ΠΟΙΟΤΙΚΟΣ ΚΑΙ ΠΟΣΟΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΕΛΑΙΩΝ ΜΕ ΔΙΔΙΑΣΤΑΤΗ ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΦΑΣΜΑΤΟMETΡΙΑ ΜΑΖΑΣ ΧΡΟΝΟΥ ΠΤΗΣΗΣ (GCXGC TοF MS)

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΠΡΟΧΩΡΗΜEΝΗ ΧΗΜΙΚH ΑΝAΛΥΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΟΙΟΤΙΚΟΣ ΚΑΙ ΠΟΣΟΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΕΛΑΙΩΝ ΜΕ ΔΙΔΙΑΣΤΑΤΗ ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΦΑΣΜΑΤΟMETΡΙΑ ΜΑΖΑΣ ΧΡΟΝΟΥ ΠΤΗΣΗΣ (GCXGC TοF MS) ΜΙΧΑΗΛΩΦ ΧΡΥΣΟΥΛΑ, ΧΗΜΙΚΟΣ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ: ΑΝΑΠΛ. ΚΑΘ. Γ. ΘΕΟΔΩΡΙΔΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2012

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΠΡΟΧΩΡΗΜEΝΗ ΧΗΜΙΚH ΑΝAΛΥΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΙΧΑΗΛΩΦ ΧΡΥΣΟΥΛΑ, ΧΗΜΙΚΟΣ ΠΟΙΟΤΙΚΟΣ ΚΑΙ ΠΟΣΟΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΕΛΑΙΩΝ ΜΕ ΔΙΔΙΑΣΤΑΤΗ ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΦΑΣΜΑΤΟMETΡΙΑ ΜΑΖΑΣ ΧΡΟΝΟΥ ΠΤΗΣΗΣ (GCXGC TοF MS) εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας του Τομέα Φυσικής, Αναλυτικής και Περιβαλλοντικής Χημείας του Τμήματος Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Αναπλ. Καθηγητής ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΘΕΟΔΩΡΙΔΗΣ Επιβλέπων Καθηγητής Καθηγήτρια ΑΓΓΕΛΙΚΗ ΛΕΜΟΝΙΔΟΥ Μέλος εξεταστικής επιτροπής Επικ. Καθηγητής ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΙΔΗΣ Μέλος εξεταστικής επιτροπής Η τριμελής εξεταστική επιτροπή που ορίστηκε σύμφωνα με τη Γ.Σ.Ε.Σ. 249/ , για τη κρίση της Διπλωματικής Εργασίας της Μιχαήλωφ Χρυσούλας, Χημικού, συνήλθε σε συνεδρίαση στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης την 09/10/2012, όπου παρακολούθησε την υποστήριξη της εργασίας με τίτλο ΠΟΙΟΤΙΚΟΣ ΚΑΙ ΠΟΣΟΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΕΛΑΙΩΝ ΜΕ ΔΙΔΙΑΣΤΑΤΗ ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΦΑΣΜΑΤΟMETΡΙΑ ΜΑΖΑΣ ΧΡΟΝΟΥ ΠΤΗΣΗΣ (GCXGC TοF MS) και την ενέκρινε με βαθμό 10.

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Καυσίμων και Περιβαλλοντικών Υδρογοναθράκων (ΕΠΚΥ), του Ινστιτούτου Χημικών Διεργασιών και Ενεργειακών Πόρων (ΙΔΕΠ), το οποίο εντάσσεται στο Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ), υπό την επίβλεψη του Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Γεώργιου Θεοδωρίδη. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον ερευνητή Α Δρ. Λάππα Άγγελο, Διευθυντή ΕΠΚΥ, για την επιστημονική του υποστήριξη αλλά και για την διάθεση του εργαστηρίου και των πόρων του, προκειμένου να καταστεί δυνατή η ολοκλήρωση της παρούσα εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να απευθύνω ιδιαίτερες ευχαριστίες προς τον Δρ. Κωνσταντίνο Καλογιάννη για τις καίριες επιστημονικές συζητήσεις καθώς και προς τον υπ. Δρ. Στέλιο Στεφανίδη και την τεχνολόγο πετρελαίου κα. Μαρία Μήσια, για την επιστημονική και πρακτική βοήθειά τους στα πειράματα της πυρόλυσης, αλλά και προς τον κ. Θεμιστοκλή Σφέτσα για την συμβολή του στις χρωματογραφικές αναλύσεις. i

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η ανάπτυξη μιας αξιόπιστης χρωματογραφικής μεθόδου για τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό της σύστασης των βιοελαίων. Το βιοέλαιο είναι το υγρό προϊόν της ταχείας πυρόλυσης της βιομάζας και αποτελείται από τα προϊόντα της θερμικής διάσπασης της ημικυτταρίνης, της κυτταρίνης και της λιγνίνης. Πρόκειται για ένα προϊόν με υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο. Ανάμεσα στις πιθανές εφαρμογές του, πολύ σημαντική είναι η χρήση του ως καύσιμο ή ως πηγή χημικών ενώσεων. Σε κάθε περίπτωση για την επιλογή της περισσότερο συμφέρουσας εφαρμογής, είναι απαραίτητη η λεπτομερής διευκρίνιση της σύστασης του βιοελαίου. Προς την κατεύθυνση αυτή επιλέχθηκε η διδιάστατη αέρια χρωματογραφία σε συνδυασμό με την φασματομετρία μαζας χρόνου πτήσης, για την ποιοτική και ποσοτική ανάλυση δειγμάτων βιοελαίου. Η συγκεκριμένη τεχνική έχει υψηλή διαχωριστική και διακριτική ικανότητα, οπότε θεωρείται καταλληλότερη για την ανάλυση τέτοιων δειγμάτων σε σύγκριση με τις κλασσικές χρωματογραφικές μεθόδους. Για την ανάπτυξη της μεθόδου ποσοτικής ανάλυσης εφαρμόστηκε η μέθοδος του εσωτερικού προτύπου, χρησιμοποιώντας πρότυπο διάλυμα αποτελούμενο από 39 ενώσεις. Με την βοήθεια στατιστικών εργαλείων (ANOVA και WLSLR) προσδιορίστηκε η τιμή του σχετικού συντελεστή απόκρισης για την κάθε ένωση από αυτές που περιέχονταν στο πρότυπο διάλυμα, προκειμένου να είναι δυνατή η ποσοτικοποίηση και χημικά συγγενών ενώσεων. Η μέθοδος ελέγχθηκε ως προς την ακρίβεια και την επαναληψιμότητά της προτού χρησιμοποιηθεί για την ποσοτική ανάλυση άγνωστων δειγμάτων βιοελαίων. Σε επόμενο στάδιο πραγματοποιήθηκε η ανάλυση βιοελαίων από πρότυπη ημικυτταρίνη, κυτταρίνη και λιγνίνη, σε μια προσπάθεια να διερευνηθεί ο μηχανισμός της θερμικής τους αποικοδόμησης. Τέλος η ποιοτική και ποσοτική μέθοδος εφαρμόστηκε στην ανάλυση βιοελαίων 5 βιομαζών των οποίων η εκμετάλλευση παρουσιάζει σημαντικό ενδιαφέρον, είτε λόγω του ότι κατατάσσονται στις ενεργειακές καλλιέργειες είτε εξαιτίας της αυξημένης διαθεσιμότητάς τους στον ελλαδικό και ευρωπαϊκό χώρο γενικότερα. ii

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή 1.1 Εισαγωγικές έννοιες Η βιομάζα την Ελλάδα Η δομή της βιομάζας Διεργασίες αξιοποίησης της βιομάζας Διεργασίες πυρόλυσης Αργή πυρόλυση Ταχεία πυρόλυση Μηχανισμός αποικοδόμησης κατά την θερμική πυρόλυση της βιομάζας Βιοέλαιο: Φυσικοχημικές ιδιότητες και εφαρμογές Ανάλυση βιοελαίων Δισδιάστατη αέρια χρωματογραφία φασματομετρία μάζας χρόνου πτήσης (GCxGC TοFMS) Εφαρμογές του Βιοελαίου Παραγωγή Υδρογόνου Παραλαβή χημικών ενώσεων Χρήση ως καύσιμο 23 Σκοπός της Εργασίας 26 Κεφάλαιο 2 ο Πειραματικό μέρος 2.1 Προσδιορισμός της σύστασης της βιομάζας Προσδιορισμός της τέφρας Προσδιορισμός εκχυλίσιμων συστατικών Προσδιορισμός λιγνίνης Προσδιορισμός ολικής κυτταρίνης Προσδιορισμός ημικυτταρίνης και α κυτταρίνης Ταχεία πυρόλυση της βιομάζας Χρωματογραφική ανάλυση με τη χρήση GCxGC TοFMS Ποσοτική ανάλυση και στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων 31 Κεφάλαιο 3 ο Αποτελέσματα και συζήτηση 3.1 Χαρακτηρισμός Βιομάζας Προϊόντα πυρόλυσης Ποιοτική αποτίμηση βιοελαίων προτύπων Η Κ Λ και του μίγματός τους 39 iii

6 3.3.1 Μηχανισμός θερμικής πυρόλυσης Ημικυτταρίνης Μηχανισμός θερμικής πυρόλυσης Κυτταρίνης Μηχανισμός θερμικής πυρόλυσης Λιγνίνης Ποσοτική αποτίμηση με την μέθοδο του εσωτερικού προτύπου Εφαρμογή της μεθόδου του εσωτερικού προτύπου στην ποσοτική αποτίμηση βιοελαίων των πρότυπων βιοπολυμερών 3.5 Ποιοτική και ποσοτική αποτίμηση των βιοελαίων από την πυρόλυση του πρότυπου μίγματος Η Κ Λ και των 5 βιομαζών Σύνοψη και Συμπεράσματα 73 Βιβλιογραφία 76 iv

7 KΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Εισαγωγικές έννοιες Τα περιβαλλοντικά προβλήματα που συνδέονται με την εξόρυξη και χρήση των ορυκτών καυσίμων, το συνεχώς αυξανόμενο κόστος της παραγωγής και διάθεσής τους αλλά κυρίως η επερχόμενη έλλειψή τους, έχουν στρέψει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας και της επιχειρηματικής δραστηριότητας προς την αναζήτηση νέων πηγών ενέργειας. Μεταξύ αυτών συγκαταλέγεται και η εκμετάλλευση της βιομάζας. Η χρήση της βιομάζας τόσο για την παραγωγή καυσίμων όσο και για την παραγωγή βασικών χημικών ενώσεων (platform chemicals), που μέχρι στιγμής προκύπτουν από την επεξεργασία των ορυκτών καυσίμων, έχει προσελκύσει το ερευνητικό αλλά και επιχειρηματικό ενδιαφέρον. Με τον όρο βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά, στον όρο βιομάζα εμπεριέχεται οποιοδήποτε οργανικό υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Πιο συγκεκριμένα, σ αυτήν περιλαμβάνονται: οι φυτικές ύλες που προέρχονται είτε από φυσικά οικοσυστήματα είτε από τις ενεργειακές καλλιέργειες γεωργικών και δασικών ειδών τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα της φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής τα υποπροϊόντα που προέρχονται από τη μεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών, καθώς και το βιολογικής προέλευσης μέρος των αστικών λυμάτων και σκουπιδιών ( Δεδομένου λοιπόν ότι χρησιμοποιώντας τον όρο βιομάζα αναφερόμαστε πρωτίστως σε φυτικής προέλευσης υλικά, που προκύπτουν εξαιτίας της φωτοσυνθετικής λειτουργίας των φυτών, είναι φανερό πως ουσιαστικά η βιομάζα αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή ενέργειας. 1

8 1.2 Η βιομάζα στην Ελλάδα Οι καλλιεργήσιμες και γενικότερα γεωργικά εκμεταλλεύσιμες, εκτάσεις στην Ελλάδα αντιστοιχούν σε ποσοστό μεγαλύτερο του 50% της συνολικής επιφάνειας της χώρας. Είναι αναμενόμενο λοιπόν το δυναμικό παραγωγής βιομάζας να είναι υψηλό. Παρόλο που δεν υπάρχουν επίσημα στατιστικά στοιχεία υπολογισμού της διαθέσιμης ποσότητας βιομάζας, εκτιμάται πως την Ελλάδα παράγονται περίπου 7 με 10 εκατομμύρια τόνοι τον χρόνο. Στον υπολογισμό της ποσότητας αυτής περιλαμβάνονται οι ενεργειακές καλλιέργειες (πχ ελαιοκράμβη, σόργος), τα υποπροϊόντα των βιομηχανιών επεξεργασίας αγροτικών προϊόντων (πχ ελαιοπυρήνας), τα υπολείμματα των αγροτικών δραστηριοτήτων (πχ κλαδέματα) καθώς και δασικά υπολείμματα ή υποπροϊόντα. Κατά το μεγαλύτερο ποσοστό της η παραγόμενη βιομάζα χρησιμοποιείται ως καύσιμη ύλη για την παραγωγή θερμότητας είτε εντός των βιομηχανικών εγκαταστάσεων είτε για οικιακή χρήση. Ωστόσο, το υψηλό ενεργειακό της περιεχόμενο καθιστά ιδιαίτερη σημαντική την αξιοποίησή της για διαφορετικές και περισσότερο επικερδείς χρήσεις, όπως η παραγωγή καυσίμων και χημικών(boukis et al., 2009; Βασικές πηγές βιομάζας στην Ελλάδα αυτή την στιγμή είναι τα υπολείμματα από την καλλιέργεια/επεξεργασία του άχυρου, του καλαμποκιού, του βαμβακιού, τα κλαδέματα αμπελιών, ελιάς και λοιπών δένδρων καθώς και οι πυρήνες φρούτων (πχ ελιάς, ροδάκινου) (εικόνα 1). Η καλλιέργεια ενεργειακών φυτών όπως η ελαιοκράμβη και το σόργο είναι συγκριτικά περιορισμένη. Ωστόσο, πρόκειται για καλλιέργειες πολύ καλά προσαρμοσμένες στο κλίμα της χώρας μας, καθώς εμφανίζουν Εικόνα 1: Κατανομή διαθέσιμων γεωργικών υπολειμμάτων ( υψηλές στρεμματικές αποδόσεις χωρίς να έχουν υψηλές απαιτήσεις σε άρδευση, απαιτούν ελάχιστες καλλιεργητικές φροντίδες και χαμηλή λίπανση (εικόνα 1). Ιδιαίτερα καλά προσαρμοσμένες στο 2

9 ελληνικό κλίμα είναι επίσης και άλλες ενεργειακές καλλιέργειες όπως το καλάμι (Arundo donax), η αγριαγκινάρα (Cynara cardunculus), ο μίσχανθος (Miscanthus sinensis x giganteus) και το switchgrass (Panicum virgatum). Από καλλιεργητικής άποψης λοιπόν, οι συγκεκριμένες καλλιέργειες είναι ιδιαίτερα ελκυστικές για τους αγρότες, ωστόσο δεν είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς καθώς η καλλιέργειά τους δεν μπορεί να γίνει κατά βούληση ενώ και η οικονομική απόδοση δεν είναι εγγυημένη, αφού είναι άμεσα συνδεδεμένη με την δυναμικότητα και την ταχύτητα ανάπτυξης των μονάδων παραγωγής βιοκαυσίμων στην Ελλάδα. Εικόνα 2: Απόδοση ενεργειακών καλλιεργειών στη στην Ελλάδα ( Επί του παρόντος, στην Ελλάδα δραστηριοποιούνται συνολικά 16 εταιρίες που χρησιμοποιούν βιομάζα για την παραγωγή βιοκαυσίμων. Οι 4 από αυτές εισάγουν βιοντήζελ από το εξωτερικό, ενώ οι υπόλοιπες χρησιμοποιούν ως α ύλη βιομάζα από αγροτικές πηγές αλλά και χρησιμοποιημένα φυτικά έλαια. Συγκεκριμένα, βάση στοιχείων του 2010, το 78% του συνολικού παραγόμενου βιοντήζελ προέρχεται από ενεργειακές καλλιέργειες ( Ωστόσο, προκειμένου η παραγωγή των βιοκαυσίμων να είναι ανταγωνιστική ως προς αυτή των ορυκτών καυσίμων είναι απαραίτητο να αξιοποιηθούν νέες πηγές βιομάζας και κυρίως λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα, η οποία προκύπτει σε μεγάλες ποσότητες ως παραπροϊόν της αγροτικής παραγωγής. Η ενεργειακή αξιοποίηση της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας δεν είναι τόσο απλή όσο αυτή της κυτταρίνης ή του αμύλου, εξαιτίας της πολύπλοκης δομής της. 3

10 1.3 Δομή Βιομάζας Τα τρία βασικά βιοπολυμερή από τα οποία αποτελείται η βιομάζα είναι η ημικυτταρίνη (20 30%), η κυτταρίνη(40 50%) και η λιγνίνη (10 30%). Η ημικυτταρίνη και η κυτταρίνη ανήκουν στους υδατάνθρακες, ενώ η λιγνίνη είναι αρωματικό, και συγκεκριμένα φαινολικό πολυμερές. Στην εικόνα 3 εμφανίζεται σχηματικά η θέση που κατέχει καθένα από αυτά τα πολυμερή στα φυτικά κύτταρα. Εικόνα 3: Δομή κυτταρικού τοιχώματος (Holtzapple M.T.,2003) Η κυτταρίνη αποτελεί συνήθως το μεγαλύτερο σε αναλογία συστατικό της βιομάζας. Αποτελείται από μόρια γλυκοπυρανόζης ενωμένα μεταξύ τους με β 1,4 γλυκοσιδικούς δεσμούς. Η επαναλαμβανόμενη μονάδα του βιοπολυμερούς είναι το μόριο της κελοβιόζης (cellobiose), ένας δισακχαρίτης αποτελούμενος από δύο μόρια ανυδρίτη γλυκόζης. Η κυτταρίνη είναι ένα γραμμικό πολυμερές, με βαθμό πολυμερισμού Εικόνα 4: Δομή μορίου κυτταρίνης (Holtzapple M.T., 2003) που κυμαίνεται μεταξύ 500 και Μεταξύ των μορίων της 4

11 γλυκοπυρανόζης αναπτύσσονται επίσης δεσμοί υδρογόνου μέτριας έντασης καθώς και δυνάμεις van der Waals, ωστόσο οι δεσμοί που είναι υπεύθυνοι για την γραμμικότητα, την κρυσταλλικότητα αλλά και την αντοχή των μακρομορίων της κυτταρίνης, είναι οι ομοιοπολικοί γλυκοσιδικοί δεσμοί (εικόνα 4). Οι ισχυροί δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των αλυσίδων την κυτταρίνης την καθιστούν αδιάλυτη στο νερό και στους περισσότερους οργανικούς διαλύτες, εξαιτίας της κρυσταλλικότητας που της προσδίδουν. Η κρυσταλλική μορφή της κυτταρίνης είναι γνωστή ως κυτταρίνη α, ενώ ως κυτταρίνη β και κυτταρίνη γ ονομάζονται τα περισσότερο άμορφα τμήματά της. Η ημικυτταρίνη είναι το δεύτερο, μετά την κυτταρίνη, περισσότερο διαδεδομένο πολυμερές στη φύση, το οποίο ωστόσο εμφανίζει σημαντική ετερογένεια καθώς δεν αποτελείται από μια βασική δομική μονάδα όπως η κυτταρίνη. Πρόκειται για βιοπολυμερές το οποίο αποτελείται από διαφορετικά σάκχαρα, εμφανίζει διακλαδώσεις, χαμηλή κρυσταλλικότητα και μικρό βαθμό πολυμερισμού που κυμαίνεται μεταξύ 50 και 200. Τα βασικά σάκχαρα από τα οποία αποτελείται η ημικυτταρίνη είναι οι εξόζες γλυκόζη, γαλακτόζη, μαννόζη, φουκόζη και ραμνόζη και οι πεντόζες ξυλόζη και αραβινόζη. Εξαιτίας της πληθώρας των σακχάρων που μετέχουν στο συγκεκριμένο βιοπολυμερές, ο όρος χρησιμοποιείται ουσιαστικά για να περιγράψει μια ομάδα βιοπολυμερών. Κατά συνέπεια, ανάλογα με το ποιο σάκχαρο βρίσκεται σε μεγαλύτερη αναλογία στην αλυσίδα, διακρίνονται τρείς υποκατηγορίες ημικυτταρίνης: οι ξυλάνες, οι μαννάνες και οι γαλακτάνες, που παίρνουν τα ονόματά τους από τα αντίστοιχα σάκχαρα. Στις αλυσίδες αυτές βρίσκονται συνδεδεμένα και ουρονικά οξέα, των οποίων το είδος και η πληθώρα εξαρτώνται από την προέλευση της βιομάζας. Η ξυλόζη βρίσκεται συνήθως σε μεγαλύτερη αναλογία στο μόριο της ημικυτταρίνης, ιδιαίτερα στη βιομάζα που προέρχεται από το ξυλο, γι αυτό και χρησιμοποιείται ως ένωση αναφοράς κατά την μελέτη της ημικυτταρίνης. Συνδεδεμένα σε αυτήν βρίσκονται συνήθως μόρια γλυκουρονικού οξέως (εικόνα 5). Εικόνα 5: Βασικές δομικές μονάδες της ημικυτταρίνης 5

12 Η λιγνίνη είναι το πιο άφθονο μη υδατανθρακικό πολυμερές στη φύση. Ουσιαστικά πρόκειται για ένα φαινολικό πολυμερές το οποίο αποτελεί τον βασικό σκελετό των κυτταρικών τοιχωμάτων, στα οποία προσδίδει μηχανική αντοχή, υδροφοβικότητα αλλά και αντοχή απέναντι στην δράση εντόμων και μικροοργανισμών. Οι τρείς βασικές φαινολικές ενώσεις που απαρτίζουν το μόριο της λιγνίνης παρουσιάζονται στην εικόνα 6. Η δομή της λιγνίνης δεν είναι η ίδια σε όλες τις λιγνοκυτταρινούχες βιομάζες, καθώς οι σχετικές αναλογίες των μονάδων γουαϊακόλης και συριγγόλης στην δομή της είναι διαφορετικές. Με βάση τον τρόπο αναπαραγωγής των φυτών, κυρίως των δέντρων, η λιγνίνη που παραλαμβάνεται από αυτά διακρίνεται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: η hardwood λιγνίνη που προκύπτει από τα αγγειόσπερμα και η softwood λιγνίνη που προκύπτει από τα γυμνόσπερμα. Εικόνα 6: Βασικές δομικές μονάδες του μορίου της λιγνίνης 6

13 Η hardwood λιγνίνη αποτελείται από εξίσου σημαντικό αριθμό μονάδων γουαϊακόλης και συριγγόλης (GS λιγνίνη), ενώ η softwood από περισσότερες μονάδες γουαϊακόλης (G λιγνίνη). Η λιγνίνη που προέρχεται από τα υπόλοιπα φυτά περιέχει σε σημαντικό αριθμό και τις τρείς δομικές μονάδες. Σε όλες τις περιπτώσεις οι φαινολικές ενώσεις συνδέονται μεταξύ τους με αιθερικούς δεσμούς αλλά και με δεσμούς C C. Η λιγνίνη είναι ένα μη κρυσταλλικό πολυμερές, εξαιρετικά δυσδιάλυτο στους περισσότερους διαλύτες, στην κανονική του μορφή. Κατά την απομόνωση της λιγνίνης από την βιομάζα, η δομή της μεταβάλλεται και το ΜΒ της μειώνεται, καθώς κάποιοι δεσμοί διαρρηγνύονται, με αποτέλεσμα να καθίσταται ευδιάλυτη σε αρκετούς πολικούς οργανικούς διαλύτες (Lin&Dence eds, 1992). Μέχρι στιγμής, η εκμετάλλευση της βιομάζας στοχεύει κυρίως στην αξιοποίηση της κυτταρίνης και της ημικυτταρίνης, για την παραγωγή καυσίμων ή χημικών, χωρίς να έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην λιγνίνη. Ωστόσο η τελευταία μπορεί να αποτελέσει μια άριστη πηγή χημικών, κυρίως φαινολών, εφόσον αναπτυχθούν οι κατάλληλες διεργασίες επεξεργασίας της. 1.4 Διεργασίες αξιοποίησης της βιομάζας Διάφορες διεργασίες έχουν προταθεί και εξεταστεί για αξιοποίηση της βιομάζας προς παραγωγή βιο καυσίμων, χημικών, βιο υλικών κτλ. Μεταξύ των διεργασιών αυτών συγκαταλέγεται η υδροθερμική επεξεργασία της βιομάζας, η διαλυτοποίηση με χρήση ιοντικών διαλυτών (ionic liquids), ενζυμικές μέθοδοι αποικοδόμησης, αεριοποίηση, καταλυτικές ή μη καταλυτικές θερμικές διεργασίες όπως η πυρόλυση. Κάνοντας μια σύντομη αναφορά στις διεργασίες αυτές, η υδροθερμική διεργασία συνίσταται στην υδρόλυση της βιομάζας, σε υδατικό περιβάλλον υπό συνθήκες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας (έως 350 o C, bar). Ανάλογα με τις συνθήκες και την παρουσία ή όχι καταλύτη τα προϊόντα μπορεί να περιλαμβάνουν σάκχαρα, αλδεΰδες, φαινολικές ενώσεις, απλούς ή κυκλικούς υδρογονάνθρακες κτλ. Σημαντικό πλεονέκτημα της διεργασίας είναι η χρήση νερού ως διαλύτη, γεγονός που την συγκαταλέγει στις πράσινες διεργασίες (Toor et al., 2011). Τα ιοντικά υγρά από την άλλη πλευρά παρουσιάζουν εξίσου μεγάλο ενδιαφέρον καθώς με αυτά μπορεί να προκληθεί διαλυτοποίηση της κατά τ άλλα αδιάλυτης βιομάζας, ή και άλλες αντιδράσεις αυτής όπως πχ υδρόλυση, με 7

14 την χρήση κατάλληλων καταλυτών, προς παραγωγή απλών χημικών ενώσεων, σε ήπιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Το στρατηγικό τους πλεονέκτημα είναι η υψηλή διαλυτική τους ικανότητα σε συνδυασμό με την εύκολη ανακύκλωσή τους (Maki Arvela et al., 2010). Εκτενέστερη αναφορά ακολουθεί για τη διεργασία πυρόλυσης καθώς είναι αυτή που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. 1.5 Διεργασίες Πυρόλυσης Ως πυρόλυση ορίζεται η θερμική αποικοδόμηση των υλικών, εν προκειμένω της βιομάζας, σε θερμοκρασίες υψηλότερες των 300 o C, απουσία οξυγόνου ή όταν το διαθέσιμο οξυγόνο είναι σημαντικά λιγότερο από αυτό που απαιτείται για πλήρη καύση. Κατά την πυρόλυση παράγονται στερεά (κωκ), υγρά (βιοέλαιο) και αέρια προϊόντα, οι σχετικές αναλογίες των οποίων εξαρτώνται άμεσα από τις συνθήκες της πυρόλυσης. H διεργασία της πυρόλυσης μπορεί να είναι συμβατική ή ταχεία, ανάλογα με τις συνθήκες υπό τις οποίες διεξάγεται. Πίνακας 1: Κατανομή των προϊόντων στις διάφορες διεργασίες πυρόλυσης (Bridgwater, 2011) Τύπος Υγρά προϊόντα Στερεά Αέρια Συνθήκες πυρόλυσης (Βιο έλαιο) προϊόντα προϊόντα ~500 ο C, μικρός χρόνος Ταχεία (Fast) παραμονής των πτητικών, ~1s 75% 12% κώκ 13% Μέση ~500 ο C, χρόνος παραμονής (Intermediate) των πτητικών ~10 30s 50% σε 2 φάσεις 25% κώκ 25% Απανθράκωση (Carbonization) ~400 ο C, μεγάλος χρόνος παραμονής των πτητικών (h μέρες) 30% 35% κώκ 35% Αεριοποίηση ~ ο C, 5% 10% κώκ 85% (Gasification) ~290 ο C, χρόνος παραμονής Torrefaction 0% α 80%, 20% των στερών, ~10 60min στερεά α εκτός και αν πραγματοποιηθεί συμπύκνωση των παραγόμενων αερίων οπότε προκύπτει υγρό έως 5% Συνοπτικά, τα στάδια μια πυρολυτικής διεργασίας μπορούν να συνοψιστούν στα ακόλουθα (εικόνα 7): α. Πραγματοποιείται μεταφορά θερμότητας από το θερμαντικό μέσο στην βιομάζα, αυξάνοντας σταδιακά την θερμοκρασία του πυρολυόμενου υλικού 8

15 β. Ξεκινούν οι αντιδράσεις πυρόλυσης με την αρχική έκλυση πτητικών ενώσεων γ. Το ρεύμα των παραγόμενων πτητικών ενώσεων κινείται μέσα στο υλικό ενισχύοντας την μεταφορά θερμότητας ενώ παράλληλα μπορεί τμήμα αυτών να επανασυμπυκνωθεί δ. Η υψηλή θερμοκρασία σε συνδυασμό με τις ενώσεις που απελευθερώνονται σταδιακά προκαλούν δευτερεύουσες αντιδράσεις, με αποτέλεσμα να αυτοκαταλύεται η διεργασία ε. Τελικά οι αντιδράσεις οδηγούν στην παραγωγή αέριων υγρών και στερεών προϊόντων η σύσταση και αναλογία των οποίων εξαρτάται από τον χρόνο πυρόλυσης και την θερμοκρασία της διεργασίας, αλλά και από την παρουσία ή απουσία επιπλέον καταλύτη (Mohan et al., 2006; Νeves et al., 2011). Εικόνα 7: Γραφική απεικόνιση των σταδίων της πυρόλυσης (Neves et al., 2011) Αργή πυρόλυση Η συμβατική, αργή, πυρόλυση παράγει ως κύριο προϊόν στερεό υπόλειμμα και για τον λόγο αυτό εφαρμόζεται εδώ και χρόνια για την παραγωγή κάρβουνου. Η θερμοκρασία που εφαρμόζεται είναι σχετικά χαμηλή, περίπου μέχρι τους C και ρυθμός θέρμανσης είναι χαμηλός και κυμαίνεται μεταξύ 5 και 7 o C/min. Οι παραγόμενες πτητικές ενώσεις δεν απάγονται αμέσως, αλλά παραμένουν στον χώρο της πυρόλυσης για μερικά λεπτά. Συνεπώς, τα συστατικά στην αέρια φάση συνεχίζουν να αντιδρούν μεταξύ τους αλλά και με την στερεή βιομάζα, καθώς 9

16 στερεό απανθράκωμα και υγρά αρχίζουν τα σχηματίζονται. Το κύριο προϊόν αυτού του τύπου της πυρόλυσης είναι τα στερεά, που σε αρκετές περιπτώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω για την παρασκευή ενεργού άνθρακα. Τα βιοέλαιο που παράγεται από μια τέτοια πυρόλυση κυμαίνεται μεταξύ 20 30% της αρχικής βιομάζας και παρόλο που η σύστασή του δεν διαφέρει σημαντικά από το αντίστοιχο προϊόν της ταχείας πυρόλυσης, η χαμηλή απόδοση δεν καθιστά την διεργασία οικονομικά ελκυστική για την παραγωγή καυσίμων ή χημικών (Maggi&Delmon, 1994; Williams&Besler,1996; Mohan et al., 2006) Ταχεία πυρόλυση Βασικό χαρακτηριστικό της ταχείας πυρόλυσης είναι ότι αποσκοπεί στην μεγιστοποίηση της απόδοσης σε βιοελαίο. Εξ ορισμού πρόκειται για μια διεργασία που τελείται σε υψηλή θερμοκρασία κατά την οποία η θέρμανση της βιομάζας λαμβάνει χώρα ταχύτατα. Η επίτευξη υψηλού ρυθμού θέρμανσης απαιτεί ταχεία μεταφορά θερμότητας μεταξύ του θερμαντικού μέσου και της βιομάζας, άρα απαιτείται η βιομάζα να είναι λεπτά διαμερισμένη ώστε να αντισταθμίζεται το αρνητικό αποτέλεσμα της κακής θερμικής της αγωγιμότητας. Επίσης, σε υψηλό ρυθμό θέρμανσης οι αντιδράσεις αναδιαμόρφωσης της δομής της βιομάζας, πχ μέσω αντιδράσεων αφυδάτωσης ή συμπύκνωσης, δεν ευνοούνται με αποτέλεσμα να μειώνεται η παραγωγή κωκ και βαρέων κλασμάτων και να ευνοείται η παραγωγή βιοελαίου. Κατά την ταχεία πυρόλυση, η βιομάζα αποσυντίθεται και παράγει πτητικές ενώσεις, αερολύματα και στερεό απανθράκωμα. Η απότομη και σε χαμηλή θερμοκρασία ψύξη των προϊόντων, πτητικών και αερολυμάτων, αμέσως μετά την έξοδό τους από τον αντιδραστήρα διασφαλίζει ότι μόνο τα πολύ ελαφριά αέρια θα απομακρυνθούν και παράλληλα ενισχύει τη συλλογή ενός σκούρου καφέ υγρού, του βιοελαίου, το οποίο διαθέτει τη μισή θερμογόνο δύναμη έναντι ενός συμβατικού καυσίμου, είναι ιξώδες και έχει χαρακτηριστική οσμή. Η παρατεταμένη έκθεση της βιομάζας στην θερμοκρασία της πυρόλυσης έχει ως αποτέλεσμα την συνέχιση των δευτερευόντων πυρολυτικών αντιδράσεων, δηλαδή τον συνεχή αποπολυμερισμό των βιοπολυμερών προς μικρότερα μόρια και την συνέχιση των αντιδράσεων συμπύκνωσης προς σχηματισμό περισσότερου κώκ και άρα λιγότερου 10

17 βιοελαίου. Είναι λοιπόν σημαντικός ο ακριβής έλεγχος της θερμοκρασίας και του χρόνου της πυρόλυσης. Ανάλογα με την τροφοδοσία που χρησιμοποιείται, η ταχεία πυρόλυση παράγει 60 75% κ.β. υγρό βιοέλαιο, 15 25% κ.β. στερεό απανθράκωμα και 10 20% κ.β. μη συμπυκνούμενα αέρια. Πλεονέκτημα της διεργασίας αυτής είναι ότι δεν παράγονται απόβλητα καθώς το βιοέλαιο και το απανθράκωμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν καύσιμα και τα αέρια να ανακυκλωθούν πίσω στη διεργασία (Bridgwater, 2010; Lappas et al., 2010). 1.6 Μηχανισμός αποικοδόμησης κατά την θερμική πυρόλυση της βιομάζας Η επιλογή των συνθηκών πυρόλυσης εξαρτάται από το υλικό το οποίο υπόκειται στη διεργασία. Στην περίπτωση της βιομάζας συγκεκριμένα θα πρέπει να ληφθούν υπόψη οι διαφορετικές θερμοκρασίες στις οποίες αποικοδομούνται η ημικυτταρίνη, η κυτταρίνη και η λιγνίνη. Το γενικό σχήμα που έχει προταθεί για την πυρόλυση της βιομάζας θεωρεί ότι το πρώτο στάδιο της πυρόλυσης αφορά στην απομάκρυνση της ελεύθερης υγρασίας, ακολουθεί η αποικοδόμηση των μικρότερων πολυμερικών αλυσίδων με τον παράλληλο σχηματισμό κωκ και τελικά με την αύξηση της θερμοκρασίας οι μεγαλύτερες αλυσίδες αρχίζουν και διασπώνται προς μικρότερου ΜΒ αλυσίδες ή ενώσεις και σχηματισμό πτητικών ενώσεων ενώ παράλληλα το σχηματιζόμενο κωκ συνεχίζει να αναδομείται προς αρωματικές ενώσεις (Fisher et al., 2002). Βάσει μετρήσεων χρησιμοποιώντας την μέθοδο της θερμοσταθμικής ανάλυσης, η θερμική αποικοδόμηση της ημικυτταρίνης ξεκινάει λίγο πάνω από τους 200 ο C, της κυτταρίνης περίπου στους 300 ο C, ενώ η λιγνίνη αποικοδομείται σε θερμοκρασίες υψηλότερες των ο C (Garcia Perez et al., 2007). Τα δύο πρώτα πολυμερή αποικοδομούνται ταχέως και σε σχετικά στενό εύρος θερμοκρασιών, ενώ αντίθετα η λιγνίνη αποικοδομείται πιο αργά και σε μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασιών (Yang et al., 2007). Φαίνεται πως σημαντικό ρόλο στις διαφορές αυτές παίζει η κρυσταλλικότητα και η δομή των βιοπολυμερών. Οι άμορφες και μικρού μήκους υδατανθρακικές αλυσίδες της ημικυτταρίνης αποικοδομούνται αμέσως με την αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ η περισσότερο κρυσταλλική κυτταρίνη απαιτεί υψηλότερες θερμοκρασίες (Basch&Lewin, 1973). 11

18 Αντίστοιχα, η αρωματική και διασταυρωμένη δομή της λιγνίνης την καθιστά εξαιρετικά σταθερή στην επίδραση της θερμοκρασίας. Σημαντική είναι και η επίδραση του ρυθμού πυρόλυσης εξαιτίας των διαφορετικών μεταβολών που προκαλεί στη δομή των πολυμερών. Για παράδειγμα, στην περίπτωση της κυτταρίνης, ο χαμηλός ρυθμός θέρμανσης οδηγεί σε αναδιάρθρωση της δομής της εξαιτίας αντιδράσεων αφυδάτωσης και δημιουργίας σταυροδεσμών μεταξύ των πολυμερικών αλυσίδων, με συνέπεια να αυξάνεται η παραγωγή κωκ (Shen&Gu, 2009). Δεδομένου ότι η κυτταρίνη είναι, συνήθως, το μεγαλύτερο σε περιεκτικότητα συστατικό της βιομάζας σε συνδυασμό με την απλούστερη, σε σχέση με την λιγνίνη δομή της, ο μηχανισμός της θερμικής της αποικοδόμησης έχει μελετηθεί περισσότερο. Στην εικόνα 8 παρουσιάζονται δύο γενικά σχήματα πυρόλυσης της κυτταρίνης. (α) (β) Εικόνα 8: (α) Μηχανισμός Broido, όπου τα C A, C B και C C αναφέρονται στο κωκ που παράγεται στα διαδοχικά στάδια της πυρόλυσης και (β) Μηχανισμός Broido Shafizadeh Φαίνεται πως η πυρόλυση της κυτταρίνης ξεκινά μετά την ενεργοποίησή της η οποία φαίνεται να είναι ουσιαστικά ένα στάδιο αποπολυμερισμού (White et al., 2011). Στη συνέχεια, τα προϊόντα που παράγονται εξαρτώνται άμεσα από την θερμοκρασία. Μέχρι τους 280 o C φαίνεται πως επικρατεί το πρώτο στάδιο πυρόλυσης κατά τα οποίο πραγματοποιείται η μείωση του βαθμού πολυμερισμού με σχάση δεσμών, αφυδάτωση, σχηματισμό ελευθέρων ριζών, αποκαρβονυλίωση και αποκαρβοξυλίωση των σακχάρων και συνοδεύεται από τον σχηματισμό CO 2 και CO, μικρής ποσότητας πίσσας(tar) και νερού. Σε υψηλότερη θερμοκρασία και έως τους 500 ο C επικρατεί ο σχηματισμός σακχάρων και ολιγοσακχαριτών καθώς πλέον αρχίζουν και διασπώνται οι γλυκοσιδικοί δεσμοί. Στο στάδιο αυτό επίσης σχηματίζεται και ένα βαρύτερο κλάσμα που αποτελείται κυρίως από ολιγοσάκχαρα και ανυδροσακχαρίτες και αποτελεί ουσιαστικά το ενδιάμεσο προϊόν για τον τελικό σχηματισμό του κωκ (Shafizadeh, 1982). Κατά την ταχεία πυρόλυση ωστόσο, 12

19 φαίνεται πως το πρώτο στάδιο της διαδικασίας σχεδόν παραλείπεται καθώς επικρατούν οι αντιδράσεις σχάσης των γλυκοσιδικών δεσμών, αφυδατώσεις και αποκαρβοξυλιώσεις προς σχηματισμό απλών σακχάρων ή δισακχαριτών, οπότε τελικά το σχήμα της πυρόλυσης μεταβάλλεται όπως φαίνεται στην εικόνα 9 (Banyasz et al., 2001; Piskorz et al., 1986) Εικόνα 9: Σχήμα αποικοδόμησης της κυτταρίνης κατά την ταχεία πυρόλυση Η αντίστοιχη μελέτη για τον μηχανισμό πυρόλυσης της λιγνίνης δεν έχει οδηγήσει σε κάποιο γενικό σχήμα πυρόλυσης, καθώς πρέπει πάντα να λαμβάνεται υπόψη η μέθοδος απομόνωσης της λιγνίνης. Για την παραλαβή της λιγνίνης από την βιομάζα συνήθως εφαρμόζεται είτε όξινη υδρόλυση των άλλων βιοπολυμερών, υπό την επίδραση H 2 SO 4 (Kraft lignin), είτε παραλαμβάνεται με οργανικούς διαλύτες (Organosolv Lignin). Σε κάθε περίπτωση η διεργασία είναι αρκετά ισχυρή ώστε να προκαλεί μεταβολές στην δομή της, επηρεάζοντας αντίστοιχα τον μηχανισμό της θερμικής της αποικοδόμησης. Σε γενικές γραμμές πάντως, η θερμική αποικοδόμηση της λιγνίνης συμβαίνει σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος με αργό ρυθμό. Σε χαμηλές θερμοκρασίες και έως τους 120 o C απομακρύνεται η υγρασία της λιγνίνης, ενώ από τους 200 o C και πάνω ξεκινά σταδιακά η θερμική της αποικοδόμηση, η οποία μπορεί να συνεχιστεί και μέχρι τους o C. Η θερμική της αντοχή οφείλεται στο δίκτυο των αρωματικών δακτυλίων και οι διαφορές στην πυρόλυσή της εξηγούνται στη βάση της ποικιλομορφίας που το δίκτυο αυτό παρουσιάζει. Έχει διαπιστωθεί πως οι αιθερικοί δεσμοί μεταξύ των μορίων της συριγγόλης διαρρηγνύονται ευκολότερα από τους αντίστοιχους μεταξύ των μονάδων γουαϊακόλης, με αποτέλεσμα η G λιγνίνη να παρουσιάζει μεγαλύτερη θερμική σταθερότητα από την GS λιγνίνη. Επιπλέον, οι μονάδες της γουαϊακόλης υφίστανται ευκολότερα αντιδράσεις πολυσυμπύκνωσης με αποτέλεσμα να παράγεται 13

20 περισσότερο κωκ κατά την θερμική πυρόλυση και λιγότερες φαινολικές ενώσεις να καταλήγουν στο βιο έλαιο(wang et al., 2009). Έχει προταθεί πως ανάλογα με την θερμοκρασία της πυρόλυσης επικρατεί διαφορετικός μηχανισμός αποικοδόμησης. Σε θερμοκρασίες έως 400 o C οι αντιδράσεις φαίνεται να είναι περισσότερο αφυδατώσεις, αποκαρβονυλιώσεις και αποκαρβοξυλιώσεις, καθώς και αντιδράσεις διάρρηξης των β αιθερικών δεσμών (ανάμεσα στον β C της μιας φαινολικής μονάδας και το 4 Ο της επόμενης). Σε υψηλότερη θερμοκρασία πραγματοποιούνται αντιδράσεις συμπύκνωσης, που προχωρούν με τον μηχανισμό ελευθέρων ριζών (Caballero, 1993). Ειδικά σε συνθήκες ταχείας πυρόλυσης, οι αντιδράσεις προχωρούν σχεδόν αποκλειστικά μέσω του μηχανισμού ελευθέρων ριζών. Οι ρίζες σχηματίζονται κυρίως στις μεθόξυ ομάδες και συμμετέχουν σε αντιδράσεις αφυδρογόνωσης, σχάσης αιθερικών δεσμών και δεσμών C C, αλλά και αναδιάταξης των αλυσίδων προς σχηματισμό αρωματικών δακτυλίων. Τα προϊόντα που προκύπτουν είναι κατά βάση φαινόλες, μεθόξυ φαινόλες και μέθυλο φαινόλες, ενώ παράγονται και σημαντικές ποσότητες αέριων υδρογονανθράκων, CO και CO 2 (Britt et al., 2000; Britt et al., 1995). Πρέπει να σημειωθεί πως η πυρόλυση της λιγνίνης παρουσιάζει γενικά πολλά τεχνικά προβλήματα, που ακόμη δεν έχουν επιλυθεί και παρεμποδίζουν την εκμετάλλευσή της με την τεχνική αυτή. Συγκεκριμένα, φαίνεται η λιγνίνη να λιώνει κατά την πυρόλυσή της φράζοντας τη διάταξη της πυρόλυσης με παράλληλο σχηματισμό μεγάλης ποσότητας κωκ και μικρής ποσότητας βιοελαίου, με αποτέλεσμα η όλη διεργασία να είναι μη οικονομική (Nowakowski et al., 2010). Με βάση τα παραπάνω είναι προφανές πως η πυρόλυση της βιομάζας δεν είναι καθόλου απλή διεργασία, αλλά ο συνδυασμός των ταυτόχρονων αντιδράσεων που προχωρούν μέσω διαφορετικών μηχανισμών και ρυθμών και αφορούν σε διαφορετικά σε δομή και σύσταση πολυμερή. Όλα αυτά αντικατοπτρίζονται στον συνολικό ρυθμό πυρόλυσης της βιομάζας, ο οποίος είναι υψηλός όταν η περιεκτικότητα σε κυτταρίνη είναι υψηλή και χαμηλότερος όταν η περιεκτικότητα σε λιγνίνη είναι υψηλότερη, όπως αποδείχθηκε και πειραματικά σε πρόσφατη εργασία των Lv et al. (Lv et al., 2010), κατά την οποία συνέκριναν τους ρυθμούς πυρόλυσης τεσσάρων τύπων βιομάζας με περιεκτικότητες σε κυτταρίνη και λιγνίνη που κυμαινόταν από 55 έως 85% και από 10 έως 35% αντίστοιχα. Αντίστοιχα φυσικά 14

21 επηρεάζονται και τα τελικά προϊόντα εξαιτίας τόσο των εσωτερικών αντιδράσεων των βιοπολυμερών αλλά και λόγω της αναπόφευκτης μεταξύ τους αλληλεπίδρασης. Σημειώνεται πως τα πολυμερή αυτά στην βιομάζα βρίσκονται συνδεδεμένα μεταξύ τους όπως επίσης και ότι τα θερμοκρασιακά όρια πυρόλυσης δεν είναι αυστηρά διαχωρισμένα, αντίθετα αλληλεπικαλύπτονται, με αποτέλεσμα τα προϊόντα της πυρόλυσης να περιέχουν πάντα ενώσεις που προέρχονται και από τα τρία πολυμερή (de Wild et al., 2009). Ωστόσο με την κατάλληλη επιλογή των συνθηκών και την παρουσία κατάλληλων καταλυτών, είναι δυνατό να εμπλουτιστεί το τελικό προϊόν στις επιθυμητές ενώσεις. Είναι φανερό λοιπόν πως είναι σημαντικό για τον ορθολογικό σχεδιασμό οποιασδήποτε διεργασίας να είναι γνωστή η σύσταση της χρησιμοποιούμενης βιομάζας αλλά και η σύσταση του παραγόμενου βιοελαίου. 1.7 Βιοέλαιο: Φυσικοχημικές ιδιότητες και εφαρμογές Το βιοέλαιο είναι το υγρό προϊόν της θερμικής πυρόλυσης της βιομάζας. Πρόκειται για ένα σκουρόχρωμο μαύρο έως καφε κόκκινο, ιξώδες υγρό με έντονη οσμή. Περιέχει τα προϊόντα πυρόλυσης των βιοπολυμερών της βιομάζας, όσα δεν είναι αρκετά ελαφρά ώστε να διαφύγουν ως αέρια. Αποτελείται από νερό και οξυγονούχες ενώσεις διαφόρων ομάδων μεταξύ των οποίων είναι φαινολικές ενώσεις, φουράνια, καρβονυλικές και καρβοξυλικές ενώσεις καθώς και κάποια σάκχαρα. Περιλαμβάνει επίσης ολιγομερή λιγνίνης ή κυτταρίνης, τα οποία δεν διασπάστηκαν σε απλούστερες ενώσεις (μονομερή), καθώς και ορισμένα στερεά σωματίδια μεγέθους μερικών νάνο ή μίκρο μετρων. Τα ολιγομερή αυτά μπορεί να έχουν μοριακό βάρος μέχρι μερικές χιλιάδες, συνεισφέρουν σημαντικά στο ιξώδες του βιοελαίου και σχηματίζονται ως αερολύματα. Το μέγεθος αυτών των ολιγομερών εξαρτάται από τις συνθήκες της πυρόλυσης και την παρουσία ή απουσία κάποιου καταλύτη. Σε γενικές γραμμές, το βιοέλαιο μπορεί να θεωρηθεί ως ένα γαλάκτωμα στο οποίο η συνεχής φάση είναι η υδατική, που περιλαμβάνει τα πολικά προϊόντα της πυρόλυσης και η διεσπαρμένη φάση είναι τα ολιγομερή. Η σταθεροποίηση του γαλακτώματος οφείλεται σε ισχυρούς δεσμούς Η που αναπτύσσονται μεταξύ των δύο φάσεων. Κατά την αποθήκευση παρατηρείται συχνά διαχωρισμός των δυο φάσεων, που συμβατικά χαρακτηρίζονται ως υδατική 15

22 και οργανική φάση. Το βιοέλαιο είναι ένα ασταθές θερμοδυναμικό σύστημα κατά την αποθήκευση του οποίου παρατηρείται σταδιακή συσσωμάτωση των αιωρούμενων στερεών και αντιδράσεις μεταξύ των οξυγονούχων ενώσεων, πχ αλδολικές συμπυκνώσεις, εστεροποιήσεις, αντιδράσεις διμερισμού ή πολυμερισμού, προς μεγαλύτερου ΜΒ ενώσεις με μικρότερη διαλυτότητα. Οι αντιδράσεις αυτές, που επιταχύνονται υπό την επίδραση ακτινοβολίας και θερμοκρασίας, έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση του ιξώδους, την μείωση της πτητικότητας, αύξηση της πυκνότητας, καταβύθιση στερεών και τελικά τον διαχωρισμό δύο φάσεων. Η διαδικασία αυτή χαρακτηρίζεται ως γήρανση του βιοελαίου και είναι μια δυναμική διαδικασία που ξεκινά αμέσως μετά την συλλογή του. Ποσοτικά η γήρανση αξιολογείται με βάση την αύξηση του ιξώδους του βιοελαίου, πολύ πριν γίνει αντιληπτός ο διαχωρισμός φάσεων. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του βιοελαίου εξαρτώνται από την βιομάζα και την διεργασία της πυρόλυσης. Σε γενικές γραμμές παρουσιάζει ιξώδες που κυμαίνεται μεταξύ 25 και 1000cSt (στους 40 o C) και πυκνότητα μεταξύ 1,2 και 0,85kg/l, ανάλογα με την περιεκτικότητά του σε νερό και μικρού ΜΒ ενώσεις. Είναι μη αναμίξιμο με υδρογονάνθρακες και γενικά άπολους διαλύτες, διαλύεται όμως σημαντικά σε πολικούς ή μέτρια πολικούς διαλύτες (πχ αλκοόλες, κετόνες, εστέρες κτλ). Με το νερό παρουσιάζει περιορισμένη αναμιξιμότητα μέχρι ενός μικρού ποσοστού προτού παρατηρηθεί διαχωρισμός φάσεων, καθώς επηρεάζεται η κατανομή των ενώσεων μεταξύ των φάσεων, το γαλάκτωμα διαρρηγνύεται και τα ολιγομερή καταβυθίζονται. Η αρχική περιεκτικότητα του μη καταλυτικού βιοελαίου σε νερό κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 15 και 30%κβ, ενώ στην περίπτωση του καταλυτικού βιοελαίου η υδατική και οργανική φάση διαχωρίζονται άμεσα και η περιεκτικότητα της οργανικής φάσης σε νερό μπορεί να είναι και μικρότερη του 15%κβ. Βασικό χαρακτηριστικό των βιοελαίων είναι η υψηλή οξύτητα που παρουσιάζουν, με τιμή ph μεταξύ 2 και 3, εξαιτίας της υψηλής περιεκτικότητάς τους σε οργανικά οξέα και φαινόλες. Η οξύτητα αυτή το καθιστά εξαιρετικά διαβρωτικό για τα περισσότερα μέταλλα, με εξαίρεση τον χαλκό και το ανοξείδωτο ατσάλι, οπότε είναι δύσκολη η αποθήκευση και μεταφορά του αλλά και η απευθείας χρήση του σε μηχανές καύσης. 16

23 Κατά την αξιολόγηση του βιοελαίου ως καύσιμο, θα πρέπει να εξεταστούν και τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά. Το σημείο ροής είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία στην οποία το ρευστό ρέει χωρίς παρεμπόδιση. Για το βιοέλαιο η τιμή αυτή κυμαίνεται μεταξύ 12 και 33 ο C, η οποία είναι ικανοποιητικά χαμηλή, αλλά θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η περιεκτικότητα σε νερό, καθώς αυτό έχει ήδη σχηματίσει κρυστάλλους στη θερμοκρασία αυτή. Το νερό επηρεάζει και τον προσδιορισμό του σημείου ανάφλεξης, καθώς καταπιέζει την μετρούμενη τιμή λόγω της εξάτμισής του. Για την παράμετρο αυτή οι θερμοκρασίες που προσδιορίστηκαν για το βιοέλαιο βρίσκονται μεταξύ 40 και 100 ο C. Πολύ σημαντική παράμετρος τέλος είναι η θερμογόνος δύναμη, που εκφράζει το ποσό της Ιδιότητα Εύρος τιμών Πυκνότητα (15 ο C), kg/dm 3 1,11 1,30 Ελάχιστη θερμογόνος δύναμη, MJ/kg Κινηματικό ιξώδες, cst at 50 o C Θερμική αγωγιμότητα, W/mK 0,35 0,43 Σημείο ροής 9 έως 36 Στερεό υπόλειμμα, %κβ Σημείο ανάφλεξης, o C Η 2 Ο, %κβ Κωκ, %κβ 0,01 1 Τάση ατμών, kpa 5,2 at 33,5 o C Στοιχειακή ανάλυση C %κβ H O N S,ppm Cl,ppm 6,9 8, , Τέφρα, %κβ 0,01 0,2 ph 2,0 3,7 K+Na, ppm Πίνακας 2: Γενικές τιμές ιδιοτήτων βιοελαίων θερμότητας που απελευθερώνεται κατά την καύση μιας καύσιμης ύλης. Η τιμή της θερμογόνου δύναμης εξαρτάται άμεσα από την περιεχόμενη υγρασία της καύσιμης ύλης με αποτέλεσμα η τιμή αυτή για το βιοέλαιο να είναι σημαντικά μικρότερη από την αντίστοιχη για τα συμβατικά καύσιμα και να κυμαίνεται μεταξύ 17 και 20 MJ/kg (Bridgwater, 2010; Oiang et al., 2010). Αναλυτικά οι μέσες τιμές όλων των εξεταζόμενων ιδιοτήτων των βιοελαίων παρουσιάζονται στον πίνακα 2 (Oasmaa&Peacocke, 2001) Συνολικά τα βιοέλαια δεν πληρούν τις απαραίτητες προϋποθέσεις ώστε να χρησιμοποιηθούν απευθείας ως καύσιμα. Ωστόσο, εφαρμόζοντας τις κατάλληλες χημικές διεργασίες, όπως πχ υδρογόνωση, 17

24 απομάκρυνση του οξυγόνου, αφυδάτωση ή απόσταξη, μπορεί η σύστασή τους να μεταβληθεί έτσι ώστε να αυξηθεί η συγκέντρωση των μη πολικών συστατικών καθιστώντας ευκολότερη την ανάμιξή τους με τα συμβατικά καύσιμα ή την ενσωμάτωσή τους στις υπάρχουσες εγκαταστάσεις αξιοποίησης των βαρύτερων κλασμάτων του πετρελαίου. Εναλλακτικά, ως έχουν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραλαβή χημικών ενώσεων. 1.8 Ανάλυση Βιοελαίων Για τον προσδιορισμό των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των βιοελαίων εφαρμόζονται συνήθως οι επίσημες μέθοδοι που ισχύουν και για τα καύσιμα, ενώ η διευκρίνιση των περιεχόμενων σε αυτά ενώσεων γίνεται κυρίως με την εφαρμογή χρωματογραφικών τεχνικών. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τα βιοέλαια είναι εξαιρετικά πολύπλοκα μίγματα που αποτελούνται από μερικές εκατοντάδες ενώσεις με διαφορετική δομή και ιδιότητες, καθιστώντας δύσκολη την ποιοτική και ποσοτική τους ανάλυση. Ο διαχωρισμός πολλών ενώσεων δεν είναι δυνατός λόγω συγγενούς δομής και ιδιοτήτων που έχει ως αποτέλεσμα να εκλούονται σε αλληλεπικαλυπτόμενες κορυφές ώστε να απαιτείται η συνδυασμένη χρήση διαφορετικών χρωματογραφικών τεχνικών, πχ. ανάλυση με αέρια και υγρή χρωματογραφία, αλλά και περισσότερες από μια ενέσεις, προκειμένου να διευκρινιστούν όλες οι κατηγορίες ενώσεων. Έτσι η ανάλυση ενός και μόνο δείγματος απαιτεί αρκετό χρόνο και σημαντική προετοιμασία. Συχνά εφαρμόζεται και χρωματογραφία πηκτής προκειμένου να διευκρινιστεί το μέγεθος των ολιγομερών από τα πολυμερή της βιομάζας. Απαιτείται λοιπόν η εφαρμογή περισσότερο εξελιγμένων τεχνικών με υψηλή διαχωριστική ικανότητα αλλά και ανιχνευτών με αυξημένη διακριτική ικανότητα. Ένα σύστημα που ικανοποιεί και τις δύο αυτές απαιτήσεις είναι η διδιάστατη αέρια χρωματογραφία με φασματομετρία μάζας χρόνου πτήσης. 18

25 1.8.1 Διδιάστατη αέρια χρωματογραφία με φασματομετρία μαζας χρόνου πτήσης (GCxGC TοFMS) Η διδιάστατη αέρια χρωματογραφία (2DGC) αποτελεί την εξέλιξη της συμβατικής αέριας χρωματογραφίας και προσφέρει σημαντικά υψηλότερη διαχωριστική ικανότητα μιας και χρησιμοποιεί δύο στήλες και όχι μόνο μια. Συγκεκριμένα, στην τεχνική αυτή η κλασική τριχοειδής στήλη της αέριας χρωματογραφίας συνδέεται με μια δεύτερη, επίσης τριχοειδή στήλη, η οποία όμως φέρει διαφορετικής πολικότητας στατική φάση. Συνήθως, η πρώτη στήλη είναι μεγάλου μήκους (30 50m) με άπολη ή χαμηλής πολικότητας στατική φάση, ενώ η δεύτερη είναι μικρότερη σε μήκος (1 2m) αλλά μέτριας ή υψηλής πολικότητας. Στην πρώτη στήλη ο διαχωρισμός των ενώσεων επηρεάζεται σημαντικά από την διαφορετική πτητικότητά τους. Η δεύτερη στήλη μπορεί να βρίσκεται στον ίδιο φούρνο με την πρώτη ή σε ξεχωριστό, ο οποίος όμως δεν προγραμματίζεται ξεχωριστά και άρα ακολουθεί το θερμοκρασιακό πρόγραμμα του φούρνου της πρώτης στήλης, στην καλύτερη περίπτωση με μερικούς βαθμούς διαφορά. Συνεπώς, στην δεύτερη στήλη, όπου αναγκαστικά εισέρχονται ενώσεις παρόμοιας πτητικότητας, σημαντικότερο ρόλο για τον διαχωρισμό τους παίζει η πολικότητά τους και άρα η αλληλεπίδρασή τους με την στατική φάση. Το αποτέλεσμα του διαφορετικού μηχανισμού διαχωρισμού που επικρατεί σε κάθε μια από τις δύο στήλες, είναι να σχηματίζονται αυτό που ονομάζουμε «ορθογώνιες συνθήκες» και τελικά επιτυγχάνεται πολύ καλός διαχωρισμός ακόμη και ενώσεων παρόμοιας πτητικότητας ή και πολικότητας. Ωστόσο, το μικρό μήκος της δεύτερης στήλης δεν παρέχει τον απαραίτητο χρόνο για ικανοποιητικό διαχωρισμό όταν η ροή του δείγματος μέσα από αυτήν είναι συνεχής (Dalluge et al., 2003; Adahchour et al., 2008). Η επίλυση αυτού του προβλήματος ήρθε με τις διατάξεις που ονομάζονται διαμορφωτές (modulator). Στον διαμορφωτή συγκεντρώνονται Εικόνα 10: Διαμορφωτής με σύστημα ψεκασμού Ν 2 συνεχώς τα κλάσματα που διαχωρίζονται και εκλούονται από την πρώτη στήλη. Τα κλάσματα αυτά εστιάζονται 19

26 και στην συνέχεια εγχύονται στην δεύτερη στήλη όπου και διαχωρίζονται. Αυτή η διαδικασία επιτυγχάνεται με απότομη μεταβολή της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του διαμορφωτή. Στα σύγχρονα συστήματα, ψεκάζεται το τέλος της πρώτης στήλης ή η αρχή της δεύτερης με ψυχρό Ν 2 ή CO 2 για μερικά δευτερόλεπτα, οπότε η θερμοκρασία μειώνεται και οι ενώσεις συγκεντρώνονται μέσα στη στήλη. Ο ψεκασμός σταματά, η θερμοκρασία αυξάνεται είτε εξαιτίας του φούρνου είτε λόγω ψεκασμού της στήλης με θερμό Ν 2 ή CO 2, οπότε οι ενώσεις παρασύρονται και πάλι από το φέρον αέριο και διαχωρίζονται περαιτέρω (Pursch et al., 2003; Phillips&Beens, 1999). Οι διαχωρισμένες πλέον ενώσεις οδηγούνται στον ανιχνευτή του συστήματος, που στην προκειμένη περίπτωση είναι ανιχνευτής μαζας χρόνου πτήσης (ΤοF MS). Πριν την είσοδο στον ανιχνευτή, οι ενώσεις μετατρέπονται σε ιόντα, συνήθως με την εφαρμογή ηλεκτρονιακού ιονισμού (EI electron ionization), αν και μπορεί να εφαρμοστεί και χημικός ιονισμός (CI chemical ionization). Στην τεχνική του χρόνου πτήσης ιόντων, τα παραγόμενα από την πηγή ιονισμού ιόντα επιταχύνονται υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, εστιάζονται και εισέρχονται μέσα σε σωλήνα μήκους (L) υπό κενό και απαλλαγμένο από ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Τα ιόντα κινούνται μέσα στον σωλήνα μόνο λόγω της κινητικής ενέργειας (E) που έχουν προσλάβει κατά την επιτάχυνσή τους, και η ταχύτητα με την οποία κινούνται είναι τελικά συνάρτηση του λόγου m/z. Ο χρόνος που μεσολαβεί από την στιγμή του ιοντισμού, μέχρι την ανίχνευση του ιόντος ονομάζεται χρόνος πτήσης (t) και χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του m/z βάση της σχέσης 2 m t = 2E z L Ο συγκεκριμένος ανιχνευτής παρέχει την δυνατότητα ανάλυσης ενώσεων σε μεγάλο εύρος μοριακών βαρών, προσφέροντας παράλληλα υψηλή διακριτική ικανότητα (Mondello et al., 2003). Με την επιλογή του κατάλληλου συνδυασμού στηλών η συγκεκριμένη τεχνική επιτρέπει την ταυτοποίηση του μεγαλύτερου μέρους των ενώσεων του βιοελαίου σε μια και μόνο ανάλυση, αντισταθμίζοντας έτσι το υψηλό κόστος της αγοράς και συντήρησης του αναλυτικού οργάνου. Η συγκεκριμένη τεχνική χρησιμοποιείται όλο και συχνότερα σε αναλύσεις τέτοιων δειγμάτων. 20

27 1.9 Εφαρμογές του Βιοελαίου Παραγωγή Υδρογόνου Το υδρογόνο έχει το υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα βάρους, σε σχέση με τα γνωστά καύσιμα με αποτέλεσμα να χρησιμοποιείται σε ολοένα και περισσότερες εφαρμογές. Οι συνεχώς αυξανόμενες χρήσεις του υδρογόνου ως καύσιμο ή βασική πρώτη ύλη σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές, πχ μεταλλουργία, πετρελαιοβιομηχανίες, παραγωγή χημικών κτλ, οδήγησαν σε σημαντική αύξηση της παραγωγής του. Προς το παρόν το υδρογόνο παράγεται κυρίως κατά την καταλυτική αναμόρφωση του φυσικού αερίου ή της νάφθας, αλλά στα πλαίσια της προσπάθειας απεξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα, αναπτύσσονται τεχνολογίες για την παραγωγή του από βιομάζα. Από περιβαλλοντική άποψη, η παραγωγή υδρογόνου από τη βιομάζα δεν συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου καθώς το CO 2 που μπορεί να απελευθερώνεται κατά την διεργασία είχε ήδη δεσμευτεί κατά την ανάπτυξη του φυτού. Μέχρι στιγμής οι επικρατέστερες τεχνολογίες είναι αυτή της αεριοποίησης της βιομάζας και της καταλυτικής αναμόρφωσης με ατμό του βιοελαίου. Το υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο του βιοελαίου το καθιστά ελκυστικότερη πρώτη ύλη για την παραγωγή υδρογόνου. Η αναπτυσσόμενη τεχνολογία αφορά στην υδατική φάση του βιοελαίου, η οποία εμπλουτίζεται με την προσθήκη νερού για την αποδοτικότερη παραλαβή των πολικών ενώσεων και την ταυτόχρονη απομάκρυνση των δυσδιάλυτων ολιγομερών που μπορεί να φράξουν την διάταξη (Holladay et al., 2009). Η παραγωγή υδρογόνου από την υδατική φάση του βιοελαίου παριστάνεται συνοπτικά από την αντίδραση ατμοαναμόρφωσης C n H m O + ( n k) H H k 2 O nco2 + (2n + m 2 k) 2 Η ενεργειακή απόδοση της διεργασίας αυξάνεται σημαντικά με την χρήση καταλυτών όπως Pt, Pd, Rh, Ru σε διάφορους φορείς όπως Al 2 O 3, MgO/Al 2 O 3. Ανταγωνιστικά προς την αντίδραση αυτή δρουν οι αντιδράσεις θερμικής διάσπασης των ενώσεων που οδηγούν στην παραγωγή κωκ, το οποίο είναι υπεύθυνο για την 21

28 μειωμένη παραγωγή υδρογόνου και την πρόωρη απενεργοποίηση του καταλύτη (Kechagiopoulos et al., 2009; Vamvuka, 2011). Η διεργασία παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον και φαίνεται οικονομικά βιώσιμη επιλογή, αλλά βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο καθώς πρέπει να λυθούν προβλήματα σχετικά με την οργανολογία ώστε να αυξηθεί η ενεργειακή και οικονομική απόδοσή της Παραλαβή χημικών ενώσεων Όπως έχει ήδη αναφερθεί, το βιοέλαιο είναι επί τις ουσίας ένα μίγμα μεγάλου πλήθους ενώσεων, οι σχετικές συγκεντρώσεις των οποίων εξαρτώνται από την αρχική βιομάζα και την διαδικασία πυρόλυσης. Η προσπάθεια παραλαβής μιας και μόνο ένωσης από ένα τέτοιο μίγμα δεν είναι οικονομικά και χρονικά συμφέρουσα, αφενός εξαιτίας της πολυπλοκότητάς του αφετέρου εξαιτίας του ότι η συγκέντρωση της κάθε ένωσης ξεχωριστά, δεν είναι πολύ μεγάλη. Έτσι, για παράδειγμα η προσπάθεια απομόνωσης της φαινόλης περιεχόμενης σε συγκέντρωση μόλις πχ 0,5%κβ του συνολικού βιοελαίου, δεν θα έχει ιδιαίτερο νόημα. Ωστόσο αν το συνολικό φαινολικό κλάσμα αντιστοιχεί στο πχ 30%κβ του βιοελαίου, τότε προφανώς η παραλαβή του παρουσιάζει ενδιαφέρον. Οι περισσότερες εφαρμογές λοιπόν προσανατολίζονται στην εκμετάλλευση κλασμάτων του βιοελαίου, ή στην συνολική αναμόρφωσή του και τον εμπλουτισμό του σε επιθυμητές ενώσεις. Συγκεκριμένα, το φαινολικό κλάσμα του βιοελαίου έχει χρησιμοποιηθεί για την μερική αντικατάσταση της φαινόλης σε ρητίνες φαινόλης φορμαλδεΰδης που χρησιμοποιούνται κυρίως σε προϊόντα επεξεργασίας του ξύλου. Στην εφαρμογή αυτή το βιοέλαιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε αυτούσιο, εάν έχει ικανοποιητικά υψηλή περιεκτικότητα σε φαινολικές ενώσεις, ή μπορούν διαχωριστούν οι μεγάλου ΜΒ φαινολικές ενώσεις (ολιγομερή λιγνίνης) με απλή προσθήκη νερού στο βιοέλαιο (Cheng et al., 2011; Xu et al., 2010). Το υδατικό διάλυμα που προκύπτει κατά την προσθήκη νερού στο βιοέλαιο είναι αρκετά πλούσιο σε φαινόλες όπως η συριγγόλη και η γουαΐακόλη, αλλά και σε αλδεΰδες, κυρίως υδρόξυακεταλδεΰδη. Και οι δύο αυτές κατηγορίες ενώσεων χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων για να προσδώσουν κατ αντιστοιχία την μυρωδιά και γεύση του καπνιστού, αλλά 22

29 και πιο σκούρο χρώμα σε προϊόντα επεξεργασίας κρέατος (Czernik&Bridgwater, 2004). Για την παραλαβή περισσότερων ή καθαρότερων κλασμάτων από το βιοέλαιο έχουν δοκιμασθεί αρκετές κλασικές μέθοδοι, όπως η εκχύλιση με οργανικούς διαλύτες με διαφορετική πολικότητα, αλλά και διαχωρισμός σε στήλες είτε απλής σίλικα είτε ρητινών με συγκεκριμένες ιδιότητες. Τα λαμβανόμενα κλάσματα είναι αρκούντως εμπλουτισμένα, αλλά απαιτείται μεγάλος όγκος οργανικών διαλυτών και περαιτέρω καθαρισμός του κλάσματος, γεγονός που αποτρέπει την ευρεία εφαρμογή μιας τέτοιας διαδικασίας για περιβαλλοντικούς και οικονομικούς λόγους. Αντ αυτού έχουν εφαρμοστεί διάφορες τεχνικές απόσταξης, ξεκινώντας από την απλή απόσταξη υπό κενό για τον διαχωρισμό των περισσότερο πτητικών ενώσεων (πχ οξέα, αλδεΰδες, φουράνια κτλ) έως περισσότερο πολύπλοκες όπως η μοριακή απόσταξη (molecular distillation) (Wang et al., 2009), η οποία είναι αρκετά αποτελεσματική για την παραλαβή εμπλουτισμένων κλασμάτων σε συγκεκριμένες ενώσεις. Ωστόσο δεν υπάρχει αναφορά για εφαρμογή των τεχνικών αυτών σε βιομηχανικό επίπεδο. Σημαντικές εφαρμογές βρίσκει επίσης και η συνολική αναμόρφωση του βιοελαίου με τεχνικές όπως η εστεροποίηση, η καταλυτική πυρόλυση ή η καταλυτική υδρογόνωση, για την χημική μετατροπή ενώσεων του βιοελαίου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η καταλυτική πυρόλυση βιοελαίου προς σχηματισμό ολεφινών που χρησιμοποιούνται στην πετροχημική βιομηχανία ως βασικές ενώσεις για την σύνθεση πολυμερών, ρητινών ή άλλων ενώσεων (Gong et al., 2011). Η εστεροποίηση πραγματοποιείται με την προσθήκη αλκοόλης στο βιοέλαιο και η αντίδραση καταλύεται από όξινο καταλύτη, με τελικό σκοπό την παραγωγή εστέρων που διαχωρίζονται εύκολα από το μίγμα, σχηματίζοντας ξεχωριστή στοιβάδα, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε άλλες εφαρμογές πχ βιοκαύσιμα (Mahfud et al., 2007) Χρήση ως καύσιμο Η χαμηλή οξύτητα, η διαβρωτική δράση και η χημική αστάθεια του βιοελαίου καθιστούν δύσκολη την απευθείας χρήση του ως καύσιμο σε συμβατικούς 23

30 καυστήρες. Ωστόσο, δεδομένου ότι το βιο έλαιο έχει υψηλή θερμογόνο δύναμη έχουν προταθεί εφαρμογές της χρήσης του ως καύσιμο. H απευθείας χρήση του σε βιομηχανικούς καυστήρες έχει δοκιμασθεί και η καύση ήταν ικανοποιητική και με χαμηλές εκπομπές ρύπων, αλλά συνοδεύτηκε από αρκετά προβλήματα σχετιζόμενα με την καύση όπως η τροφοδοσία του βιο ελαίου λόγω ιξώδους, η φλόγα της καύσης και η διατήρησή της, ο σχηματισμός στερεού υπολείμματος, διάβρωση των μεταλλικών στοιχείων λόγω παρατεταμένης επαφής με το βιοέλαιο κτλ. (Czernik & Bridgwater, 2004) Η απλούστερη διαδικασία, που δεν απαιτεί κάποια μηχανική μετατροπή του καυστήρα, είναι η ανάμιξή του με κάποιο από τα συμβατικά καύσιμα. Επειδή όμως το βιο έλαιο είναι αρκετά πολικό, απαιτείται η χρήση κάποιου γαλακτωματοποιητή ώστε να δημιουργηθεί ένα σταθερό γαλάκτωμα. Για τον σκοπό αυτό έχει προταθεί η χρήση κάποιων κοινών βιομηχανικών γαλακτωματοποιητών, ωστόσο οι περισσότερες έρευνες επί του θέματος καλύπτονται από πατέντες και συνεπώς δεν υπάρχει ικανοποιητική διαθεσιμότητα στοιχείων. Φαίνεται πάντως πως απαιτείται μια προκατεργασία του βιο ελαίου ώστε να αφαιρεθεί το μεγαλύτερο ποσοστό του περιεχόμενου σε αυτό νερού, προκειμένου να διευκολυνθεί η ανάμιξη των δύο φάσεων και να υποβοηθηθεί η σταθερότητα του προκύπτοντος γαλακτώματος. Στην βιβλιογραφία, αναφέρονται γαλακτώματα έως και 75/25 βιο ελαίου σε ντίζελ, χωρίς ωστόσο να προσδιορίζεται επακριβώς η χρονική περίοδος της σταθερότητάς τους. Όπως είναι αναμενόμενο, οι ιδιότητες του καυσίμου γαλακτώματος που προκύπτει, επηρεάζονται από το περιεχόμενο βιοέλαιο με αποτέλεσμα το καύσιμο να εμφανίζει χειρότερες ιδιότητες από το καθαρό ντίζελ, πχ μικρότερη θερμογόνο δύναμη, αυξημένο ιξώδες κτλ., αλλά οι τιμές αυτές παραμένουν εντός των προδιαγραφών των καυσίμων (Ikura et al., 2003; Chiaramonti et al., 2003; Chiaramonti et al., 2003). Τέτοια γαλακτώματα έχουν δοκιμασθεί σε μηχανές εσωτερικής καύσης, αλλά προκειμένου να διευρυνθεί περαιτέρω η χρήση τους θα πρέπει να αντιμετωπιστούν προβλήματα όπως η διάβρωση κάποιων μηχανικών τμημάτων του κινητήρα και σταθερότητας του γαλακτώματος στην αποθήκευση. Πάντως, οι εμπορικές προοπτικές μιας τέτοιας τεχνολογίας είναι ενδιαφέρουσες. Γενικά, προκειμένου το βιο έλαιο να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο θα πρέπει να μειωθεί το περιεχόμενο σε αυτό οξυγόνο, πράγμα που σημαίνει πως οι 24

31 οξυγονούχες οργανικές ενώσεις πρέπει να υποστούν χημική μετατροπή προς υδρογονάνθρακες. Οι αντίστοιχες χημικές διεργασίες, που παρουσιάζονται στην εικόνα 11 ως γενικές αντιδράσεις, πραγματοποιούνται υπό συνθήκες θερμοκρασίας ή/και πίεσης και προϋποθέτουν την χρήση κατάλληλου καταλύτη. Μεγαλύτερο ενδιαφέρον έχουν προσελκύσει οι διεργασίες της καταλυτικής υδρογόνωσης και της καταλυτικής αποξυγόνωσης (deoxygenation). Με την χρήση όξινων καταλυτών, το αποτέλεσμα των διεργασιών αυτών, και κυρίως της καταλυτικής υδρογόνωσης, είναι ένα προϊόν πλούσιο σε εστέρες και υδρογονάνθρακες που μπορεί να αναμιχθεί με το βιοντίζελ και να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο. Το βασικότερο πρόβλημα είναι η γρήγορη απενεργοποίηση του καταλύτη λόγω σχηματισμού κωκ, γεγονός που αυξάνει το κόστος των διεργασιών αυτών (Mortensen et al., 2003). Εικόνα 11: Γενικές αντιδράσεις καταλυτικής αναβάθμισης του βιο ελαίου (Mortensen et al., 2011) Συνολικά, φαίνεται πως η απευθείας χρήση του βιοελαίου ως καύσιμο, είναι η περισσότερο άμεσα εφαρμόσιμη. 25

32 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Όπως τεκμηριώθηκε στο θεωρητικό κομμάτι, η διευκρίνηση της σύστασης του παραγόμενου από κάθε βιομάζα βιοελαίου, είναι ουσιαστικής σημασίας για την ορθολογική αξιοποίησή του. Η τεχνική της διδιάστατης αέριας χρωματογραφίας συνδυασμένη με φασματομετρία μάζας χρόνου πτήσης, έχοντας υψηλή διαχωριστική και διακριτική ικανότητα, είναι κατάλληλη για την ποιοτική ανάλυση των πολύπλοκων αυτών μιγμάτων. Ωστόσο, η ποσοτική ανάλυση με την τεχνική αυτή απαιτεί προσεκτικό σχεδιασμό, αφενός εξαιτίας της πολυπλοκότητας του μίγματος και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των συστατικών του και αφετέρου εξαιτίας της περιορισμένης γραμμικής περιοχής του φασματογράφου μαζών και της μεταβολής στην απόκρισή του. Τα δύο τελευταία μειονεκτήματα του φασματογράφου μαζών καθιστούν απαραίτητη την εφαρμογή εσωτερικού προτύπου για τους ποσοτικούς προσδιορισμούς. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκε η αναλυτική μεθοδολογία για την ποσοτικό προσδιορισμό των συστατικών του βιοελαίου χρησιμοποιώντας αρχικά πρότυπο διάλυμα αποτελούμενο από τις συχνότερα εμφανιζόμενες ενώσεις σε βιοέλαια. Προσδιορίστηκαν οι σχετικοί συντελεστές απόκρισης των ενώσεων και προσδιορίστηκε το εύρος των συγκεντρώσεων για το οποίο οι τιμές αυτές ήταν σταθερές ή είχαν γραμμική εξάρτηση από την συγκέντρωση του προσδιοριζόμενου συστατικού. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε ποσοτική ανάλυση σε βιοέλαια που πρόεκυψαν από την πυρόλυση πρότυπης κυτταρίνης, ημικυτταρίνης και λιγνίνης, πρότυπου μίγματος αυτών καθώς και πέντε διαφορετικών βιομαζών, προκειμένου να διερευνηθεί η σύστασή τους και να αξιολογηθεί η ποιότητα του παραγόμενου βιοελαίου για άλλες εφαρμογές. 26

33 KΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.1 Προσδιορισμός της σύστασης της βιομάζας Ο πλήρης χαρακτηρισμός της βιομάζας που χρησιμοποιήθηκε είναι απαραίτητος προκειμένου να μπορούν να ερμηνευθούν οι διαφορές στην τελική σύσταση του παραγόμενου βιοελαίου. Εφαρμόστηκαν λοιπόν οι ακόλουθες διαδικασίες: Προσδιορισμός τέφρας: Για τον προσδιορισμό της τέφρας 1.000g βιομάζας, με ζύγιση στο πλησιέστερο mg, ζυγίστηκε σε πορσελάνινη κάψα και τοποθετήθηκε σε φούρνο υψηλών θερμοκρασιών στους 640 o C για 16h Προσδιορισμός εκχυλίσιμων συστατικών: Εκτός των τριών βασικών βιοπολυμερών από τα οποία αποτελείται η βιομάζα, υπάρχουν σε αυτήν και μικρότερου ΜΒ ενώσεις, κυρίως πολυσακχαρίτες και κηροί, που πρέπει να απομακρυνθούν πριν τον προσδιορισμό των βιοπολυμερών για να αποφευχθούν παρεμποδίσεις και συμπροσδιορισμοί. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιείται εκχύλιση Soxhlet g ξηρής βιομάζας, με ζύγιση στο πλησιέστερο mg. Για την εκχύλιση χρησιμοποιείται διάλυμα αιθανόλης:τολουολίου σε αναλογία 1:2. Ο προσδιορισμός πραγματοποιείται με ζύγιση της βιομάζας πριν και μετά την εκχύλιση Προσδιορισμός λιγνίνης: Πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με την επίσημη μέθοδο ΤΑΡΡΙ222. Συγκεκριμένα ξηρό και εκχυλισμένο δείγμα βιομάζας κατεργάστηκε αρχικά με H 2 SO 4 72%κβ για 1 ώρα. Στο μίγμα προστέθηκε ικανή ποσότητα νερού ώστε η συγκέντρωση του H 2 SO 4 στο τελικό διάλυμα να είναι 3%κβ και ακολούθησε βρασμός με επαναρροή για 4 ώρες. Η λιγνίνη παραμένει ως αδιάλυτο στερεό υπόλειμμα και διαχωρίζεται από το διάλυμα με διήθηση υπό κενό σε χωνί Gooch Νο4. Ακολουθεί ξήρανση του στερεού και ζύγιση. Με τον τρόπο αυτό προσδιορίζεται το % ποσοστό της αδιάλυτης σε οξύ λιγνίνης (αολ) βάση του τύπου: Lignin,% = 100 όπου Α=το βάρος του στερεού υπολείμματος, g και W= το βάρος του αρχικού δείγματος, g Κατά τη διάρκεια της διεργασίας το ποσοστό της λιγνίνης που διαλυτοποιείται καλείται διαλυτή σε οξέα λιγνίνη (δολ). Το ποσοστό αυτό προσδιορίζεται A W 27

34 φωτομετρικά με μέτρηση της απορρόφησης του διηθήματος στα 205nm. Η ένταση της απορρόφησης που καταγράφεται χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της διαλυτής σε οξύ λιγνίνης, βάση του τύπου: A V 100 Lignin,% = W όπου Α= η καταγεγραμμένη απορρόφηση,abs V= ο συνολικός όγκος του διαλύματος, ml και W= το βάρος του αρχικού δείγματος, g Προσδιορισμός ολικής κυτταρίνης: Για τον προσδιορισμό της ολικής κυτταρίνης ακολουθήθηκε η μέθοδος Wise, κατάλληλα τροποποιημένη. Η μέθοδος βασίζεται στην απομάκρυνση της λιγνίνης της βιομάζας με την χρήση οξειδωτικών μέσων, χωρίς να επηρεάζεται η ημικυτταρίνη και η κυτταρίνη. Συγκεκριμένα, σε ξηρό και εκχυλισμένο δείγμα βιομάζας ίσο με 2,5000g ± 0,0010g προστέθηκαν 80mL θερμού Η 2 Ο και το αιώρημα τοποθετήθηκε σε ανακινούμενο λουτρό στους 80 o C. Προστέθηκαν διαδοχικά 1g NaClO 2 και 0,5mL glacial CH 3 COOH και το μίγμα αφέθηκε σε ανακίνηση. Ίσες ποσότητες αντιδραστηρίων προστέθηκαν στο μίγμα άλλες πέντε φορές σε χρονικά διαστήματα 1h. Συνολικά η διεργασία διήρκησε 6h. Στο τέλος τη διεργασίας η αδιάλυτη ημικυτταρίνη και κυτταρίνη του δείγματος παρέμειναν ως λευκό έως υπόλευκο στερεό υπόλειμμα, το οποίο απομακρύνθηκε από το υπερκείμενο διάλυμα με διήθηση υπό κενό. Ακολούθησε ξήρανση και ζύγιση του στερεού Προσδιορισμός ημικυτταρίνης και α κυτταρίνης: Για τον προσδιορισμό των δύο βιοπολυμερών η εφαρμοζόμενη μέθοδος βασίστηκε στην επίσημη μέθοδο ΤΑΡΡΙ 203, κατά την οποία χρησιμοποιείται ως δείγμα η ολική κυτταρίνη που απομονώθηκε όπως περιγράφηκε στην παράγραφο Η μέθοδος βασίζεται στην ιδιότητα της ημικυτταρίνης να διαλυτοποιείται σε αλκαλικά διαλύματα, σε αντίθεση με την α κυτταρίνη που μένει αδιάλυτη. Συγκεκριμένα, σε 1,5000g ± 0,0100g ολικής κυτταρίνης προστίθενται 100mL 17,5%κβ NaOH. Το διάλυμα παραμένει σε ανάδευση για 30min σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και στη συνέχεια προστίθενται 100mL Η 2 Ο και η ανάδευση συνεχίζεται για ακόμη 30min. Η α κυτταρίνη παραμένει αδιάλυτη και απομακρύνεται με διήθηση υπό κενό. Το στερεό ξηραίνεται και ζυγίζεται. Η ημικυτταρίνη προσδιορίζεται εκ διαφοράς. 28

35 2.2 Ταχεία πυρόλυση της βιομάζας Για την πυρόλυση της βιομάζας χρησιμοποιήθηκε η διάταξη που παρουσιάζεται στην εικόνα 12. Εικόνα 12: Σχηματική απεικόνιση της διάταξης ταχείας πυρόλυσης (Stefanidis et al., 2011) Εν συντομία, συγκεκριμένη ποσότητα ξηρής βιομάζας ίση με 1,5000g ζυγίζεται και τοποθετείται στο επάνω μέρος του αντιδραστήρα, έτσι ώστε αρχικά να βρίσκεται εκτός του φούρνου, ενώ ο καταλύτης ή αδρανής πυριτική άμμος τοποθετείται στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. Στον αντιδραστήρα διοχετεύεται Ν 2 με ελεγχόμενη ροή έτσι ώστε να επικρατεί αδρανής ατμόσφαιρα. Όταν η θερμοκρασία στον αντιδραστήρα φτάσει στους 500 o C, τότε το πιστόνι που συγκρατεί τη βιομάζα, απελευθερώνεται και η βιομάζα εισέρχεται στον αντιδραστήρα. Η απότομη θέρμανσή της έχει ως αποτέλεσμα την ταχεία της πυρόλυση και την παραγωγή των αντίστοιχων προϊόντων, τα οποία υπό την επίδραση του ρεύματος Ν 2 παρασύρονται προς την έξοδο περνώντας μέσα από την κλίνη του καταλύτη ή της αδρανούς άμμου. Τα προϊόντα τελικά διοχετεύονται σε γυάλινο υποδοχέα ο οποίος βρίσκεται βυθισμένος σε λουτρό ψύξης, οπότε και τα υγρά προϊόντα της πυρόλυσης (βιοέλαιο) συλλέγονται, ενώ τα αέρια απομακρύνονται και παγιδεύονται σε 29

36 ξεχωριστό δοχείο. Η συλλογή του βιοελαίου, που αποτελεί και το αντικείμενο μελέτης της παρούσας εργασίας, από τον γυάλινο υποδοχέα πραγματοποιείται με την προσθήκη γνωστής ποσότητας MeOH. Το δείγμα στη συνέχεια υποβάλλεται σε χρωματογραφική ανάλυση, στοιχειακή ανάλυση καθώς και προσδιορισμό της περιεκτικότητάς του σε νερό. 2.3 Χρωματογραφική ανάλυση με τη χρήση GCxGC TOFMS Το σύστημα δισδιάστατης αέριας χρωματογραφίας που χρησιμοποιήθηκε αποτελούνταν από έναν αέριο χρωματογράφο (GC) της εταιρίας Agilent (Agilent Technologies, Palo Alto, CA, USA ) και ένα φασματογράφο μαζών (MS) της Leco Instruments (St. Joseph, MI, USA). Συγκεκριμένα αποτελούνταν από το GC Agilent 7890 A συνδεδεμένο με το Pegasus 4D time of flight mass spectrometer (εικόνες 13). Εικόνα 13: Απεικόνιση της διάταξης διδιάστατης αέριας χρωματογραφίας GCxGC TOFMS Το σύστημα φέρει αυτόματο δειγματολήπτη Agilent 7683 B. Η πρώτη στήλη του συστήματος είναι μια μη πολική στήλη BPX 5 (5% phenyl polysilphenylene siloxane) με διαστάσεις 30m; I.D mm, d.f μm, ενώ η δεύτερη στήλη ήταν η μέτριας πολικότητας BPX 50 (50% phenyl polysilphenylene siloxane) με διαστάσεις 1,5m; I.D. 0.1 mm, d.f. 0.1 μm,, και οι δύο της εταιρίας SGE Analytical Science Pty Ltd (Australia). Η δεύτερη στήλη είναι τοποθετημένη μέσα σε ξεχωριστό φούρνο, με ανεξάρτητο έλεγχο της θερμοκρασίας και ενώνεται με την πρώτη στήλη με ειδικό 30

37 μεταλλικό σύνδεσμο. Η σύνδεση των δύο στηλών βρίσκεται μέσα στη διάταξη του διαμορφωτή (modulator), ο οποίος λειτουργεί με σύστημα εκτόξευσης υγρού αζώτου ( 180 o C). Το σύστημα ελέγχεται από το λογισμικό ChromaToF (LECO) 3.34v. με το οποίο έγινε και η επεξεργασία των χρωματογραφημάτων. Η ποιοτική ανίχνευση και αναγνώριση των κορυφών πραγματοποιήθηκε με την βοήθεια της βιβλιοθήκης NIST05. Όσον αφορά στις συνθήκες της ανάλυσης, ως φέρον αέριο χρησιμοποιήθηκε He με ταχύτητα ροής 1mL/min, ο όγκος του εγχυόμενου δείγματος ήταν 0,5μL με αναλογία split 1:20 σε θερμοκρασία εισαγωγέα 250 o C. Ο χρονικός κύκλος του διαμορφωτή ήταν 5s. Το θερμοκρασιακό πρόγραμμα για την πρώτη στήλη είχε ως εξής: αρχική θερμοκρασία 35 o C, σταθερή για 10 min, αύξηση της θερμοκρασίας έως τους 250 o C με ρυθμό 3 o C/min, στη συνέχεια αύξηση του ρυθμού θέρμανσης σε 15 o C/min έως τελικής θερμοκρασίας 330 o C, όπου και διατηρήθηκε σταθερή έως το τέλος του προγράμματος. Καθ όλη τη διάρκεια του προγράμματος η δεύτερη στήλη βρισκόταν σε θερμοκρασία 15 o C υψηλότερη σε σχέση με την πρώτη στήλη. Κατά τη διάρκεια των κύκλων του διαμορφωτή, ο ψεκασμός με θερμό αέρα προγραμματίζεται ώστε να γίνεται σε θερμοκρασία 30 ο C υψηλότερη από αυτήν του φούρνου, προκειμένου να διασφαλίζεται η εξαερίωση των ενώσεων που είχαν συγκεντρωθεί. Ο συνολικός χρόνος της ανάλυσης ήταν 102.0min. Για την παραγωγή ιόντων εφαρμόστηκε ηλεκτρονιακός ιονισμός (EI Electron Ionization) στα 70eV. Στο TοF MS η συχνότητα λήψης των φασμάτων ήταν 100 spectra/s, ενώ το ανιχνευόμενο εύρος μαζών ήταν m/z amu. Όλα τα δείγματα της παρούσας εργασίας αναλύθηκαν με τις παραπάνω συνθήκες, κατόπιν κατάλληλης αραίωσης χρησιμοποιώντας ως διαλύτη ΜeOH. 2.4 Ποσοτική ανάλυση και στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων Για την ποσοτική ανάλυση των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε η τεχνική του εσωτερικού προτύπου, ενώ ως εσωτερικό πρότυπο επιλέχθηκε η πλήρως δευτεριoμένη φαινόλη (d 6 phenol). Πριν την ανάλυση δειγμάτων βιοελαίου, πραγματοποιήθηκε η χρωματογραφική ανάλυση πρότυπου δείγματος αποτελούμενο από 39 οργανικές ενώσεις, διαφόρων ομάδων. Η επιλογή των ενώσεων βασίστηκε στην εκπροσώπηση των σημαντικότερων χημικών ομάδων από 31

38 μία τουλάχιστον ένωση, αλλά και στην συχνότητα με την οποία κάποιες οργανικές ενώσεις απαντώνται στα βιοέλαια. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση τουλάχιστον πέντε διαφορετικών συγκεντρώσεων του πρότυπου δείγματος, διατηρώντας σταθερή την συγκέντρωση του εσωτερικού προτύπου, έτσι ώστε να προσδιοριστεί ο πειραματικός παράγοντας απόκρισης RRF (relative response factor) για την κάθε ένωση, η περιοχή συγκεντρώσεων για την οποία ο RRF είναι ανεξάρτητος από την συγκέντρωση της ένωσης ή η γραμμική εξάρτησή του από την συγκέντρωση του κάθε συστατικού. Για τους σκοπούς αυτούς χρησιμοποιήθηκε ANOVA και WLSLR (Weighted Least Square Linear Regression, ζυγισμένη παλινδρόμηση ελαχίστων τετραγώνων) με την βοήθεια του Microsoft Excel. 32

39 KΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 3.1 Χαρακτηρισμός Βιομάζας Η ημικυτταρίνη, κυτταρίνη και λιγνίνη που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία ήταν πρότυπες ενώσεις, οι οποίες ωστόσο χαρακτηρίστηκαν ως προς την στοιχειακή τους σύσταση, την περιεκτικότητά τους σε τέφρα, ενώ λήφθηκε και το προφίλ της θερμικής τους αποικοδόμησης. Οι συγκεκριμένες αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν επίσης γιατί από προηγούμενες μελέτες έχει προκύψει πως οι φυσικοχημικές ιδιότητες της βιομάζας, όπως πχ η προέλευση της βιομάζας/βιοπολυμερούς και ο τρόπος με τον οποίο απομονώθηκαν ή η περιεκτικότητα του υλικού σε τέφρα, επηρεάζουν άμεσα την σχετική αναλογία των προϊόντων της πυρόλυσης. Αντίστοιχες αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν και για τις πέντε βιομάζες που αποτέλεσαν επίσης αντικείμενο της πειραματικής μελέτης. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον πίνακα 3 Πίνακας 3: Χαρακτηρισμός των βιομαζών που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη Στοιχειακή Ανάλυση Τέφρα (%) (%) Εκχυλίσιμα συστατικά (%) Λιγνίνη (%) (αολ) Λιγνίνη (%) (δολ) Κυτταρίνη (%) Ημικυτταρίνη (%) C H O 1 Ημικυτταρίνη 42,07 5,82 46,08 6, Κυτταρίνη 42,27 6,40 51, Λιγνίνη 63,19 5,80 28,73 2, Πρότυπο μίγμα Η Κ Λ 47,93 5,58 46,49 2,20 28,28 45,91 25,81 Πεύκο 45,54 6,37 47,79 0,30 1,33 27,70 1,71 40,46 23,72 Αγριαγκινάρα 38,11 5,27 41,20 15,42 3,22 18,19 16,75 34,01 28,02 Ελαιοπυρήνας 51,97 7,80 37,83 2,40 3,07 21,02 4,08 38,75 29,05 Jatropha 46,39 6,04 42,48 5,09 9,74 41,59 2,39 22,63 28,30 Μίσκανθος 45,55 6,00 45,88 2,57 2,25 23,32 4,89 39,68 27,29 1 Το Ο υπολογίζεται εκ διαφοράς Από τις βιομάζες που επιλέχθηκαν, το πεύκο και κυρίως τα υποπροϊόντα της επεξεργασίας του, παρουσιάζουν σημαντική διαθεσιμότητα στον ευρύτερο ευρωπαϊκό χώρο, ενώ ο μίσκανθος που εντάσσεται στην κατηγορία των ενεργειακών καλλιεργειών ευδοκιμεί στο μεγαλύτερο μέρος της Ευρώπης και ήδη χρησιμοποιείται για την παραγωγή βιοκαυσίμων. Η αγριαγκινάρα είναι άριστα προσαρμοσμένη στο ελληνικό κλίμα με πολύ μικρή ανάγκη σε νερό και λίπανση, 33

40 ενώ ο ελαιοπυρήνας παράγεται σε σημαντικές ποσότητες ετησίως ως παραπροϊόν της παραγωγής του ελαιολάδου. Η jatropha τέλος είναι άλλη μια καλλιέργεια που εντάσσεται στις ενεργειακές καλλιέργειες. Ευδοκιμεί στη Νότιο Αμερική αλλά και στην Αφρική, οι καρποί της έχουν μεγάλη περιεκτικότητα σε λάδι και έχει ήδη χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για την πιλοτική παραγωγή βιοντίζελ. Το στερεό που απομένει μετά την απομάκρυνση του λαδιού δεν έχει μελετηθεί εκτενώς, αλλά φαίνεται να έχει ενδιαφέρον η χρήση του για την παραγωγή ενεργού άνθρακα ή και βιοελαίου, όπως παρουσιάζεται στη παρούσα μελέτη. Ανάλογα με τα ποσοστά τους σε λιγνίνη οι βιομάζες κατατάσσονται με την σειρά jatropha> αγριαγκινάρα > πεύκο> μίσκανθος> ελαιοπυρήνας. Η αγριαγκινάρα και ο ελαιοπυρήνας έχουν την χαμηλότερη περιεκτικότητα σε οξυγόνο, και ακολουθούν η jatropha, ο μίσκανθος και το πεύκο. Η χαμηλή περιεκτικότητα της βιομάζας σε οξυγόνο είναι σημαντική παράμετρος όταν το παραγόμενο βιοέλαιο πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ως βιοκαύσιμο. Όσον αφορά την θερμική αποικοδόμηση των βιοπολυμερών και των βιομαζών, από τα διαγράμματα DTG (εικόνα 14) φαίνεται πως η ημικυτταρίνη παρουσιάζει μια ευρεία θερμοκρασιακή περιοχή αποικοδόμησης μεταξύ 200 και 350 ο C, πιθανόν εξαιτίας της χαμηλής της κρυσταλλικότητας αλλά και του διαφορετικού μεγέθους των αλυσίδων της. Η κυτταρίνη που έχει υψηλότερη κρυσταλλικότητα και μεγαλύτερο ΜΒ αποικοδομείται σε υψηλότερη θερμοκρασία και στενότερη περιοχή, μεταξύ 350 και 400 ο C. Η λιγνίνη τέλος, εξαιτίας της διασταυρωμένης δομής της και των φαινολικών ενώσεων από τις οποίες αποτελείται απαιτεί υψηλότερες θερμοκρασίες, μεταξύ 400 και 500 ο C προκειμένου οι δεσμοί να διαρρηχθούν και τελικά να αποικοδομηθεί. Τα διαγράμματα θερμικής αποικοδόμησης των προτύπων Η, Κ και Λ και των βιομαζών, λήφθηκαν τόσο σε ατμόσφαιρα Ν 2, όσο και σε αέρα, ωστόσο εδώ παρουσιάζονται τα διαγράμματα σε αέρα, καθώς προσφέρουν καλύτερη εικόνα για την σύσταση των βιομαζών. Σε αδρανές περιβάλλον οι θερμοκρασίες αποικοδόμησης δεν μεταβάλλονται σημαντικά, ωστόσο οι αντίστοιχες κορυφές είναι ελαφρά μετατοπισμένες σε υψηλότερη θερμοκρασία και ευρύτερες υποδηλώνοντας βραδεία αποικοδόμηση, γεγονός ιδιαίτερα έντονο στην περίπτωση της λιγνίνης που παρουσιάζει μια χαμηλή 34

41 και ευρεία κορυφή αποικοδόμησης μέχρι τους 600 ο C με ταυτόχρονη δημιουργία κωκ περίπου 20% κ.β. 3 lignin cellulose hemicellulose 2 1 Deriv. Weight pine olive kernel miscanthus cardoon jatropha temperature ( o C) Εικόνα 14: Διαγράμματα DTG των πρότυπων βιοπολυμερών και των αντίστοιχων βιομαζών Από τις αντίστοιχες κορυφές που υποδηλώνουν την παρουσία των τριών βιοπολυμερών στα διαγράμματα των βιομαζών, μπορεί να γίνει μια πρώτη εκτίμηση για την σχετική τους αναλογία στην κάθε βιομάζα, χωρίς ωστόσο να εξάγονται ποσοτικά συμπεράσματα. Η στενή σύνδεση της ημικυτταρίνης και της κυτταρίνης στη βιομάζα, καθώς και οι κοντινές θερμοκρασιακές περιοχές αποικοδόμησής τους, έχουν ως συνέπεια την εμφάνιση μίας κορυφής και για τις δύο. Φαίνεται πάντως πως σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 500 ο C, η απώλεια μάζας είναι πάρα πολύ μικρή και συνεπώς η πυρόλυση σε θερμοκρασία υψηλότερη των ο C δεν θα προκαλέσει σημαντική αύξηση στην πυρολυόμενη ποσότητα (Fasina&Litlefield, 2012) αλλά αναμένεται να επιδράσει στα προϊόντα προκαλώντας δευτερεύουσες αντιδράσεις, γεγονός μη επιθυμητό στην παρούσα μελέτη. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε ως θερμοκρασία πυρόλυσης οι 500 ο C. 3.2 Προϊόντα πυρόλυσης Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ταχεία πυρόλυση του κάθε υλικού καταλήγει τελικά σε τρία προϊόντα: τα αέρια προϊόντα, το βιοέλαιο (υγρό προϊόν) 35

42 και το στερεό απανθράκωμα. Η κατανομή των προϊόντων αυτών παρουσιάζεται στον πίνακα 4, ως ποσοστό επί της αρχικής βιομάζας (επί ξηρού). Πίνακας 4: Η %κ.β. κατανομή των προϊόντων της πυρόλυσης ως πρός την αρχική βιομάζα Δείγμα Αέριο προϊόν (%) Υγρό προϊόν (%) Στερεό προϊόν (%) Ημικυτταρίνη 22,7 39,9 38,5 Κυτταρίνη 11,8 71,2 17,0 Λιγνίνη 9,5 43,6 46,9 Πρότυπο μίγμα Η Κ Λ 16,5 50,9 32,7 Όπως φαίνεται από τον πίνακα 4, η ημικυτταρίνη παράγει τα περισσότερα αέρια προϊόντα, η κυτταρίνη το περισσότερο βιοέλαιο ενώ η λιγνίνη το περισσότερο απανθράκωμα, προφανώς εξαιτίας της διαφορετικής δομής και τρόπου αποικοδόμησης του κάθε βιοπολυμερούς. Το υψηλό ποσοστό απανθρακώματος που παράγει η λιγνίνη πιθανώς οφείλεται στην ισχυρά διασταυρωμένη φαινολική δομή της. Κατά την θερμική αποικοδόμηση παράγονται φαινολικά μονομερή, τα οποία κατά πάσα πιθανότητα φέρουν ελεύθερες ρίζες, με αποτέλεσμα τα μονομερή να συμμετέχουν σε αντιδράσεις συμπύκνωσης προς σχηματισμό μεγαλύτερων και σταθερότερων πολυαρωματικών δομών (Wang et al., 2009; Britt et al., 1995). Η ανάλυση των αέριων και υγρών προϊόντων της πυρόλυσης είναι απαραίτητη προς την κατεύθυνση της διευκρίνισης του μηχανισμού της θερμικής αποικοδόμησης του κάθε βιοπολυμερούς. Η ανάλυση των αέριων προϊόντων παρουσιάζεται στον πίνακα 5 Πίνακας 5: Ποσοστιαίες αποδόσεις των αέριων προϊόντων της πυρόλυσης, %κβ ως προς την αρχική βιομάζα Δείγμα CO 2 (%) CO (%) H 2 (%) CH 4 (%) C 2 Η 6 (%) C 2 Η 4 (%) C 3 Η 8 (%) C 3 Η 6 (%) C 4 C 6 (%) Άλλα αέρια(%) Ημικυτταρίνη 15,89 5,01 0,06 0,42 0,24 0,10 0,09 0,11 0,34 1,36 Κυτταρίνη 5,17 4,38 0,09 0,32 0,08 0,12 0,02 0,13 0,11 0,86 Λιγνίνη 4,11 2,59 0,03 1,58 0,13 0,08 0,04 0,07 0,24 2,17 Πρότυπο μίγμα Η Κ Λ 9,73 4,79 0,04 0,69 0,19 0,19 0,06 0,20 0,58 1,94 Πίνακας 6: Ανάλυση της σύστασης των παραγόμενων βιοελαίων Βιοέλαιο Δείγμα Η 2 Ο (%) C (%) H (%) O(%) Ημικυτταρίνη 57,95 59,19 8,14 32,67 Κυτταρίνη 29,93 51,89 5,98 42,12 Λιγνίνη 35,21 67,55 7,44 25,01 Πρότυπο μίγμα Η Κ Λ 54,71 60,42 12,92 26,66 36

43 Τα κύρια προϊόντα και στις τρείς περιπτώσεις είναι CO 2 και CO, ενώ παράγονται παράλληλα σε μικρότερο ποσοστό και άλλοι αέριοι υδρογονάνθρακες. Το ποσοστό του CO 2 που παράγεται από την ημικυτταρίνη είναι σχεδόν τριπλάσιο από το αντίστοιχο της κυτταρίνης, χωρίς να ισχύει το ίδιο για το παραγόμενο CO. Η αυξημένη παραγωγή CO 2 αποδίδεται σε αντιδράσεις αποκαρβοξυλίωσης κατά την απομάκρυνση των ακέτυλο ομάδων από τη θέση 2 του δακτυλίου της ξυλόζης, καθώς επίσης και στην απομάκρυνση της ακέτυλο ομάδας με την οποία τα ουρονικά οξέα συνδέονται με την βασική αλυσίδα της ξυλόζης (DeGroot et al., 1998; Yang et al., 2007). Οι αντιδράσεις αυτές πραγματοποιούνται πρώτες στις χαμηλότερες θερμοκρασίες τις πυρόλυσης, δηλαδή περίπου στους o C και στη συνέχεια ακολουθούν άλλες αντιδράσεις, όπως πχ διάνοιξης του δακτυλίου. Επιπλέον ένδειξη ότι πραγματοποιούνται αποκαρβοξυλιώσεις, αποτελεί και η υψηλή περιεκτικότητα σε νερό, σε ποσοστό περίπου 58% (πίνακας 6), του βιοελαίου που παράγεται από την ημικυτταρίνη δεδομένου ότι οι αντιδράσεις αυτές συνοδεύονται από αποβολή νερού. Η δομή της κυτταρίνης δεν φέρει ανάλογες ακέτυλο ομάδες που μπορούν να απομακρυνθούν, και επιπλέον η αποικοδόμησή της ξεκινά σε υψηλότερη θερμοκρασία, οπότε και εμφανίζει μειωμένη απόδοση σε CO 2. Για την ημικυτταρίνη, η παραγωγή του CO συνδέεται κυρίως με αποκαρβονυλιώσεις, πραγματοποιείται σε επόμενο στάδιο και ενδεχομένως είναι αποτέλεσμα των αντιδράσεων διάνοιξης των φουρανικών και πυρανικών δακτυλίων. Στην περίπτωση της κυτταρίνης, η έκλυση του CO είναι χαμηλή και συγκρίσιμη με αυτήν του CO 2, και δεν μπορεί να συνδεθεί απευθείας με το μόριο της γλυκόζης, καθώς αυτό δεν περιέχει καρβονυλικές ή καρβοξυλικές ομάδες. Είναι πιθανό λοιπόν, τα συγκεκριμένα αέρια να προέρχονται από δευτερεύουσες αντιδράσεις κατά την διάσπαση τμημάτων της μη κρυσταλλικής δομής της κυτταρίνης καθώς και μικρότερων αλυσίδων αποτελούμενων από μόρια γλυκοπυρανόζης ή γλυκοφουρανόζης (Shen et al., 2010). Η πυρόλυση της λιγνίνης συνοδεύεται από χαμηλότερη έκλυση αερίων σε σχέση με τα άλλα δύο βιοπολυμερή, με κύρια αέρια προϊόντα το CO 2, το CO και το CH 4, τα οποία προέρχονται από την αποικοδόμηση καρβοξυλικών, καρβονυλικών και αιθερικών ομάδων που υπάρχουν ως υποκαταστάτες στις πλευρικές ομάδες των φαινολικών δακτυλίων, καθώς επίσης και από την διάρρηξη των αρυλο αιθερικών 37

44 δεσμών. Η αυξημένη παραγωγή μεθανίου σε σχέση τα άλλα δυο βιοπολυμερή, αποδίδεται στην διάσπαση των πλευρικών ομάδων αλλά και των μεθόξυ ομάδων. Όσον αφορά στις βιομάζες, κατά την πυρόλυσή τους προκύπτουν αντίστοιχα προϊόντα με σχετικές αναλογίες που παρουσιάζονται στον πίνακα 7. Οι αναλογίες των προϊόντων κινούνται μεταξύ των ανώτατων και κατώτατων ορίων παραγωγής των αντίστοιχων προϊόντων από τα αρχικά βιοπολυμερή. Πίνακας 7: Η %κ.β. κατανομή των προϊόντων της πυρόλυσης ως προς την αρχική βιομάζα Δείγμα Αέριο προϊόν (%) Υγρό προϊόν (%) Στερεό προϊόν (%) Πεύκο 16,9 56,4 26,6 Αγριαγκινάρα 18,8 36,0 45,2 Ελαιοπυρήνας 16,6 57,4 26,1 Jatropha 16,4 48,5 35,1 Μίσκανθος 18,6 52,4 29,0 Ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν σημαντικά το αποτέλεσμα της πυρόλυσης είναι η τέφρα της βιομάζας, η οποία είναι συνήθως πλούσια σε αλκαλιμέταλλα δεδομένου ότι είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη των φυτών (Wilson et al., 2012). Ωστόσο, τα μέταλλα αυτά έχουν καταλυτική επίδραση στην πυρόλυση (Muller Hangedorn et al., 2007) προκαλώντας δευτερεύουσες αντιδράσεις μεταξύ των παραγόμενων αερίων και της βιομάζας, με τελικό αποτέλεσμα την μείωση της ποσότητας του βιοελαίου και την αύξηση του στερεού απανθρακώματος (Raveendran et al., 1995). Παράλληλα, οι επιπλέον αντιδράσεις διάσπασης που προκαλούνται έχουν ως συνέπεια την παραγωγή νερού (Fahmi et al., 2007), επηρεάζοντας έτσι αρνητικά την ποιότητα του παραγόμενου βιοελαίου και την δυνατότητα της χρήσης του ως καύσιμο. Τα πειραματικά αποτελέσματα συμφωνούν με τα παραπάνω, καθώς η πυρόλυση της αγριαγκινάρας, που έχει την υψηλότερη περιεκτικότητα σε τέφρα, οδήγησε στην μειωμένη παραγωγή βιοελαίου με αυξημένο ποσοστό απανθρακώματος σε σχέση τις υπόλοιπες βιομάζες, ενώ παράλληλά το βιοέλαιό της έχει την υψηλότερη περιεκτικότητα σε Η 2 Ο. Πρέπει να σημειωθεί πως το συγκεκριμένο βιοέλαιο εμφανίζει και την μικρότερη περιεκτικότητα σε οξυγόνο, όσον αφορά στο οργανικό του κομμάτι, γεγονός που μπορεί να οφείλεται τόσο στην αρχική μειωμένη περιεκτικότητα της βιομάζας σε οξυγόνο αλλά και στο καταλυτικό αποτέλεσμα της τέφρας. 38

45 Πίνακας 8: Ποσοστιαίες αποδόσεις των αέριων προϊόντων της πυρόλυσης των βιομαζών, %κβ ως προς την αρχική βιομάζα Δείγμα CO 2 (%) CO (%) H 2 (%) CH 4 (%) C 2 Η 6 (%) C 2 Η 4 (%) C 3 Η 8 (%) C 3 Η 6 (%) C 4 C 6 (%) Άλλα αέρια(%) Πεύκο 8,92 6,25 0,05 0,82 0,15 0,16 0,05 0,12 0,40 1,75 Αγριαγκινάρα 14,34 2,75 0,04 0,53 0,27 0,14 0,11 0,14 0,42 1,66 Ελαιοπυρήνας 10,93 3,33 0,03 0,79 0,31 0,28 0,12 0,21 0,58 2,32 Jatropha 11,73 2,98 0,04 0,67 0,25 0,14 0,11 0,13 0,35 1,69 Μίσκανθος 11,71 5,25 0,04 0,69 0,21 0,15 0,06 0,12 0,36 1,62 Πίνακας 9: Ανάλυση της σύστασης των παραγόμενων βιοελαίων Βιοέλαιο Δείγμα Η 2 Ο (%) C (%) H (%) O(%) Πεύκο 39,29 60,00 12,73 27,27 Αγριαγκινάρα 57,60 60,30 22,19 17,51 Ελαιοπυρήνας 33,39 64,19 14,81 20,99 Jatropha 44,52 62,17 14,54 23,28 Μίσκανθος 45,78 58,28 13,58 28, Ποιοτική αποτίμηση βιοελαίων προτύπων Η Κ Λ και του μίγματός τους Η υψηλή ευαισθησία και διακριτική ικανότητα του ToF MS είχε σαν αποτέλεσμα την λήψη χρωματογραφημάτων με περισσότερες από 200 κορυφές, αριθμός που αυξάνεται όταν πρόκειται για άγνωστο δείγμα βιοελαίου. Προφανώς δεν είναι δυνατή η απόκτηση πρότυπων ενώσεων για όλες αυτές τις ενώσεις, οπότε η αναγνώριση των κορυφών βασίστηκε αρχικά στην σύγκριση των φασμάτων μαζών τους με αυτά της βιβλιοθήκης NIST05 με τη βοήθεια του λογισμικού ChromaTof που ελέγχει την διάταξη. Με την βοήθεια της βιβλιοθήκης ήταν δυνατή και η απόδοση των κορυφών στα πρότυπα δείγματα στις αντίστοιχες ενώσεις για την καταγραφή του χρόνου συγκράτησης, που χρησιμοποιήθηκε ως επιπλέον κριτήριο για την αναγνώριση των συγκεκριμένων ενώσεων στα άγνωστα δείγματα. Κατά την επεξεργασία του χρωματογραφήματος τέθηκε ως κριτήριο S/N ίσο με 50, προκειμένου να μην γίνει επεξεργασία σε κορυφές που οφείλονται σε προσμίξεις ή σε ενώσεις με πολύ χαμηλή συγκέντρωση που δεν έχουν ιδιαίτερη διαγνωστική σημασία για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Επιπλέον, για την ταυτοποίηση των ενώσεων τέθηκε κριτήριο ομοιότητας με το φάσμα της βιβλιοθήκης η τιμή 700 (similarity value). Οι κορυφές που αναγνωρίστηκαν με τον τρόπο αυτό ελέγχθηκαν στη συνέχεια μια προς μία προκειμένου να επιβεβαιωθεί η ορθότητα της αναγνώρισης και η λογική ή όχι παρουσία τους στο δείγμα (ενώσεις πχ με 39

46 ολιγομελείς δακτυλίους ή οργανομεταλλικές που δεν έχουν ικανοποιητική σταθερότητα ή λογική εξήγηση παρουσίας στο δείγμα, απορρίπτονται από τον χειριστή παρόλο που έχουν αναγνωριστεί από το λογισμικό). Η συγκεκριμένη τιμή του κριτηρίου ομοιότητας επιλέχθηκε κατόπιν επισκόπησης μεγάλου αριθμού χρωματογραφημάτων άγνωστων δειγμάτων, τα οποία επεξεργάστηκαν σε μικρότερες και μεγαλύτερες τιμές του συγκεκριμένου κριτηρίου, ως καλός συμβιβασμός μεταξύ του αριθμού των κορυφών και την «ποιότητα» της αναγνώρισης. Μια χαμηλή τιμή του συγκεκριμένου δείκτη έχει ως αποτέλεσμα την αναγνώριση μεγάλου αριθμού κορυφών, πολλές από τις οποίες μπορεί να οφείλονται σε επιμολύνσεις του δείγματος, παρεμποδίσεις του υποστρώματος, bleeding της στήλης κτλ, που δεν έχουν καμία διαγνωστική σημασία για το δείγμα και αντίστοιχα μια υψηλή τιμή μπορεί να οδηγήσει σε μη αναγνώριση κορυφών που υπάρχουν μεν, αλλά το φάσμα τους λόγω χαμηλής συγκέντρωσης ή προσμίξεων με άλλες ενώσεις, δεν είναι αρκετά καθαρό. Όπως είναι γνωστό, ενώσεις με παρόμοια δομή, πχ που ανήκουν στην ίδια ομόλογη σειρά, και έχουν παρεμφερείς φυσικοχημικές ιδιότητες εκλούονται πολύ κοντά η μια στην άλλη. Το χρωματογράφημα που λαμβάνεται από τη διδιάστατη αέρια χρωματογραφία είναι ένα διάγραμμα ισοϋψών καμπυλών (contour plot) στο οποίο μπορούν να διακριθούν και να οριοθετηθούν οι περιοχές έκλουσης των δομικά συγγενών ενώσεων. Αυτό αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνικής, αφού το χρωματογράφημα που λαμβάνεται είναι ουσιαστικά ένας χάρτης του δείγματος από τον οποίο μπορεί εύκολα να διαπιστωθεί ποιοτικά η πληθώρα ή η απουσία συγκεκριμένης κατηγορίας ενώσεων από το κάθε δείγμα και κατ επέκταση επιτρέπει την σύγκριση μεταξύ διαφορετικών δειγμάτων παρατηρώντας την πυκνότητα των κορυφών σε κάθε περιοχή. Έτσι, μετά την ταυτοποίηση όλων των κορυφών στο κάθε χρωματογράφημα, ακολουθεί η κατηγοριοποίηση των ενώσεων και ορισμός των περιοχών έκλουσης για την κάθε κατηγορία. Η κατηγοριοποίηση μπορεί να γίνει είτε με την βοήθεια κατάλληλων αλγορίθμων, που αναπτύσσονται ξεχωριστά από τον κάθε χειριστή, είτε χειροκίνητα, ελέγχοντας την κάθε κορυφή. Στην παρούσα εργασία η κατηγοριοποίηση έγινε χειροκίνητα (Sfetsas et al., 2011) ελέγχοντας τις κορυφές, ιδιαίτερα στα όρια μεταξύ των περιοχών έκλουσης. Συγκεκριμένα, ορίστηκαν 6 περιοχές με σαφή όρια στον τρισδιάστατο 40

47 χρωματογραφικό χώρο, τα οποία και ορίζονται ως ζώνες έκλουσης ενώσεων συγκεκριμένης κατηγορίας: 1. Οξέα και Εστέρες 2. Αλδεΰδες και Κετόνες (συμπεριλαμβάνονται ομάδες φουρανίων, και κυκλικών κετονών) 3. Υδρογονάνθρακες (μη αρωματικές ενώσεις, αλκάνια, αλκένια, αλκύνια) 4. Βενζολικά παράγωγα (αρωματικές) 5. Φαινολικά παράγωγα (συμπεριλαμβάνονται παράγωγα γουαϊκόλης, συριγγόλης, ανισόλης και κατεχολών) 6. Πολυαρωματικές ενώσεις 7. Σάκχαρα 8. Μη κατηγοριοποιημένες ενώσεις 9. Μη αναγνωρισμένες ενώσεις Ως μη κατηγοριοποιημένες θεωρούνται οι ενώσεις που πληρούν τα κριτήρια αναγνώρισης, αλλά ανήκουν σε ιδιαίτερες ομάδες, π.χ. αμίνες ή αζωτούχες ενώσεις γενικά, που δεν βρίσκονται στο δείγμα σε ικανοποιητική ποσότητα ώστε να χρειάζεται να συνιστούν ξεχωριστή κατηγορία. Οι μη αναγνωρισμένες είναι ενώσεις που δεν πληρούν τα κριτήρια αναγνώρισης. Οι ενώσεις που εντάσσονται στις δύο τελευταίες κατηγορίες βρίσκονται συνήθως διάσπαρτες μέσα στο χρωματογράφημα γι αυτό και δεν τοποθετούνται σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Πρέπει να σημειωθεί πως ο σαφής διαχωρισμός των επιμέρους περιοχών έκλουσης υποομάδων ενώσεων που κατατάσσονται σε μια ευρύτερη ομάδα, πχ οι γουαϊακόλες ή οι συριγγόλες που εντάσσονται παράλληλα και στις φαινόλες, είναι εύκολος σε ένα πρότυπο διάλυμα όπου η απουσία παρεμποδίσεων από το υπόστρωμα και αλληλεπιδράσεων με άγνωστες ενώσεις διευκολύνει τον διαχωρισμό. Ωστόσο σε ένα πραγματικό δείγμα, και ειδικά ένα τόσο πολύπλοκο όπως το βιοέλαιο που περιέχει μερικές εκατοντάδες ενώσεις, ένας τόσο λεπτομερής ορισμός των περιοχών έκλουσης δεν είναι δυνατός γι αυτό και προτιμάται ο ορισμός των ευρύτερων περιοχών, πχ όλες οι φαινολικές ενώσεις περιλαμβάνονται σε μια περιοχή (εικόνες 15,16,17,18). 41

48 Εικόνα 15: Χρωματογράφημα πρότυπου μίγματος ενώσεων Εικόνα 16: Χρωματογράφημα βιο ελαίου από την πυρόλυση της ημικυτταρίνης Εικόνα 17: Χρωματογράφημα βιο ελαίου από την πυρόλυση της κυτταρίνης 42

49 Εικόνα 18: Χρωματογράφημα βιο ελαίου από την πυρόλυση της λιγνίνης Με βάση τα παραπάνω, παρατηρώντας τα χρωματογραφήματα αποτυπώνεται ο διαφορετικός τρόπος αποικοδόμησης του κάθε βιοπολυμερούς. Το άμεσο συμπέρασμα που προκύπτει από την κατανομή των κορυφών στις περιοχές των χρωματογραφημάτων είναι πως η ημικυτταρίνη και η κυτταρίνη παρουσιάζουν ως προϊόντα αποικοδόμησης οξέα και καρβονυλικά παράγωγα, ενώ το προϊόν της λιγνίνης είναι πλούσιο σε φαινολικά παράγωγα. Προκειμένου για την ποιοτική αποτίμηση των χρωματογραφημάτων, εφαρμόστηκε ημιποσοτική ανάλυση, δηλαδή θεωρήθηκε πως το σύνολο των κορυφών του χρωματογραφήματος αντιστοιχεί στο 100% του δείγματος, οπότε και στο ιστόγραμμα (εικόνα 19) παρουσιάζονται οι σχετικές περιεκτικότητες των ενώσεων σε κάθε δείγμα. Οι ομάδες στις οποίες κατηγοριοποιήθηκαν οι ενώσεις είναι αρωματικοί υδρογονάνθρακες(ar), αλειφατικοί υδρογονάνθρακες(ali), φαινολικές ενώσεις(ph), φουρανικές ενώσεις(fur), οξέα(ac), εστέρες(est), αλκοόλες(al), αιθέρες(eth), αλδεΰδες(ald), κετόνες(ket), πολυαρωματικοί υδρογονάνθρακες(pah), σάκχαρα(sug), αζωτούχες ενώσεις(nit), μεγάλου ΜΒ ενώσεις(hv) και μη αναγνωρισμένες ενώσεις(un). Πρέπει ωστόσο να τονιστεί πως αυτή η ημιποσοτική ανάλυση δεν ανταποκρίνεται στην πραγματική περιεκτικότητα των ενώσεων, καθώς το δείγμα περιλαμβάνει και άλλες ενώσεις, πχ ολιγομερή, οι οποίες δεν ανιχνεύονται με το GCxGC TOFMS. Τα αποτελέσματα της ποιοτικής ανάλυσης των βιοελαίων χρησιμοποιήθηκαν, σε συνδυασμό με βιβλιογραφικά δεδομένα, για την διευκρίνιση των αντιδράσεων αποικοδόμησης των βιοπολυμερών κατά την πυρόλυση. 43

50 Εικόνα 19: Σχετικές αναλογίες των ομάδων των ενώσεων που απαντώνται στα βιο έλαια Μηχανισμός θερμικής πυρόλυσης Ημικυτταρίνης Το μεγαλύτερο ποσοστό του βιοελαίου της ημικυτταρίνης φαίνεται πως αποτελείται από καρβονυλικές ενώσεις και οξέα, ενώ δεν ανιχνεύονται καθόλου σάκχαρα. Λαμβάνοντας υπ όψη την δομή της ημικυτταρίνης, θα ήταν λογικό αρχικά να προκύπτουν μονομερή ή ολιγομερή αποτελούμενα από πεντόζες οι οποίες θα μετατρέπονταν σε πυρανικές δομές μέσω αντιδράσεων αφυδάτωσης. Η απουσία ανάλογων ενώσεων από το βιοέλαιο που μελετήθηκε, είναι πιθανόν να οφείλεται στην υψηλή περιεκτικότητα σε τέφρα της ημικυτταρίνης που χρησιμοποιήθηκε. Κατά την σύγκριση του βιοελαίου που προκύπτει από την πυρόλυση ημικυτταρίνης χωρίς ανόργανα και με προσθήκη αλάτων αλκαλίων (NaCl ή KCl) κατά την πυρόλυση, έχει διαπιστωθεί πως στην δεύτερη περίπτωση αυξάνονται σημαντικά οι συγκεντρώσεις φουρανικών και καρβονυλικών ενώσεων, καθώς και οξέων ενώ δεν ανιχνεύονται σάκχαρα (Patwardhan et al., 2011). Στην περίπτωση αυτή η καταλυτική δράση των αλκαλίων δεν ευνοεί τις αντιδράσεις απλής αφυδάτωσης που θα οδηγούσαν στον σχηματισμό των σακχάρων, αλλά ευνοούνται αντιδράσεις ισομερίωσης, αφυδάτωσης, αφυδρογόνωσης και διάνοιξης του πυρανικού δακτυλίου της ξυλόζης, με αποτέλεσμα να προκύπτουν φουράνια, αλδεΰδες και κετόνες. Σημαντικό επίσης είναι και το ποσοστό των φαινολικών ενώσεων που προκύπτουν, πιθανώς εξαιτίας αντιδράσεων Diels Alder ή retro Diels Alder μεταξύ των φουρανικών παραγώγων και των αλδεϋδών, προς σχηματισμό αρωματικών και φαινολικών παραγώγων (εικόνα 20). 44

51 Εικόνα 20: Σχηματική απεικόνιση της πυρολυτικής διάσπασης της ημικυτταρίνης Μηχανισμός θερμικής πυρόλυσης Κυτταρίνης Στην περίπτωση της κυτταρίνης η αποικοδόμηση δίνει ως κύρια προϊόντα κάποιες καρβονυλικές και φουρανικές ενώσεις και κύριο προϊόν τη λεβογλυκοζάνη (levoglucosan). Στο χρωματογράφημα της κυτταρίνης είναι εμφανέστατη η πολύ ισχυρή κορυφή που αντιστοιχεί στην λεβογλυκοζάνη, ενώ σε σημαντικές ποσότητες παράγονται και αφυδατωμένα παράγωγα της γλυκόζης με δακτύλιο γλυκοφουρανόζης ή γλυκοπυρανόζης. Ενδεικτικά αναφέρεται πως σύμφωνα με την ημιποσοτική αποτίμηση του χρωματογραφήματος, θεωρώντας δηλαδή ότι το 100% του δείγματος αντιπροσωπεύεται από τις κορυφές του χρωματογραφήματος, η συγκέντρωση της λεβογλυκοζάνης αντιστοιχεί στο 54% του δείγματος, ενώ η 1,4:3,6 διάνυδρο d γλυκοπυρανόζη και η 1,6 άνυδρο d γαλακτοφουρανόζη καλύπτουν στο 4,1 και 3,2% αντιστοίχως. Κατά την ταχεία πυρόλυση της κυτταρίνης, ευνοείται σημαντικά ο σχηματισμός υγρών προϊόντων και ελαφρών αερίων, ενώ καταπιέζεται ο σχηματισμός απανθρακώματος, εξαιτίας του ότι δεν υπάρχει αρκετός χρόνος ώστε να αναδιοργανωθούν οι αλυσίδες της κυτταρίνης με σχηματισμό ισχυρών δεσμών μεταξύ των αλυσίδων αλλά και στο εσωτερικό αυτών, που θα οδηγούσαν τελικά στη δημιουργία απανθρακώματος. Στις υψηλές θερμοκρασίες της πυρόλυσης, η σχάση του γλυκοσιδικού δεσμού μεταξύ των μορίων της γλυκόζης ευνοείται κινητικά σε 45

52 σχέση με την σχάση δεσμών C C στον δακτύλιο της γλυκόζης, με αποτέλεσμα να ευνοείται ο σχηματισμός λεβογλυκοζάνης, και άλλων σακχαρικών παραγώγων, εις βάρος του σχηματισμού μικρότερου ΜΒ ενώσεων, πχ φουρανικά παράγωγα (Patwardhan et al., 2009). Έχουν προταθεί αρκετοί μηχανισμοί ώστε να εξηγηθεί ο σχηματισμός της λεβογλυκοζάνης, μεταξύ των οποίων πιο πιθανοί είναι είτε μέσω σχηματισμού ενός ενδιάμεσου κατιόντος, είτε μέσω σχηματισμού ελευθέρων ριζών. Στην πρώτη περίπτωση, (Ball et al.,1999; Sullivan&Ball, 2012), η σχάση των γλυκοσιδικών δεσμών συνοδεύεται από την δημιουργία ενός επαγωγικά σταθεροποιημένου γλυκοσιλικού κατιόντος. Απουσία υγρασίας, πραγματοποιείται εσωτερική κυκλοποίηση μεταξύ του Ο στον C 6 και του C 1 (εικόνα 21, προϊόν Α), προκειμένου να σταθεροποιηθεί η δομή του αφυδατωμένου σακχάρου. Η επόμενη σχάση του γλυκοσιδικού δεσμού οδηγεί σε απελευθέρωση της λεβογλυκοζάνης. Εάν όμως υπάρχει υγρασία στο σύστημα, τότε το Η 2 Ο αντιδρά με το γλυκοσιλικό Εικόνα 21: Σχηματισμός λεβογλυκοζάνης μέσω ενδιάμεσου κατιόντος (Ball et al., 1999) κατιόν προς σχηματισμό σακχάρου. Από αυτά τα αναγωγικά άκρα θεωρείται ότι ξεκινά ο σχηματισμός του απανθρακώματος. Οι αντιδράσεις αυτές θεωρείται ότι συνεχίζονται κατά μήκος της αλυσίδας της κυτταρίνης. Σύμφωνα με τους Shen&Gu (2009), ο σχηματισμός της λεβογλυκοζάνης πραγματοποιείται μέσω σχηματισμού ελευθέρων ριζών. Συγκεκριμένα, η σχάση του γλυκοσιδικού δεσμού συνοδεύεται από αντίδραση μεταξύ του ΟΗ στον C6 και του Ο του γλυκοσιδικού δεσμού. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζονται δύο ελεύθερες ρίζες (εικόνα 22), οι οποίες αντιδρούν μεταξύ τους προς τον τελικό σχηματισμό της λεβογλυκοζάνης. Η λεβογλυκοζάνη 46

53 είναι αρκετά σταθερή στις συνθήκες της πυρόλυσης ώστε να μην αποσυντίθεται προς άλλες ενώσεις, εκτός και αν υπάρχει διαθέσιμο Η 2 Ο στην οποία περίπτωση εφυδατώνεται και δίνει δευτερεύουσες αντιδράσεις αποικοδόμησης ως σάκχαρο. Κατά το μεγαλύτερο βαθμό όμως, η παρουσία ελαφρύτερων ενώσεων όπως οξέα, φουρανικά παράγωγα και άλλα καρβονυλικά παράγωγα (αλδεΰδες και κετόνες) στο βιοέλαιο της κυτταρίνης, οφείλεται σε δευτερεύουσες αντιδράσεις. Εικόνα 22: Σχηματισμός λεβογλυκοζάνης μέσω ελευθέρων ριζών (Shen&Gu, 2009) Οι δευτερεύουσες αντιδράσεις πραγματοποιούνται κυρίως στα ακραία αναγωγικά μόρια των αλυσίδων της κυτταρίνης, στα οποία η σχάση του δεσμού C 1 O C 5 απαιτεί λιγότερη ενέργεια σε σχέση με τον αντίστοιχο δεσμό σε ένα μόριο γλυκόζης όπου μετέχει παράλληλα σε γλυκοσιδικό δεσμό. Το αποτέλεσμα αυτής της σχάσης είναι η δημιουργία φουρανικών δακτυλίων, οι οποίοι σταθεροποιούνται λόγω αρωματικότητας, και μικρότερων ενώσεων όπως οξέα, πχ φορμικό και οξικό, καθώς και κυκλικών κετονών (Ball et al.,1999; Sullivan&Ball, 2012; Patwardhan et al., 2009; Mamleev et al., 2009) Μηχανισμός θερμικής πυρόλυσης Λιγνίνης Τα κύρια προϊόντα της πυρόλυσης της λιγνίνης (εικόνα 23) είναι φαινολικές ενώσεις και μεθόξυ βενζοϊκές ενώσεις. Η πυρολυτική διάσπαση της λιγνίνης πραγματοποιείται μέσω του μηχανισμού των ελευθέρων ριζών. Συγκεκριμένα, οι β Ο 4 και α Ο 4 αιθερικοί δεσμοί μεταξύ των φαινολικών μορίων είναι οι ενεργειακά ασθενέστεροι δεσμοί στο μακρομόριο της λιγνίνης, οπότε διαρρηγνύονται εύκολα προς σχηματισμό ελευθέρων ριζών. Τα προϊόντα που προκύπτουν είναι συνάρτηση της αρχικής δομής της λιγνίνης, εάν δηλαδή αποτελείται από κονιφέρυλ, συνάπυλ ή π κουμάρυλ φαινολικές δομές, αφού οι υποκαταστάτες στον φαινολικό δακτύλιο επηρεάζουν 47

54 ενεργειακά τον αιθερικό δεσμό και άρα την ταχύτητα σχηματισμού και το είδος των αντίστοιχων ριζών (Britt et al., 2000; Kawamoto et al., 2008). Για παράδειγμα, οι μεθόξυ υποκαταστάτες των αρωματικών δακτυλίων, ιδιαίτερα όταν βρίσκονται σε ο ή π θέση ως προς των αιθερικό δεσμό, μειώνουν την ενέργειά του με αποτέλεσμα να διασπάται ακόμη ευκολότερα (Britt et al., 2000; Jiang et al. 2010). Οι ελεύθερες ρίζες που σχηματίζονται είναι αλκυλο ή αλκόξυ υποκατεστημένες ύδροξυφαίνυλο αρωματικές ενώσεις, από τις οποίες προκύπτουν οι υπόλοιπες φαινολικές και αρωματικές ενώσεις που ανιχνεύονται στο βιοέλαιο της λιγνίνης. Εικόνα 23: Προτεινόμενος μηχανισμός πυρόλυσης της λιγνίνης (Britt et al., 2000) Στην περίπτωση της πρότυπης λιγνίνης που μελετήσαμε, η διάρρηξη των άλκυλ άρυλ αιθερικών δεσμών οδηγεί σε ο μεθοξυφαινοξυ ρίζες οι οποίες μπορούν εύκολα να προσλάβουν ένα Η και να σχηματίσουν γουαϊακόλη, ή υποκατεστημένα παράγωγα αυτής, τα οποία και αποτελούν το σημαντικότερο ποσοστό των παραγόμενων ενώσεων. Η γουαϊακόλη υφίσταται επιπλέον διάσπαση προς σχηματισμό κατεχολών, οι οποίες όμως προκύπτουν και απευθείας από τις ο υδρόξυφαινόξυ ρίζες. Η δεύτερη οδός που ακολουθούν οι ο μεθοξυφαινοξυ ρίζες 48

55 αφορά στην πρόσληψη του Η της μέθοξυ ομάδας από το Ο που φέρει τη ρίζα για να σχηματιστεί τελικά η ο υδροξυφαινοξυμέθυλ ρίζα, από την οποία προκύπτει η σαλίκυλαλδεΰδη. Η τελευταία παρουσία κετονών αντιδρά εύκολα προς σχηματισμό βενζοφουρανίων τα οποία ανιχνεύτηκαν τόσο στο βιοέλαιο της πρότυπης λιγνίνης, όσο και σε αυτά των βιομαζών (Britt et al., 2000). Τα αέρια προϊόντα που προκύπτουν κατά την πυρόλυση της λιγνίνης καθώς και οι μικρότερου ΜΒ ενώσεις, οφείλονται στην διάσπαση των πλευρικών αλυσίδων από τον φαινολικό δακτύλιο, καθώς δεν υπάρχουν ενδείξεις ότι μπορεί να πραγματοποιείται σε οποιοδήποτε στάδιο, διάνοιξη του αρωματικού δακτυλίου. 3.4 Ποσοτική αποτίμηση με την μέθοδο του εσωτερικού προτύπου Η ποσοτική αποτίμηση στη διδιάστατη χρωματογραφία είναι περισσότερο χρονοβόρα διαδικασία σε σχέση με την αντίστοιχη για την κοινή χρωματογραφία. Εξαιτίας του διαμορφωτή και του χρόνου για τον οποίο γίνεται «προσυγκέντρωση» των ενώσεων πριν περάσουν στη δεύτερη στήλη, η κορυφή της κάθε ένωσης δεν είναι μοναδιαία, αλλά διαχωρίζεται σε περισσότερες από μία κορυφές η ολοκλήρωση και το άθροισμα των οποίων συνήθως πρέπει να γίνει από τον χειριστή προκειμένου να προσδιορισθεί το συνολικό εμβαδό της κορυφής που αντιστοιχεί στην κάθε συγκέντρωση της ένωσης. Επιπλέον, παρόλο που η φασματοσκοπία μαζών είναι η καταλληλότερη ίσως μέθοδος ποιοτικής αποτίμησης ενός δείγματος, ωστόσο παρουσιάζει δυσκολίες όταν χρησιμοποιείται για ποσοτικές μετρήσεις εξαιτίας της διαφορετικής απόκρισης/ιονισμού της κάθε ένωσης, ανάλογα με την δομή και τους υποκαταστάτες της, της μικρής περιοχής γραμμικής απόκρισης που παρουσιάζει ως ανιχνευτής αλλά και τις μεταβολές στην απόκριση του ίδιου του ανιχνευτή από μέρα σε μέρα. Από την άλλη πλευρά, οι ενώσεις που περιέχονται στα βιοέλαια ανέρχονται σε μερικές εκατοντάδες και φυσικά οι σχετικές συγκεντρώσεις τους καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος τιμών. Για την ποσοτική αποτίμηση των περιεχόμενων ενώσεων στα βιοέλαια, ακολουθήθηκε η μέθοδος του εσωτερικού προτύπου χρησιμοποιώντας πρότυπο διάλυμα σε ακετόνη, αποτελούμενο από 39 ενώσεις, οι οποίες ανήκουν σε διαφορετικές ομάδες και επιλέχθηκαν με βάση την συχνότητα ανίχνευσής τους στα βιοέλαια λαμβάνοντας υπόψη τόσο τη βιβλιογραφία όσο και προηγούμενες 49

56 αναλύσεις στο ΕΠΚΥ. Συγκεκριμένα το πρότυπο διάλυμα αποτελείται από 11 αρωματικούς υδρογονάνθρακες, 5 πολυαρωματικούς υδρογονάνθρακες, 1 αλειφατικό υδρογονάνθρακα (δεν ανιχνεύονται συχνά στα βιοέλαια), 4 φουρανικές ενώσεις, 4 καρβονυλικές ενώσεις (κυκλοπεντανόνες και αρωματικές αλδεΰδες), 12 φαινολικές ενώσεις, και 2 ανισόλες που κατατάσσονται στους αιθέρες. Αρχικά προστέθηκε στο πρότυπο διάλυμα και οξικό οξύ, το οποίο συνήθως ανιχνεύεται στα βιοέλαια ως προϊόν της πυρόλυσης της ημικυτταρίνης και της κυτταρίνης. Ωστόσο, με τον συνδυασμό στηλών που χρησιμοποιήθηκε, το οξικό οξύ εκλούεται αρκετά νωρίς ώστε τμήμα του να εκλούεται σχεδόν μαζί με τον διαλύτη, για το χρονικό διάστημα που το filament είναι κλειστό ώστε να προστατευτεί ο ανιχνευτής μαζών. Έτσι, παρόλο που η ποιοτική του ανίχνευση ήταν δυνατή, ο ποσοτικός του προσδιορισμός υπέφερε από κακή επαναληψιμότητα και γραμμικότητα, ιδιαίτερα στο εύρος των συγκεντρώσεων που αναμένεται να βρίσκεται στο βιοέλαιο. Ωστόσο, επειδή ο προσδιορισμός του είναι σημαντικός, πραγματοποιήθηκε σε ξεχωριστή ανάλυση με την χάραξη εξωτερικής καμπύλης αναφοράς σε GC FID με την χρήση πολικής στήλης. Έγινε επίσης προσπάθεια ποσοτικού προσδιορισμού της λεβογλυκοζάνης, το κύριο προϊόν πυρόλυσης της κυτταρίνης. Ωστόσο, η λεβογλυκοζάνη, αλλά και τα υπόλοιπα σάκχαρα και παράγωγά τους, απαιτούν παραγωγοποίηση προκειμένου αφενός να διαχωριστούν στην αέρια χρωματογραφία και αφετέρου να έχουν ισχυρή απόκριση στον ανιχνευτή μαζών. Σε ένα μίγμα όπως το βιοέλαιο, η παραγωγοποίηση θα οδηγήσει σε μεγάλο αριθμό παραγώγων χωρίς απαραίτητα να διευκολύνεται η ανίχνευση των επιθυμητών ενώσεων. Η λεβογλυκοζάνη είχε προστεθεί στο αρχικό μίγμα των πρότυπων ενώσεων, αλλά λόγω της μειωμένης διαλυτότητάς της στην ακετόνη, χρησιμοποιήθηκε σε πολύ μικρή συγκέντρωση και επιπλέον δεν πραγματοποιήθηκε παραγωγοποίηση αυτής, οπότε τελικά δεν ήταν δυνατό να ποσοτικοποιηθεί. Συνήθως για την ποσοτικοποίηση των σακχάρων προτιμάται η υγρή χρωματογραφία και συχνότερα η ιοντική χρωματογραφία. Η έντονη κορυφή της λεβογλυκοζάνης που εμφανίζεται στο χρωματογράφημα της πυρολυμένης κυτταρίνης οφείλεται στην εξαιρετικά υψηλή συγκέντρωσή της στο δείγμα. Τέλος, έγινε προσπάθεια ποσοτικοποίησης και της 5 υδρόξυ μέθυλοφουρφουράλης, η οποία αποτελεί επίσης σημαντικό προϊόν πυρόλυσης της κυτταρίνης και της 50

57 ημικυτταρίνης, ωστόσο η συγκεκριμένη ένωση παρουσιάζει πολύ χαμηλή απόκριση στο ToF MS με αποτέλεσμα το εμβαδό των κορυφών της να μην είναι επαναλήψιμο, οπότε η ποσοτικοποίηση της εγκαταλείφθηκε. Η χρήση εξωτερικού προτύπου σε ένα δείγμα όπως τα βιοέλαια είναι χρονοβόρα μέθοδος που δεν επιτρέπει την ταυτόχρονη ποσοτικοποίηση της πλειονότητας των περιεχόμενων ενώσεων με ικανοποιητική ακρίβεια, καθώς δεν είναι δυνατόν να χαραχθούν καμπύλες αναφοράς για το κάθε συστατικό και επιπλέον οι καμπύλες αναφοράς απαιτούν τακτική επαλήθευση, γεγονός που μεταφράζεται σε μεγάλο αριθμό αναλύσεων. Αντίθετα, με την χρήση του εσωτερικού προτύπου εξομαλύνονται τα προβλήματα επαναληψιμότητας λόγω διαφορών στην απόκριση του ανιχνευτή μαζών και παράλληλα διευκολύνεται η ποσοτικοποίηση των περισσότερων ενώσεων μέσω του πρωθύστερου υπολογισμού του πειραματικού παράγοντα απόκρισης (relative response factor RRF) για την κάθε ένωση. Ο RRF είναι ο λόγος που συνδέει την απόκριση του εσωτερικού προτύπου και της κάθε ένωσης με τις αντίστοιχες συγκεντρώσεις και δίνεται από τη σχέση RRF C = A IS IS Ai C i όπου C IS και C i η συγκέντρωση του εσωτερικού προτύπου και της ένωσης αντίστοιχα και A IS και A i το εμβαδό της κορυφής του εσωτερικού προτύπου και της ένωσης αντίστοιχα. Δεδομένου ότι όλες οι ενώσεις δεν ιονίζονται/ανιχνεύονται με τον ίδιο τρόπο, είναι λογικό ή τιμή του RRF να εξαρτάται από τις φυσικοχημικές ιδιότητες και την αναλυτική συμπεριφορά της κάθε ένωσης, σε συνάρτηση με αυτές του εσωτερικού προτύπου, οπότε είναι διαφορετική για την κάθε μια. Για τον λόγο αυτό ένα από τα κριτήρια για την επιλογή του εσωτερικού προτύπου είναι η χημική του συγγένεια με τις προσδιοριζόμενες ενώσεις. Επιπλέον, εφόσον η τιμή του είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης του κάθε συστατικού είναι απαραίτητο είτε να οριστεί η περιοχή συγκεντρώσεων του αναλύτη για την οποία η τιμή του RRF είναι σταθερή, είτε να προσδιοριστεί η γραμμική εξίσωση που συνδέει την τιμή του RRF με την συγκέντρωση του αναλύτη. Για τον σκοπό αυτό είναι απαραίτητη η ανάλυση πρότυπων δειγμάτων σε ένα εύρος συγκεντρώσεων, που να περιέχουν σταθερή ποσότητα εσωτερικού προτύπου (Cuadros Rodriguez et al., 2007). 51

58 Η τιμή του RRF αποτελεί ουσιαστικά μέτρο της απόκρισης μια ένωσης σε ένα συγκεκριμένο ανιχνευτή. Γνωρίζοντας την τιμή του RRF για μια ένωση, ο ποσοτικός της προσδιορισμός διευκολύνεται σημαντικά. Ωστόσο, δεν είναι όλες οι ενώσεις άμεσα διαθέσιμες εμπορικά, αλλά και ο προσδιορισμός του RRF για κάθε ένωση απαιτεί σημαντικό πειραματικό χρόνο, συνεπώς ο θεωρητικός υπολογισμός του RRF είναι ήσσονος σημασίας. Για ανιχνευτές όπως ο FID (Kallai et al., 2001), o TCD (Jalali Heravi et al., 2000) και o ECD (Jalali Heravi et al., 2004) έχουν αναπτυχθεί θεωρητικά μοντέλα που επιτρέπουν τον υπολογισμό του RRF άγνωστων ενώσεων με βάση την δομή τους, τον αριθμό των ατόμων C και τους υποκαταστάτες στο μόριο τους, με ικανοποιητική ακρίβεια. Στην περίπτωση όμως που ως ανιχνευτής χρησιμοποιείται ο φασματογράφος μαζών, ο θεωρητικός υπολογισμός των τιμών του RRF είναι περισσότερο πολύπλοκος καθώς πρέπει συνυπολογιστεί μεταξύ άλλων και το ποσοστό ιονισμού της ένωσης στην πηγή (Lundgren et al., 2004). Πρόσφατα αναπτύχθηκε ένα λογισμικό, το CODESSA, βάσει του οποίου έγινε προσπάθεια υπολογισμού των τιμών RRF για αέριες οξυγονούχες ενώσεις. Οι υπολογιζόμενες τιμές για κάποιες ενώσεις παρουσιάζουν μεγάλο εύρος αποκλίσεων από την πειραματική τιμή, μεταξύ 0 και 55,5%. Το μοντέλο δεν λαμβάνει υπ όψη την επίδραση του διαλύτη στην απόκριση των ενώσεων και απαιτεί πειραματικά δεδομένα προκειμένου να εφαρμοστεί (Arha et al., 2011). Συνεπώς, ο πειραματικός προσδιορισμός των τιμών του RRF όταν ως ανιχνευτής χρησιμοποιείται MS, παραμένει η ασφαλέστερη λύση για αξιόπιστες ποσοτικές μετρήσεις. Ως εσωτερικό πρότυπο (IS) στην παρούσα εργασία για την ποσοτική ανάλυση των βιοελαίων επιλέχθηκε η πλήρως δευτεριoμένη φαινόλη θεωρώντας βέβαιη την απουσία της από τα πραγματικά δείγματα και λαμβάνοντας υπόψη το σημαντικό ποσοστό φαινολικών και αρωματικών ενώσεων που ανιχνεύονται στα βιοέλαια. Η συγκέντρωση του IS διατηρήθηκε σταθερή (περίπου 50μg/g), τόσο στα πρότυπα όσο και στα δείγματα, προκειμένου να αποκλειστεί ως παράγοντας επηρεασμού των υπολογιζόμενων τιμών RRF (Araujo et al., 2006). Τα χρωματογραφήματα λήφθησαν σε TIC (Total Ion Count), σε εύρος μαζών 45 έως 450amu. Ωστόσο, για τον υπολογισμό του εμβαδού της χρωματογραφικής κορυφής για την κάθε ένωση, τόσο στο πρότυπο διάλυμα όσο και στα άγνωστα δείγματα, χρησιμοποιήθηκε το κύριο ιόν για το φάσμα μαζών της κάθε ένωσης (UIC, 52

59 Unique Ion Count), το οποίο δεν ταυτιζόταν απαραίτητα με το μοριακό ιόν. Για τις ενώσεις που παρουσίασαν μειωμένη απόκριση, όπως πχ για την βανιλλίνη, χρησιμοποιήθηκαν 2 διαγνωστικά ιόντα. Αρχικά παρασκευάστηκε ένα μητρικό διάλυμα με ζύγιση των επιλεγμένων ενώσεων έτσι ώστε να προκύψει διάλυμα με μέση συγκέντρωση στην κάθε ένωση περίπου 3mg/g και από αυτό προέκυψαν τα πρότυπα διαλύματα με διαδοχικές αραιώσεις. Το εύρος των συγκεντρώσεων που μελετήθηκε ήταν από ~10 έως ~200μg/g, έτσι ώστε να οριστούν οι περιοχές γραμμικότητας και να καλυφθεί κατά το δυνατόν το εύρος των διαφορετικών συγκεντρώσεων που απαντώνται στα βιοέλαια. Αρχικά η μελέτη επικεντρώθηκε στην χαμηλή περιοχή συγκεντρώσεων από ~10 έως ~60 μg/g, με την ανάλυση πρότυπων διαλυμάτων σε 5 επίπεδα με σταθερή την συγκέντρωση του εσωτερικού προτύπου. Τα πρότυπα μίγματα μετρήθηκαν στην αρχή και στο τέλος της ανάλυσης των δειγμάτων, ενώ καθημερινά πραγματοποιούνταν και η ανάλυση ενός ή δύο προτύπων, προκειμένου να συνυπολογιστεί η διακύμανση στην απόκριση του ανιχνευτή (Cuadros Rodriguez et al., 2001). Συνολικά, για το κάθε πρότυπο διάλυμα λήφθησαν τουλάχιστον 4 μετρήσεις. Η τιμή του RRF υπολογίστηκε για την κάθε μέτρηση σε όλα τα επίπεδα συγκεντρώσεων και στο σύνολο των τιμών αυτών εφαρμόστηκε η στατιστική μέθοδος one way ANOVA σε στάθμη εμπιστοσύνης 95%, προκειμένου να διαπιστωθεί εάν η διακύμανση μεταξύ των υπολογιζόμενων τιμών ήταν σημαντική για το επιλεγμένο εύρος συγκεντρώσεων. Η μηδενική μας υπόθεση είναι ότι δεν υπάρχει σημαντική διαφορά μεταξύ των υπολογισμένων τιμών RRF για την κάθε συγκέντρωση. Προκειμένου να ισχύει αυτό, εφαρμόζεται ένα F test κατά το οποίο θα πρέπει η υπολογιζόμενη τιμή F να είναι μικρότερη από την τιμή F crit, όπως αυτή ισχύει για τους βαθμούς ελευθερίας του συστήματός μας. Η υπολογιζόμενη τιμή F προκύπτει από τον λόγο του τετραγώνου του αθροίσματος της διακύμανσης μεταξύ των ομάδων προς το τετράγωνο του αθροίσματος της διακύμανσης μέσα στις ομάδες. (Miller&Miller eds, 2005; Neter,Wasserman&Kutner eds, 1985). Για τις περισσότερες μη οξυγονούχες ενώσεις, ισχύει F<F crit, οπότε η μηδενική μας υπόθεση ήταν σωστή. Αυτό σημαίνει πως για το συγκεκριμένο εύρος συγκεντρώσεων, η τιμή του RRF είναι σταθερή και ανεξάρτητη από την 53

60 συγκέντρωση της ένωσης. Κατά συνέπεια για τις ενώσεις αυτές, η τιμή του RRF που χρησιμοποιήθηκε για τους ποσοτικούς προσδιορισμούς ήταν ο μέσος όρος των υπολογιζόμενων τιμών. Στις οξυγονούχες ενώσεις ωστόσο ήταν F>F crit, οπότε η μηδενική μας υπόθεση απορρίπτεται. Δηλαδή, για το συγκεκριμένο εύρος συγκεντρώσεων η τιμή του RRF δεν είναι σταθερή και ανεξάρτητη της συγκέντρωσης, αλλά ορίζεται από την εξίσωση που περιγράφει την γραμμική εξάρτηση C i /C IS vs. A i /A IS, C i και C IS η συγκέντρωση της εκάστοτε ένωσης και του εσωτερικού προτύπου και A i και A IS τα εμβαδά των αντίστοιχων κορυφών. Για τον προσδιορισμό αυτής της εξίσωσης εφαρμόζεται είτε απλή γραμμική παλινδρόμηση (LSLR), είτε η ζυγισμένη παλινδρόμηση (WLSLR). Συνήθως εφαρμόζεται η LSLR καθώς είναι ταχύτερη και έχει απλούστερους υπολογισμούς. Ωστόσο εφαρμόζεται υπό ορισμένες παραδοχές με σημαντικότερη αυτή που προϋποθέτει ομοσκεδαστικότητα (homoscedasticity) των τιμών, δηλαδή θεωρεί ότι η διακύμανση των τιμών στον άξονα y είναι σταθερή για όλες τις τιμές των συγκεντρώσεων. Κάτι τέτοιο πολύ σπάνια ισχύει για πραγματικά πειραματικά αποτελέσματα χρωματογραφικών προσδιορισμών. Το κριτήριο της ομοσκεδαστικότητας επιβεβαιώνεται ή απορρίπτεται εφαρμόζοντας ένα F test, βάση της σχέσης s F exp = s όπου s 2 1 και s 2 2 είναι οι διακυμάνσεις της τιμής y για το χαμηλότερο και υψηλότερο επίπεδο της τιμής x, δηλαδή της συγκέντρωσης. Η υπολογιζόμενη τιμή συγκρίνεται με την αντίστοιχη από τους πίνακες για τους βαθμούς ελευθερίας του συστήματος και για επίπεδο εμπιστοσύνης 95% (Almeida et al., 2002). Σε κάθε περίπτωση η υπολογιζόμενη τιμή ήταν υψηλότερη από την θεωρητική, κατά συνέπεια τα δεδομένα μας είναι ετεροσκεδαστικά, κάτι αναμενόμενο για χρωματογραφικά δεδομένα. Στις περιπτώσεις αυτές βρίσκει εφαρμογή η WLSLR για να προσδιοριστεί η εξίσωση που περιγράφει την γραμμική εξάρτηση του RRF από την συγκέντρωση της ένωσης, σε ένα συγκεκριμένο εύρος. Εδώ λαμβάνεται υπόψη η διακύμανση των τιμών των πειραματικών σημείων, με την εισαγωγή του συντελεστή βαρύτητας w i 54

61 στον υπολογισμό των συντελεστών της γραμμικής εξίσωσης (Miller&Miller eds., 2005). Ο συντελεστής βαρύτητας υπολογίστηκε από την σχέση 2 ( s yi ) ( s ) wi = 2 yi n όπου s yi η τυπική απόκλιση της τιμής y, δηλαδή του λόγου A i /A IS. Η εξίσωση που περιγράφει τη γραμμική εξάρτηση μεταξύ C i /C IS vs. A i /A IS, δίνεται από την σχέση την σχέση όπου ο συντελεστής b αντιστοιχεί στην τιμή του RRF και περιγράφεται από και όπου τα y w και x w αντιστοιχούν στο κεντροειδές σημείο της ευθείας και υπολογίζονται αντίστοιχα από τις σχέσεις και Σύνηθες μέτρο έκφρασης της γραμμικότητας μιας ευθείας είναι η τιμή του r 2, η οποία ωστόσο μπορεί να οδηγήσει σε λάθος συμπεράσματα σχετικά με την πραγματική γραμμικότητα των σημείων, ειδικά όταν εφαρμόζεται για μεγάλο εύρος συγκεντρώσεων. Η γραμμικότητα των καμπυλών αναφοράς στην επιλεγμένη περιοχή συγκεντρώσεων επιβεβαιώθηκε από την τυχαία κατανομή των σημείων στα διαγράμματα των υπολοίπων (residuals plots) αλλά και από την εφαρμογή του κριτηρίου γραμμικότητας (Miller&Miller eds., 2005; Mansilha et al., 2010) s F = lin Η τιμή του r 2 λαμβάνεται υπόψη εφόσον τα παραπάνω στατιστικά κριτήρια επιβεβαιώσουν την γραμμικότητα σε δεδομένη περιοχή συγκεντρώσεων. Στην παρούσα εργασία, από την στατιστική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων με τις παραπάνω μεθόδους προέκυψε ότι η βασική περιοχή γραμμικότητας για τις περισσότερες οξυγονούχες ενώσεις ήταν από τα 10 έως τα 60 μg/g και οι αντίστοιχες τιμές r 2 κυμάνθηκαν μεταξύ 0,9997 και 0,9721. Για τις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις δεν έγινε προσπάθεια υπολογισμού των αντίστοιχων εξισώσεων, 2 y / x 2 sr 55

62 καθώς οι αραιώσεις των δειγμάτων ήταν τέτοιες ώστε οι προσδιοριζόμενες ενώσεις να βρίσκονται εντός των συγκεκριμένων ορίων συγκέντρωσης. Στην περίπτωση που κάποιες ενώσεις βρισκόταν σε μεγαλύτερη συγκέντρωση ο ποσοτικός προσδιορισμός τους έγινε λαμβάνοντας υπ όψη τις τιμές RRF της αμέσως μικρότερης και μεγαλύτερης συγκέντρωσης, θεωρώντας γραμμικότητα σε μια τόσο στενή περιοχή. Στον πίνακα 10 παρουσιάζονται οι πρότυπες ενώσεις μαζί με τις υπολογισμένες τιμές του RRF βάση των στατιστικών μεθόδων που προαναφέρθηκαν Πίνακας 10: Τιμές RRF για την κάθε πρότυπη ένωση, στην περιοχή συγκεντρώσεων 10 60μg/g Ένωση Ιόντα RRF_ RRF_ παλινδρόμηση ποσοτικοποίησης anova b sb a sa Benzene 78 15,6286 Toluene 91 11,6723 Cyclopentanone 55 3,4586 0,0729 0,1391 0,0447 Furfural (2 Furaldehyde) 95 1,2818 0,0381 0,1103 0, Cyclopenten 1 one 82 0,9477 0,0453 0,1051 0,0389 p Xylene 91 8, furyl methyl ketone (Ethanone, 1 (2 furanyl) ) 95 1,7614 0,0512 0,1077 0,0458 Anisole (Benzene, methoxy ) 108 2,6363 2(5H) Furanone ,4858 0,1406 0,1827 0,1016 Benzene, propyl 91 10, ethyl toluene (Benzene, 1 ethyl 3 methyl ) 105 6, Cyclopenten 1 one, 3 methyl ,7756 0,0564 0,0618 0,0456 Phenol 94 1,1631 0,0138 0,0024 0,0118 2(5H) Furanone, 3 methyl ,3646 0,0559 0,1646 0,0404 Benzene, 1,2,4 trimethyl 105 5, methyl anisole (Benzene, 1 methoxy 3 methyl ) 122 1,9486 Benzene, 1,3 diethyl 105 3,5346 Benzene, butyl 91 4,7503 Phenol, 3 methyl 107 0,6380 0,0230 0,0188 0,0135 Guaiacol (Phenol, 2 methoxy ) 109 0,4999 0,0148 0,0197 0,0109 Phenol, 2,6 dimethyl 107 0,8264 0,0231 0,0029 0,0122 Phenol, 2,5 dimethyl 107 0,6898 0,0146 0,0101 0,0106 Benzene, pentyl 91 4,5449 Phenol, 3 ethyl 107 0,8509 0,0084 0,0263 0,0057 Pyrocatechol (1,2 Benzenediol) ,2630 0,0282 0,0305 0,0149 Naphthalene 128 5,4587 Benzene, 1,3,5 triethyl 133 1, methoxy catechol (1,2 Benzenediol, 3 methoxy ) ,2515 0,0022 0,0242 0,

63 4 ethyl guaiacol (Phenol, 4 ethyl 2 methoxy ) 137 0,5098 0,0022 0,0235 0,0015 Phenol, p tert butyl 135 0,5793 0,0107 0,0014 0,0087 Naphthalene, 2 methyl 142 1,7384 Syringol (Phenol, 2,6 dimethoxy ) 154 0,1662 0,0024 0,0088 0,0012 Eugenol 164 0,0976 0,0011 0,0025 0,0007 Tetradecane 57 1,4517 Vanillin ,1878 0,0188 0,0148 0,0122 Naphthalene, 1,4 dimethyl 141 1,6190 Fluorene 165 1,4450 Syrigaldehyde (Benzaldehyde, 4 hydroxy 3,5 dimethoxy ) Phenanthrene 178 1, ,0917 0,0023 0,0141 0,0020 Η επαναληψιμότητα των RRF ελέγχθηκε για διάστημα 2μηνών και βρέθηκε πως είχε διακύμανση μικρότερη του 20% ανά επίπεδο συγκέντρωσης, για σχεδόν όλες τις ενώσεις. Η διακύμανση αυτή κρίνεται ικανοποιητική και το σύστημα αξιολογείται ως αρκούντως σταθερό, συγκρινόμενο με αντίστοιχη αναφορά σύμφωνα με την οποία η διακύμανση των RRF για απλό ΜS υπερέβαινε το 30% (Cicchetti et al.,2008). Η εξαγωγή μίας μέσης τιμής RRF για την κάθε ομάδα ενώσεων, θα ήταν πολύ πρακτική για την ταχεία ποσοτικοποίηση των βιοελαίων. Ωστόσο κάτι τέτοιο δεν είναι δυνατό καθώς, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η παρουσία υποκαταστατών επηρεάζει σημαντικά τον ιονισμό και τελικά την σχετική απόκριση της κάθε ένωσης. Η ακρίβεια (accuracy) της μεθόδου ελέγχθηκε σε 3 επίπεδα συγκεντρώσεων, εκ των οποίων τα δύο ήταν η ανώτατη και η κατώτατη συγκέντρωση του εύρους των συγκεντρώσεων και το τρίτο ήταν ένα νέο πρότυπο διάλυμα με ενδιάμεση συγκέντρωση. Η προσδιοριζόμενη ακρίβεια είναι μεταξύ ημερών (inter day precision) και 16,56 και 7,38% για όλες τις ενώσεις, με την καλύτερη ακρίβεια να παρουσιάζεται στις χαμηλότερες συγκεντρώσεις (Mansilha et al., 2010; Miller&Miller eds, 2005) Εφαρμογή της μεθόδου του εσωτερικού προτύπου στην ποσοτική αποτίμηση βιοελαίων των πρότυπων βιοπολυμερών Η μέθοδος που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε για την ποσοτική ανάλυση των βιοελαίων της Η, της Κ και της Λ. Για την ποσοτικοποίηση ενώσεων που δεν υπήρχαν στο πρότυπο μίγμα, χρησιμοποιήθηκαν οι τιμές RRF δομικά συγγενών 57

64 ενώσεων. Πρέπει να σημειωθεί πως η συγκέντρωση του οξικού οξέως στους πίνακες προσδιορίστηκε με την χρήση GC FID εφαρμόζοντας εξωτερικό πρότυπο (Sfetsas et al., 2011). Τα συνολικά αποτελέσματα της ποσοτικοποίησης παρουσιάζονται στους πίνακες 11 έως 13 Πίνακας 11: Ποσοτική αποτίμηση του βιοελαίου της ημικυτταρίνης συνολικά, σε ομάδες ενώσεων και κατά ένωση (παρουσιάζονται οι 20 πρώτες) Ημικυτταρίνη Όνομα ένωσης Συγκέντρωση στο βιοέλαιο (mg/g) % w/w Ομάδα Συνολικό %w/w Acetic acid 27,19 2,719 2 Cyclopenten 1 one, 2 methyl 4,88 0,488 AR 0,022 Furfural 3,69 0,369 ALI 0,630 2 Furanethanol, α methoxy (S) 3,02 0,302 PH 1,109 1 Hydroxy 2 butanone 2,81 0,281 FUR 0,330 2 Cyclopenten 1 one, 2,3 dimethyl 2,41 0,241 AC 2,719 Cyclopentane 2,33 0,233 EST 0,000 1,2 Benzenediol, 3 methyl 1,94 0,194 AL 0,000 1,2 Benzenediol 1,91 0,191 ETH 0,000 Neopentane 1,89 0,189 ALD 0,393 2 Cyclopenten 1 one 1,76 0,176 KET 2,470 2 Butanone 1,63 0,163 PAH 0,004 4 Hexen 3 one, 4,5 dimethyl 1,32 0,132 Phenol, 4 methyl 1,08 0,108 Phenol 0,94 0,094 Phenol, 3 methyl 0,89 0,089 2 Cyclopenten 1 one, 2 hydroxy 3 methyl 0,79 0,079 2 Cyclopenten 1 one, 3,4 dimethyl 0,76 0,076 2 Cyclopenten 1 one, 3 methyl 0,76 0,076 1,4 Benzenediol, 2 methyl 0,73 0,073 Phenol, 2,5 dimethyl 0,60 0,060 Άθροισμα συγκεντρώσεων των 20 ενώσεων με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση Συνολικό προσδιοριζόμενο ποσοστό βιοελαίου Προσδιοριζόμενο ποσοστό οργανικής φάσης 6,41 7,69 18,29 Οι ενώσεις που βρίσκονται σε μεγαλύτερη συγκέντρωση στο βιοέλαιο της ημικυτταρίνης επιβεβαιώνουν τον μηχανισμό πυρόλυσης όπως έχει περιγραφεί στην παράγραφο Βασικό προϊόν είναι το οξικό οξύ λόγω αντιδράσεων 58

65 αποκαρβοξυλίωσης. Επίσης, ως κύρια προϊόντα εμφανίζονται κυκλικές κετόνες και φουρανικά παράγωγα, ενώ οι σημαντικές συγκεντρώσεις σε φαινολικές ενώσεις επιβεβαιώνουν την πραγματοποίηση αντιδράσεων Diels Alder. Πίνακας 12: Ποσοτική αποτίμηση του βιοελαίου της κυτταρίνης συνολικά, σε ομάδες ενώσεων και κατά ένωση (παρουσιάζονται οι 20 πρώτες) Κυτταρίνη Όνομα ένωσης Συγκέντρωση στο βιοέλαιο (mg/g) % w/w Ομάδα Acetic acid 12,65 1,265 Συνολικό %w/w Furfural 5,89 0,589 AR 0,001 2 Furanethanol, α methoxy (S) 3,01 0,301 ALI 0,000 2(5H) Furanone 1,88 0,188 PH 0,440 1,2 Benzenediol 1,49 0,149 FUR 0,265 2 Cyclopenten 1 one 1,29 0,129 AC 1,265 4 Methyl 5H furan 2 one 1,17 0,117 EST 0,052 1,2 Cyclopentanedione 1,15 0,115 AL 0,000 Furan, 2 propyl 1,14 0,114 ETH 0,000 Hydroquinone 1,05 0,105 ALD 0,815 2 Cyclopentene 1,4 dione 0,88 0,088 KET 1,112 1,2,3 Benzenetriol 0,78 0,078 PAH 0,001 2(3H) Furanone, 5 methyl 0,76 0,076 2(5H) Furanone, 5 methyl 0,73 0,073 2 Cyclohexene 1,4 dione 0,73 0,073 Ethanone, 1 (2 furanyl) 0,73 0,073 2 Cyclopenten 1 one, 2 hydroxy 3 methyl 0,69 0,069 2(5H) Furanone, 3 methyl 0,62 0,062 Phenol Furan Furan, 2 methyl Άθροισμα συγκεντρώσεων των 20 ενώσεων με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση Συνολικό προσδιοριζόμενο ποσοστό βιοελαίου Προσδιοριζόμενο ποσοστό οργανικής φάσης 3,79 4,26 6,08 Στην περίπτωση της κυτταρίνης, η υψηλή συγκέντρωση της λεβογλυκοζάνης δεν ήταν δυνατόν να προσδιοριστεί ποσοτικά, οπότε το συνολικό ποσοστό του προσδιοριζόμενου βιοελαίου είναι αρκετά χαμηλό. Επίσης, προσδιορίστηκε ποιοτικά και το HMF, προφανώς εξαιτίας της μεγάλης του συγκέντρωσης, χωρίς ωστόσο να προσδιοριστεί και ποσοτικά για τους λόγους που αναφέρθηκαν στην 59

66 παράγραφο 3.4. Οι ενώσεις που προσδιορίστηκαν είναι κυρίως φουρανικά παράγωγα, εξαιτίας της διάνοιξης του δακτυλίου των σακχάρων, όπως περιγράφεται στην παράγραφο Πίνακας 13: Ποσοτική αποτίμηση του βιοελαίου της λιγνίνης συνολικά, σε ομάδες ενώσεων και κατά ένωση (παρουσιάζονται οι 20 πρώτες) Λιγνίνη Όνομα ένωσης Συγκέντρωση στο βιοέλαιο (mg/g) % w/w Ομάδα Συνολικό %w/w Phenol, 2 methoxy 4 methyl 89,22 8,922 AR 0,028 Phenol, 2 methoxy 62,39 6,239 ALI 0,000 Phenol, 4 ethyl 2 methoxy 40,86 4,086 PH 35,515 1,2 Benzenediol 32,35 3,235 FUR 0,053 Vanillin 23,19 2,319 AC 2,048 Acetic acid 20,48 2,048 EST 0,062 2 Methoxy 4 vinylphenol 17,03 1,703 AL 0,000 1,2 Benzenediol, 4 methyl 10,99 1,099 ETH 0,117 1,2 Benzenediol, 3 methyl 7,18 0,718 ALD 0,143 Phenol, 2 methoxy 4 propyl 7,03 0,703 KET 0,050 4 Ethylcatechol 6,98 0,698 PAH 0,012 2 Propanone, 1 (4 hydroxy 3 methoxyphenyl) 6,36 0,636 2 Methoxy 6 methylphenol 6,22 0,622 Phenol, 2 methoxy 4 (1 propenyl), (Z) 5,98 0,598 Phenol, 3 methyl 5,66 0,566 Phenol 4,95 0,495 Eugenol 4,31 0,431 Phenol, 2,5 dimethyl 3,55 0,355 Phenol, 4 methyl 2,72 0,272 Phenol, 3 ethyl 2,06 0,206 1,2 Benzenediol, 3 methoxy 2,03 0,203 Άθροισμα συγκεντρώσεων των 20 ενώσεων με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση Συνολικό προσδιοριζόμενο ποσοστό βιοελαίου Προσδιοριζόμενο ποσοστό οργανικής φάσης 37,55 38,06 58,73 Ο ποσοτικός προσδιορισμός του βιοελαίου της λιγνίνης πραγματοποιείται σε υψηλότερο ποσοστό σε σχέση με τα άλλα βιοέλαια, καθώς το 38,06% του συνολικού βιοελαίου ποσοτικοποιείται με ακρίβεια. Λαμβάνοντας υπ όψη ότι το 35,2% του βιοελαίου είναι Η 2 Ο, τότε συνολικά έχει ποσοτικοποιηθεί το 73,3% του 60

67 βιοελαίου, κάτι που δεν έχει αναφερθεί μέχρι στιγμής στη βιβλιογραφία. Η λιγνίνη που χρησιμοποιήθηκε ανήκει στην κατηγορία των softwood, αποτελείται δηλαδή κυρίως από κονιφέρυλ δομές, των οποίων η αποικοδόμηση βάση του μηχανισμού που περιγράφεται στην παράγραφο 3.3.3, οδηγεί σε παράγωγα γουαϊακόλης και βενζεδιόλες, όπως επιβεβαιώνεται από την μεγάλη συγκέντρωση που έχουν στο βιοέλαιο. 3.5 Ποιοτική και ποσοτική αποτίμηση των βιοελαίων από την πυρόλυση του πρότυπου μίγματος Η Κ Λ και των 5 βιομαζών Η μέθοδος ποσοτικοποίησης που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε για τον προσδιορισμό της σύστασης έξι βιοελαίων, εκ των οποίων το ένα προέκυψε από την πυρόλυση του πρότυπου μίγματος Η Κ Λ και τα υπόλοιπα από την πυρόλυση πεύκου, αγριαγκινάρας, ελαιοπυρήνα, jatropha και μίσκανθου. Στα χρωματογραφήματα αυτά εφαρμόστηκαν τα ίδια κριτήρια αναγνώρισης για την εμφάνιση των κορυφών, δηλαδή S/N=50 και ομοιότητα με τα φάσματα των βιβλιοθηκών ίση με 700. Παρόλα αυτά οι κορυφές που εντοπίστηκαν σε κάθε περίπτωση είναι μερικές εκατοντάδες, συμπεριλαμβανομένων των άγνωστων, εκείνων δηλαδή που δεν πληρούν τα κριτήρια αναγνώρισης (πίνακας 14). Πίνακας 14: Συγκεντρωτική παρουσίαση του αριθμού των κορυφών των δειγμάτων Βιομάζα Αριθμός ενώσεων Αριθμός άγνωστων ενώσεων Σύνολο κορυφών που (δεν πληρούν τα κριτήρια στο βιοέλαιο ποσοτικοποιήθηκαν αναγνώρισης) Πρότυπο Η Κ Λ Πεύκο Αγριαγκινάρα Ελαιοπυρήνας Jatropha Μίσκανθος Όπως φαίνεται από τον πίνακα 14, δεν ήταν δυνατή η ποσοτικοποίηση του συνόλου των κορυφών στα βιοέλαια, καθώς δεν ήταν δυνατό να αντιστοιχιστούν όλες βάσει δομής με κάποια από τις ενώσεις του πρότυπου μίγματος. Προκειμένου να ληφθεί μια γενική εικόνα για τη σύσταση των βιοελαίων, εφαρμόστηκε ημιποσοτικός προσδιορισμός των ενώσεων, ουσιαστικά δηλαδή κατανεμήθηκαν σε ομάδες βάσει δομής και αθροίστηκαν τα ποσοστά των εμβαδών τους θεωρώντας 61

68 ως 100% του βιοελαίου το άθροισμα των εμβαδών του συνόλου των κορυφών. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στην εικόνα 24. Εικόνα 24: Συγκριτική απεικόνιση της σύστασης των βιοελαίων βάση ημιποσοτικού προσδιορισμού Όσον αφορά στο πρότυπο μίγμα Η Κ Λ, φαίνεται πως εμφανίζει διαφορετική συμπεριφορά σε σχέση με τις υπόλοιπες βιομάζες, καθώς αποτελείται κυρίως από σάκχαρα, συγκεκριμένα λεβογλυκοζάνη, καρβονυλικές ενώσεις, κετόνες, αλδεΰδες, φουρανικές ενώσεις, και φαινόλες, περιλαμβάνει δηλαδή τα προϊόντα αποικοδόμησης των τριών βιοπολυμερών όπως αυτά ανιχνεύτηκαν και στα επιμέρους βιοέλαια. Η κατανομή των ενώσεων στα υπόλοιπα βιοέλαια είναι διαφορετική γεγονός που αποδίδεται κυρίως στη σύνδεση των βιοπολυμερών στη βιομάζα και άρα στην εντονότερη αλληλεπίδρασή τους κατά την πυρόλυση. Είναι αξιοσημείωτη η παρουσία αζωτούχων ενώσεων στα βιοέλαια, ιδιαίτερα στο βιοέλαιο της jatropha. Οι αζωτούχες ενώσεις που ανιχνεύτηκαν σε όλα τα βιοέλαια ήταν κυρίως παράγωγα της πυρρόλης και της πυραζόλης, και σε μικρότερο ποσοστό παράγωγα της πυριδίνης. Καθώς αντίστοιχες ενώσεις δεν είχαν χρησιμοποιηθεί στο πρότυπο μίγμα, δεν έγινε προσπάθεια ποσοτικοποίησής τους. Η απουσία αντίστοιχων ενώσεων από το πρότυπο μίγμα Η Κ Λ, οδηγεί στο συμπέρασμα πως πρόκειται για ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της βιομάζας, πιθανόν λόγω καλλιεργητικής φροντίδας και χρόνου συγκομιδής. Στην κατηγορία των αιθέρων έχουν τοποθετηθεί και οι αλκόξυ βενζοϊκές ενώσεις, που δεν φέρουν υδρόξυ ή καρβόξυυποκαταστάτη. Η υψηλή συγκέντρωση αιθέρων που εμφανίζεται στο βιοέλαιο του 62

69 πεύκου οφείλεται κυρίως σε αλειφατικούς αιθέρες όπως το 2 μέθοξυπροπένιο και το 1,1διμέθοξυαιθάνιο και παράγωγα αυτών. Οι ενώσεις αυτές δεν έχουν ποσοτικοποιηθεί, καθώς αλειφατικός αιθέρας δεν είχε συμπεριληφθεί στο πρότυπο μίγμα. Η υψηλή παρουσία οξέων στον ελαιοπυρήνα και τον μίσκανθο οφείλεται στο οξικό οξύ που ανιχνεύτηκε σε μεγάλη συγκέντρωση και στα δύο βιοέλαια. Στην περίπτωση του βιοελαίου του ελαιοπυρήνα, ανιχνεύτηκαν επίσης προπανοϊκό, βουτανοϊκό, εννεανοϊκό, μέχρι και δεκαεπτανοϊκό οξύ, πιθανώς προερχόμενα από την ποσότητα ελαίου που παραμένει εγκλωβισμένη εκεί. Τέλος όσον αφορά την περιεκτικότητα σε φαινόλες, τα υψηλότερα ποσοστά εμφανίζουν η αγριαγκινάρα και η jatropha, οι οποίες είναι και οι βιομάζες με την υψηλότερη περιεκτικότητα σε λιγνίνη, αλλά και το πρότυπο μίγμα Η Κ Λ. Τα χρωματογραφήματα που περιγράφουν τα βιοέλαια παρουσιάζονται στις εικόνες ενώ στους πίνακες παρουσιάζονται οι 20 ενώσεις με την μεγαλύτερη συγκέντρωση όπως αυτές προσδιορίστηκαν από την μέθοδο εσωτερικού προτύπου που αναπτύχθηκε. Οι περιοχές έκλουσης που ορίστηκαν βοηθούν στη καλύτερη αποτίμηση των χρωματογραφημάτων. Το βιοέλαιο του πρότυπου μίγματος Η Κ Λ έχει υψηλή συγκέντρωση σε φαινόλες και καρβονυλικές ενώσεις, όπως φαίνεται από την πυκνότητα των κορυφών στις συγκεκριμένες περιοχές. Η παρουσία της λεβογλυκοζάνης είναι επίσης εμφανής, βάση της έντονης κορυφής στην περιοχή των σακχάρων. Εικόνα 25: Χρωματογράφημα GCxGC ToFMS του βιοελαίου του πρότυπου μίγματος Η Κ Λ 63

70 Μεταξύ των ενώσεων που ποσοτικοποιήθηκαν, βενζεδιόλες και μεθόξυφαινολικές ενώσεις βρίσκονται σε μεγαλύτερη συγκέντρωση, καθώς επίσης και φουρανικές ενώσεις και κυκλικές κετόνες, σε συμφωνία με τα προϊόντα πυρόλυσης των αρχικών βιοπολυμερών. Πίνακας 15: Ποσοτική αποτίμηση του βιοελαίου του πρότυπου μίγματος ημικυτταρίνης,κυτταρίνης και λιγνίνης συνολικά, σε ομάδες ενώσεων και κατά ένωση (παρουσιάζονται οι 20 πρώτες) Πρότυπο Η Κ Λ Όνομα ένωσης Συγκέντρωση στο βιοέλαιο (mg/g) Acetic acid 26,36 2,636 % w/w Ομάδα Συνολικό %w/w 1,2 Benzenediol 10,15 1,015 AR 0,015 Phenol, 2 methoxy 5,33 0,533 ALI 0,037 Furfural 4,74 0,474 PH 4,584 1,2 Benzenediol, 4 methyl 3,75 0,375 FUR 0,849 Phenol, 2 methoxy 4 methyl 3,16 0,316 AC 2,636 2(5H) Furanone 2,39 0,239 EST 0,000 1,2 Benzenediol, 3 methyl 2,39 0,239 AL 0,000 4 Ethylcatechol 2,32 0,232 ETH 0,009 2 Cyclopenten 1 one, 2 methyl 2,29 0,229 ALD 0,224 2 Methoxy 4 vinylphenol 2,17 0,217 KET 1,373 2 Cyclopenten 1 one 1,91 0,191 PAH 0,003 Phenol, 4 ethyl 2 methoxy 1,63 0,163 Vanillin 1,56 0,156 Hydroquinone 1,52 0,152 2 Cyclopenten 1 one, 2 hydroxy 3 methyl 1,49 0,149 Phenol 1,39 0,139 Phenol, 3 methyl 1,34 0,134 2 Cyclopenten 1 one, 2 hydroxy 1,16 0,116 Phenol, 4 methyl 0,99 0,099 1 Hydroxy 2 butanone 0,97 0,097 Άθροισμα συγκεντρώσεων των 20 ενώσεων με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση Συνολικό προσδιοριζόμενο ποσοστό βιοελαίου Προσδιοριζόμενο ποσοστό οργανικής φάσης 7,91 9,73 21,48 Στο χρωματογράφημα του βιοελαίου του πεύκου φαίνεται έντονα η κορυφή της λεβογλυκοζάνης στην περιοχή των σακχάρων, καθώς και οι έντονες κορυφές στην περιοχή των καρβονυλικών ενώσεων. Αρκετά πλούσιο είναι το βιοέλαιο και σε 64

71 φαινόλες. Οι κορυφές που φαίνονται στην περιοχή των αρωματικών υδρογονανθράκων μέχρι τα 1800sec περίπου, αντιστοιχούν σε αιθερικές ενώσεις. Εικόνα 26: Χρωματογράφημα GCxGC ToFMS του βιοελαίου του πεύκου Κύριο προϊόν στην περίπτωση αυτή είναι η φουρανόνη, ενώ προσδιορίζονται επίσης σημαντικές ποσότητες φουρφουράλης και κυκλοπεντανονών. Η παρουσία των μεθόξυ φαινολών είναι χαρακτηριστική της softwood λιγνίνης στην οποία κατατάσσονται οι λιγνίνες των πεύκων. Πίνακας 16: Ποσοτική αποτίμηση του βιοελαίου του πεύκου συνολικά, σε ομάδες ενώσεων και κατά ένωση (παρουσιάζονται οι 20 πρώτες) Πεύκο Όνομα ένωσης Συγκέντρωση στο βιοέλαιο (mg/g) % w/w Ομάδα Συνολικό %w/w Acetic acid 35,54 3,55 2(5H) Furanone 19,78 1,98 AR 0,039 Phenol, 2 methoxy 14,48 1,45 ALI 0,098 1,2 Benzenediol 13,93 1,39 PH 8,626 3 Furaldehyde 9,66 0,97 FUR 0,853 2 Cyclopenten 1 one, 2 hydroxy 6,03 0,60 AC 3,554 2 Cyclopenten 1 one 5,55 0,55 EST 0,033 Furan, tetrahydro 2,5 dimethoxy 4,52 0,45 AL 0,072 Phenol, 2 methoxy 4 methyl 4,50 0,45 ETH 0,887 Phenol, 3 methyl 4,13 0,41 ALD 1,633 1,2 Benzenediol, 4 methyl 3,30 0,33 KET 5,326 65

72 2 Methoxy 4 vinylphenol 2,90 0,29 PAH 0,008 Vanillin 2,63 0,26 Eugenol 2,42 0,24 4 Ethylcatechol 2,31 0,23 Phenol, 3 methyl 2,28 0,23 Phenol, 4 ethyl 2 methoxy 2,28 0,23 2 Cyclopenten 1 one, 2 hydroxy 3 methyl 2,24 0,22 Phenol, 2,5 dimethyl 2,15 0,21 Hydroquinone 2,06 0,21 Phenol, 2 methoxy 4 (1 propenyl) 2,01 0,20 Άθροισμα συγκεντρώσεων των 20 ενώσεων με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση Συνολικό προσδιοριζόμενο ποσοστό βιοελαίου Προσδιοριζόμενο ποσοστό οργανικής φάσης 14,45 21,04 34,66 Στο βιοέλαιο της αγριαγκινάρας η πυκνότητα των κορυφών είναι σαφώς μικρότερη. Μεγαλύτερη πυκνότητα κορυφών εμφανίζεται στην περιοχή των φαινολών, ενώ σημαντικός είναι ο αριθμός των κορυφών και στην περιοχή των αρωματικών υδρογοναθράκων. Στην περιοχή των σακχάρων δεν εμφανίζεται κάποια έντονη κορυφή. Εικόνα 27: Χρωματογράφημα GCxGC ToFMS του βιοελαίου της αγριαγκινάρας 66

73 Συγκρίνοντας το είδος των φαινολικών ενώσεων στο βιοέλαιο της αγριαγκινάρας με αυτές στο βιοέλαιο του πεύκου, γίνεται αντιληπτή η διαφορά στη δομή της λιγνίνης μεταξύ των δύο βιομαζών. Στο βιοέλαιο της αγριαγκινάρας ανιχνεύονται κυρίως βενζοδιόλες οι οποίες προέρχονται κυρίως από π κουμάρυλ δομές που δεν φέρουν πλευρικές μεθόξυ ομάδες, κάτι που υποστηρίζεται και από την μειωμένη παραγωγή CH 4 και CO(πίνακας 8). Πίνακας 17: Ποσοτική αποτίμηση του βιοελαίου της αγριαγκινάρας συνολικά, σε ομάδες ενώσεων και κατά ένωση (παρουσιάζονται οι 20 πρώτες) Αγριαγκινάρα Όνομα ένωσης Συγκέντρωση στο βιοέλαιο (mg/g) % w/w Ομάδα Συνολικό %w/w Acetic acid 64,23 6,423 Hydroquinone 8,71 0,871 AR 0,278 1,2 Benzenediol 7,59 0,759 ALI 0,035 Phenol 4,47 0,447 PH 4,497 2(5H) Furanone 4,13 0,413 FUR 0,109 2 Cyclopenten 1 one, 2 methyl 3,09 0,309 AC 6,423 Phenol, 4 ethenyl, acetate 2,59 0,259 EST 0,259 Phenol, 3 methyl 1,71 0,171 AL 0,001 Phenol, 2,6 dimethoxy 1,50 0,150 ETH 0,010 1,2 Benzenediol, 3 methoxy 1,29 0,129 ALD 0,070 Phenol, 2 methoxy 1,29 0,129 KET 1,815 1,4 Benzenediol, 2 methyl 1,28 0,128 PAH 0,077 Ethanone, 1 (2 furanyl) 1,27 0,127 4 Ethylcatechol 1,25 0,125 2 Cyclopenten 1 one 1,24 0,124 Phenol, 3 ethyl 1,20 0,120 Cyclopentanone 1,07 0,107 2 Cyclopenten 1 one, 3 methyl 0,91 0,091 1,2 Benzenediol, 4 methyl Resorcinol Phenol, 2,5 dimethyl Άθροισμα συγκεντρώσεων των 20 ενώσεων με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση Συνολικό προσδιοριζόμενο ποσοστό βιοελαίου Προσδιοριζόμενο ποσοστό οργανικής φάσης 11,07 13,59 32,05 Το βιοέλαιο που προέρχεται από την πυρόλυση του ελαιοπυρήνα παρουσιάζει αυξημένη πυκνότητα των κορυφών στην περιοχή των φαινολικών και αρωματικών ενώσεων, καθώς και κάποιες πολύ έντονες κορυφές στην περιοχή των 67

74 οξέων. Το αξιοσημείωτο στην περίπτωση αυτή, είναι η αυξημένη παρουσία κορυφών στην περιοχή των υδρογονανθράκων, χαρακτηριστικό επιθυμητό για την πιθανή χρήση του βιοελαίου αυτού ως καύσιμο. Ενδεχομένως με τη βοήθεια ενός κατάλληλου καταλύτη, η συγκεκριμένη βιομάζα θα μπορούσε να δώσει ένα ποιοτικά αναβαθμισμένο βιοέλαιο. Εικόνα 28: Χρωματογράφημα GCxGC ToFMS του βιοελαίου του ελαιοπυρήνα Οι υδρογονάνθρακες με την μεγαλύτερη συγκέντρωση είναι κυρίως ακόρεστα αλκυλιωμένα παράγωγα του κυκλεξανίου, αλλά εμφανίζονται και μεγαλύτερες αλειφατικές ενώσεις όπως εννεάνιο, δεκάνιο, δεκαεξάνιο, δεκαεπτάνιο κτλ, πιθανώς λόγω των λιπαρών οξέων που προϋπήρχαν στον ελαιοπυρήνα. Σημαντική επίσης είναι και η συγκέντρωση πολυαρωματικών υδρογονανθράκων, κυρίως παραγώγων του ναφθαλενίου, κάτι που παρατηρείται και στο βιοέλαιο της αγριαγκινάρας. Η υψηλή συγκέντρωση μέθοξυ και διμέθοξυφαινολών και βενζεδιολών είναι χαρακτηριστική της παρουσίας σινάπυλ και κονυφέρυλ μονάδων στη δομή της λιγνίνης. Τέλος, αξιοσημείωτα χαμηλή είναι η συγκέντρωση καρβονυλικών ενώσεων και ιδιαίτερα φουρανικών παραγώγων. 68

75 Πίνακας 18: Ποσοτική αποτίμηση του βιοελαίου του ελαιοπυρήνα συνολικά, σε ομάδες ενώσεων και κατά ένωση (παρουσιάζονται οι 20 πρώτες) Όνομα ένωσης Ελαιοπυρήνας Συγκέντρωση στο βιοέλαιο (mg/g) % w/w Ομάδα Συνολικό %w/w Acetic acid 47,170 4,717 1,2 Benzenediol 8,26 0,826 AR 0,318 Phenol, 2 methoxy 3,46 0,346 ALI 0,734 1,2 Benzenediol, 3 methoxy 3,03 0,303 PH 5,037 Phenol, 2,6 dimethoxy 2,79 0,279 FUR 0,289 Phenol 2,73 0,273 AC 4,717 Phenol, 3 methyl 2,22 0,222 EST 0,123 Hydroquinone 1,92 0,192 AL 0,038 4 Ethylcatechol 1,87 0,187 ETH 0,014 Phenol, 3 ethyl 1,65 0,165 ALD 0,232 2(5H) Furanone 1,64 0,164 KET 1,482 2 Cyclopenten 1 one 1,56 0,156 PAH 0,077 Benzaldehyde 1,49 0,149 Phenol, 4 ethenyl, acetate 1,05 0,105 1,2 Benzenediol, 3 methyl 0,92 0,092 1,2 Benzenediol, 4 methyl 0,89 0,089 Phenol, 2 methyl 0,89 0,089 Phenol, 4 ethyl 2 methoxy 0,77 0,077 3 Furaldehyde 0,73 0,073 2 Methoxy 4 vinylphenol 0,72 0,072 Toluene 0,71 0,071 Άθροισμα συγκεντρώσεων των 20 ενώσεων με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση Συνολικό προσδιοριζόμενο ποσοστό βιοελαίου Προσδιοριζόμενο ποσοστό οργανικής φάσης 8,65 13,08 19,64 Στο βιοέλαιο της jatropha παρατηρείται η υψηλότερη σχετική συγκέντρωση αζωτούχων ενώσεων, συγκριτικά με τις υπόλοιπες βιομάζες. Οι ενώσεις αυτές βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία στο χρωματογράφημα και γι αυτό δεν έχουν τοποθετηθεί σε ξεχωριστή περιοχή. Συγκεκριμένα, τα παράγωγα της πυριδίνης βρίσκονται στην περιοχή των φαινολών, τα παράγωγα της πυρρόλης και της πυραζόλης εκλούονται στην περιοχή των καρβονυλικών ενώσεων κοντά στα φουράνια, ενώ τέλος σε αζωτούχες δομές οφείλονται και οι κορυφές που βρίσκονται στη μη οριοθετημένη περιοχή του χρωματογραφήματος από την περιοχή των φαινολών και προς τα επάνω. 69

76 Εικόνα 29: Χρωματογράφημα GCxGC ToFMS του βιοελαίου της jatropha Αναμφίβολα, μεταξύ των πρώτων 20 ενώσεων θα έπρεπε να βρίσκονται αζωτούχες ενώσεις, ωστόσο δεν ποσοτικοποιήθηκαν για τους λόγους που έχουν ήδη αναπτυχθεί παραπάνω. Οι συγκεντρώσεις και το είδος των κορυφών που τελικά ποσοτικοποιήθηκαν, προσομοιάζει τα αντίστοιχα του βιοελαίου του ελαιοπυρήνα, με σημαντικά χαμηλότερη παρουσία υδρογονανθράκων. Πίνακας 19: Ποσοτική αποτίμηση του βιοελαίου της jatropha συνολικά, σε ομάδες ενώσεων και κατά ένωση (παρουσιάζονται οι 20 πρώτες) Jatropha Όνομα ένωσης Συγκέντρωση στο βιοέλαιο (mg/g) % w/w Ομάδα Συνολικό %w/w Acetic acid 38,83 3,883 1,2 Benzenediol 8,04 0,804 AR 0,295 Phenol 4,29 0,429 ALI 0,152 Phenol, 2 methoxy 4,11 0,411 PH 4,390 Phenol, 3 methyl 3,34 0,334 FUR 0,394 Hydroquinone 2,06 0,206 AC 3,883 Phenol, 2,6 dimethoxy 2,05 0,205 EST 0,055 Phenol, 4 ethyl 2 methoxy 1,33 0,133 AL 0,006 1,2 Benzenediol, 3 methoxy 1,28 0,128 ETH 0,021 Toluene 1,14 0,114 ALD 0,060 2 Methoxy 6 methylphenol 1,04 0,104 KET 0,635 Phenol, 3 ethyl 0,79 0,079 PAH 0,011 4 Ethylcatechol 0,78 0,078 1,2 Benzenediol, 4 methyl 0,75 0,075 70