässä työssä kuvataan kahden kapillaarielektroforeettisen menetelmän kehitys
monosakkaridien ja alifaattisten karboksyylihappojen määrittämiseksi ligniinin ja
puun alkalihapetuksella käsitellyistä liuoksista.
Kapillaarielektroforeesi (CE) monine variaatioineen on vaihtoehtoinen erotustekniikka
kromatografisille erotustekniikoille. Kapillaarivyöhyke-elektroforeesissa
(CZE) silikakapillaari on täytetty elektrolyyttiliuoksella. Erotusjännite muodostaa
sähkökentän kapillaarin päiden välille, jolloin ionien liikkuvuus sähkökentässä
perustuu niiden varaukseen ja hydrodynaamiseen säteeseen.
Sokeriyhdisteiden hydroksyyliryhmät ionisoituvat vain hyvin emäksisissä olosuhteissa.
Ionisoituminen helpottaa hiilihydraattien elektroforeettista analyysia, ja
analyyttien monitorointi voidaan tehdä joko epäsuoraa UV-detektiota tai sähkökemiallista
monitorointia käyttäen.
Tutkimuksessa esitellään uusi kapillaarielektroforeettinen erotusmenetelmä sokerianalytiikkaan.
Menetelmässä käytetään vahvasti emäksistä elektrolyyttiliuosta
ja sokeriyhdisteet monitoroidaan suoraa UV-detektointia käyttäen 270 nm aallonpituudella.
Käytetyt erotusolosuhteet ovat sellaiset, että mono- ja disakkaridit sekä
sokerialkoholit varautuvat negatiivisesti ja niistä muodostuu UV-absorboivia yhdisteitä.
Optimoitua menetelmää testattiin todellisilla näytteillä, joista mitattiin valikoitujen
hiilihydraattien pitoisuudet. Tutkielmassa esitetty erotusmenetelmä on nopea,
koska ainoa esikäsittelyvaihe ennen analyysia on laimentaminen.
Alifaattisten karboksyylihappojen määrittämiseksi emäksisistä prosessiliuoksista
kehitettiin uusi kapillaarielektroforeettinen erotusmenetelmä. Tavoitteena oli luoda
menetelmä, jolla kyetään erottamaan yhdellä ajolla dikarboksyylihapot, hydroksihapot
sekä haihtuvat hapot, joita syntyy ligniinin ja puun polysakkaridien hajoamisja
hapettumisreaktioissa. Kehitettyä CZE-menetelmää sovellettiin kolmessa prosessissa.
Ensimmäinen applikaatio käsitti karboksyylihappojen määrittämisen
prosessiliuoksesta, kun ligniiniä hapetettiin alkalisessa liuoksessa. Toisessa sovelluksessa
verrattiin katalysoitua alkalista hapetusta ei-katalysoituun alkaliseen
hapetukseen määrittämällä alifaattisia karboksyylihappoja prosessiliuoksista. Karboksyylihappomäärityksiä käytettiin myös fraktioanalyyseissä tutkittaessa
kalvosuodatuksen ja preparatiivisen nestekromatografian käyttökelpoisuutta karboksyylihappojen
rikastamisessa mustalipeänäytteistä.
and pulp processing is essential for understanding and controlling the processes.
Determination of monosaccharide composition gives information about the structural
polysaccharide composition of wood material and helps when determining the quality
of fibrous products. In addition, monitoring of the acidic degradation products gives
information of the extent of degradation of lignin and polysaccharides.
This work describes two capillary electrophoretic methods developed for the
analysis of monosaccharides and for the determination of aliphatic carboxylic
acids from alkaline oxidation solutions of lignin and wood.
Capillary electrophoresis (CE), in its many variants is an alternative separation
technique to chromatographic methods. In capillary zone electrophoresis (CZE)
the fused silica capillary is filled with an electrolyte solution. An applied voltage
generates a field across the capillary. The movement of the ions under electric
field is based on the charge and hydrodynamic radius of ions.
Carbohydrates contain hydroxyl groups that are ionised only in strongly alkaline
conditions. After ionisation, the structures are suitable for electrophoretic analysis
and identification through either indirect UV detection or electrochemical detection.
The current work presents a new capillary zone electrophoretic method, relying
on in-capillary reaction and direct UV detection at the wavelength of 270 nm. The
method has been used for the simultaneous separation of neutral carbohydrates,
including mono- and disaccharides and sugar alcohols. The in-capillary reaction
produces negatively charged and UV-absorbing compounds. The optimised method
was applied to real samples. The methodology is fast since no other sample preparation,
except dilution, is required.
A new method for aliphatic carboxylic acids in highly alkaline process liquids
was developed. The goal was to develop a method for the simultaneous analysis
of the dicarboxylic acids, hydroxy acids and volatile acids that are oxidation and
degradation products of lignin and wood polysaccharides. The CZE method was
applied to three process cases. First, the fate of lignin under alkaline oxidation
conditions was monitored by determining the level of carboxylic acids from process
solutions. In the second application, the degradation of spruce wood using
alkaline and catalysed alkaline oxidation were compared by determining carboxylic
acids from the process solutions. In addition, the effectiveness of membrane filtration
and preparative liquid chromatography in the enrichment of hydroxy acids from black
liquor was evaluated, by analysing the effluents with capillary electrophoresis.
on oleellista, jotta prosesseja kyetään kontrolloimaan. Monosakkaridikoostumuksen
määrittäminen antaa tietoa puun polysakkaridikoostumuksesta ja auttaa arvioimaan
kuitutuotteiden laatua. Lisäksi happamien hajoamistuotteiden määrittäminen antaa
tietoa ligniinin ja polysakkaridien hajoamisesta.
Tässä työssä kuvataan kahden kapillaarielektroforeettisen menetelmän kehitys
monosakkaridien ja alifaattisten karboksyylihappojen määrittämiseksi ligniinin ja
puun alkalihapetuksella käsitellyistä liuoksista.
Kapillaarielektroforeesi (CE) monine variaatioineen on vaihtoehtoinen erotustekniikka
kromatografisille erotustekniikoille. Kapillaarivyöhyke-elektroforeesissa
(CZE) silikakapillaari on täytetty elektrolyyttiliuoksella. Erotusjännite muodostaa
sähkökentän kapillaarin päiden välille, jolloin ionien liikkuvuus sähkökentässä
perustuu niiden varaukseen ja hydrodynaamiseen säteeseen.
Sokeriyhdisteiden hydroksyyliryhmät ionisoituvat vain hyvin emäksisissä olosuhteissa.
Ionisoituminen helpottaa hiilihydraattien elektroforeettista analyysia, ja
analyyttien monitorointi voidaan tehdä joko epäsuoraa UV-detektiota tai sähkökemiallista
monitorointia käyttäen.
Tutkimuksessa esitellään uusi kapillaarielektroforeettinen erotusmenetelmä sokerianalytiikkaan.
Menetelmässä käytetään vahvasti emäksistä elektrolyyttiliuosta
ja sokeriyhdisteet monitoroidaan suoraa UV-detektointia käyttäen 270 nm aallonpituudella.
Käytetyt erotusolosuhteet ovat sellaiset, että mono- ja disakkaridit sekä
sokerialkoholit varautuvat negatiivisesti ja niistä muodostuu UV-absorboivia yhdisteitä.
Optimoitua menetelmää testattiin todellisilla näytteillä, joista mitattiin valikoitujen
hiilihydraattien pitoisuudet. Tutkielmassa esitetty erotusmenetelmä on nopea,
koska ainoa esikäsittelyvaihe ennen analyysia on laimentaminen.
Alifaattisten karboksyylihappojen määrittämiseksi emäksisistä prosessiliuoksista
kehitettiin uusi kapillaarielektroforeettinen erotusmenetelmä. Tavoitteena oli luoda
menetelmä, jolla kyetään erottamaan yhdellä ajolla dikarboksyylihapot, hydroksihapot
sekä haihtuvat hapot, joita syntyy ligniinin ja puun polysakkaridien hajoamisja
hapettumisreaktioissa. Kehitettyä CZE-menetelmää sovellettiin kolmessa prosessissa.
Ensimmäinen applikaatio käsitti karboksyylihappojen määrittämisen
prosessiliuoksesta, kun ligniiniä hapetettiin alkalisessa liuoksessa. Toisessa sovelluksessa
verrattiin katalysoitua alkalista hapetusta ei-katalysoituun alkaliseen
hapetukseen määrittämällä alifaattisia karboksyylihappoja prosessiliuoksista. Karboksyylihappomäärityksiä käytettiin myös fraktioanalyyseissä tutkittaessa
kalvosuodatuksen ja preparatiivisen nestekromatografian käyttökelpoisuutta karboksyylihappojen
rikastamisessa mustalipeänäytteistä.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [1037]