ΠΟΙΟΤΙΚΟΣ ΚΑΙ ΠΟΣΟΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΕΛΑΙΩΝ MΕ ΠΟΛΥ ΙΑΣΤΑΤΗ ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΗ ΜΕ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΜΑΖΩΝ ΧΡΟΝΟΥ ΠΤΗΣΕΩΣ ΙΟΝΤΩΝ (GCxGC-TOF-MS) Χρύσα Μιχαήλωφ 1, Θεµιστοκλής Σφέτσας 1, Στυλιανός Στεφανίδης 1,2, Κωνσταντίνος Καλογιάννης 1, Γεώργιος Θεοδωρίδης 3, Άγγελος Λάππας 1 1 Εργαστήριο Περιβαλλοντικών Καυσίµων & Υδρογονανθράκων, ΙΤΧΗ, ΕΚΕΤΑ, 6 ο χλµ. Χαριλάου- Θέρµης, 57001, Θεσσαλονίκη, τηλ 2310498371, fax 2310498380, mihailof@cperi.certh.gr 2 Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πανεπιστήµιο υτικής Μακεδονίας, 50100 Κοζάνη 3 Εργαστήριο Αναλυτικής Χηµείας, Τµήµα Χηµείας, ΑΠΘ 1.Εισαγωγή Τα περιβαλλοντικά και οικονοµικά προβλήµατα που συνδέονται µε την εξόρυξη και χρήση των ορυκτών καυσίµων, αλλά κυρίως η επερχόµενη έλλειψή τους, έχουν στρέψει το ενδιαφέρον προς την αναζήτηση νέων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα προς την εκµετάλλευση της βιοµάζας. Μεταξύ των διαφόρων διεργασιών που έχουν προταθεί για την αξιοποίησή της προς παραγωγή καυσίµων ή βασικών χηµικών ενώσεων συγκαταλέγεται και η ταχεία πυρόλυση (flash pyrolysis). Η ταχεία πυρόλυση ορίζεται ως µια διεργασία που πραγµατοποιείται σε υψηλή θερµοκρασία, συνήθως µεταξύ 500 και 600 o C σε συνθήκες αδρανούς ατµόσφαιρας, κατά την οποία η θέρµανση της βιοµάζας πραγµατοποιείται µε πολύ υψηλό ρυθµό. Ανάλογα µε την τροφοδοσία που χρησιµοποιείται, κατά την ταχεία πυρόλυση παράγεται 60-75% κ.β. υγρό προϊόν, 15-25% κ.β. στερεό απανθράκωµα και 10-20% κ.β. µη συµπυκνούµενα αέρια. Χαρακτηριστικό της ταχείας πυρόλυσης είναι ότι αποσκοπεί στην µεγιστοποίηση της παραλαβής του υγρού προϊόντος, του βιοελαίου[1,2]. Το βιοέλαιο αποτελείται από νερό και οργανικές ενώσεις (κυρίως οξυγονούχες) διαφόρων οµάδων µεταξύ των οποίων είναι φαινολικές, καρβονυλικές και καρβοξυλικές ενώσεις, σάκχαρα κτλ. Περιλαµβάνει επίσης ολιγοµερή λιγνίνης ή κυτταρίνης, τα οποία δεν αποικοδοµήθηκαν. Η χηµική σύσταση του βιοελαίου αλλά και οι φυσικοχηµικές του ιδιότητες το καθιστούν σηµαντική πρώτη ύλη είτε για την παραγωγή βιοκαυσίµων είτε για την παραλαβή βασικών χηµικών ενώσεων από αυτό. Σε κάθε περίπτωση, είναι απαραίτητη µια λεπτοµερής ποιοτική και ποσοτική ανάλυση της σύστασής του για την επιλογή του καταλληλότερου τρόπου αξιοποίησής του [3]. Η πολυπλοκότητα της σύστασης του βιοελαίου καθιστά δύσκολή την ανάλυσή του µε συµβατικές χρωµατογραφικές τεχνικές, καθώς ο διαχωρισµός πολλών ενώσεων δεν είναι δυνατός λόγω συγγενούς δοµής και ιδιοτήτων µε αποτέλεσµα να εκλούονται σε αλληλεπικαλυπτόµενες κορυφές. Είναι λοιπόν απαραίτητη η εφαρµογή περισσότερο εξελιγµένων χρωµατογραφικών τεχνικών όπως η δισδιάστατη αέρια χρωµατογραφία (2DGC). Η σηµαντικά υψηλότερη διαχωριστική ικανότητα που προσφέρει αυτή η τεχνική βασίζεται στο γεγονός ότι χρησιµοποιεί δύο στήλες συνδεδεµένες σε σειρά, διαφορετικής πολικότητας, επιτρέποντας τον διαχωρισµό των ενώσεων όχι µόνο βάσει της πτητικότητάς τους αλλά και βάσει της πολικότητάς τους. Ο συνδυασµός της 2DGC µε την φασµατοσκοπία µαζών χρόνου πτήσης ιόντων (TOF-MS) παρέχει την δυνατότητα ανάλυσης ενώσεων σε µεγάλο εύρος µοριακών βαρών, προσφέροντας παράλληλα υψηλή διακριτική ικανότητα, καθιστώντας έτσι την 2DGC-TOF-MS µια εξαιρετικά αποτελεσµατική χρωµατογραφική τεχνική για την ανάλυση των βιοελαίων. 1 of 5
Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη µιας αξιόπιστης αναλυτικής µεθοδολογίας για τον ποιοτικό και κυρίως για τον ποσοτικό χαρακτηρισµό της σύστασης των βιοελαίων µε την εφαρµογή 2DGC-TOF-MS. Η παρούσα µελέτη εστιάζεται στην ανάλυση της σύστασης του βιοελαίου που προκύπτει από την ταχεία πυρόλυση πρότυπης ηµικυτταρίνης, κυτταρίνης και λιγνίνης, στα πλαίσια µιας ευρύτερης µελέτης που αποσκοπεί στην σύνδεση της σύστασης της βιοµάζας µε την σύσταση του παραγόµενου βιοελαίου. 2.Μεθοδολογία Συνοπτικά, η διεργασία της ταχείας πυρόλυσης πραγµατοποιήθηκε στους 500 o C για 15min και εφαρµόστηκε σε 1,50g δείγµατος, δηλαδή πρότυπης ηµικυτταρίνης, κυτταρίνης και λιγνίνης. Το παραγόµενο βιοέλαιο συλλέχθηκε σε ψυχόµενο υποδοχέα και παραλήφθηκε µε ΜeOH. Μετά από κατάλληλη αραίωση µε ΜeOH, ακολούθησε ανάλυση µε 2DGC-TOF-MS. Η χρωµατογραφική διάταξη αποτελείται από το GC Agilent 7890 A συνδεδεµένο µε το Pegasus 4D TOF-MS. Η πρώτη στήλη είναι µια µη-πολική στήλη BPX-5 (30m; I.D. 0.25 mm, d.f. 0.25 µm), ενώ η δεύτερη ήταν η µέτριας πολικότητας BPX-50 (1,5m; I.D. 0.1 mm, d.f. 0.1 µm) (SGE Analytical Science Pty Ltd, Australia). Η διάταξη ελέγχεται από το λογισµικό ChromaToF (LECO) 3.34v. Η ποιοτική ανίχνευση και αναγνώριση των κορυφών πραγµατοποιήθηκε µε την βοήθεια της βιβλιοθήκης NIST05. Για την ποσοτική ανάλυση των δειγµάτων χρησιµοποιήθηκε η τεχνική του εσωτερικού προτύπου, ενώ ως εσωτερικό πρότυπο επιλέχθηκε η πλήρως δευτεριoµένη φαινόλη (d6- phenol). Η µελέτη βασίστηκε σε πρότυπο διάλυµα αποτελούµενο από 33 οργανικές ενώσεις, διαφόρων οµάδων που απαντώνται συχνότερα στα βιοέλαια, προκειµένου να υπολογιστεί η τιµή του RRF (relative response factor) για την κάθε ένωση. Για την στατιστική επεξεργασία των αποτελεσµάτων εφαρµόστηκε ANOVA και WLSLR (Weighted Least Square Linear Regression). 3.Αποτελέσµατα-Συζήτηση 3.1Ποιοτική απότιµηση Η αναγνώριση των κορυφών τόσο στο πρότυπο διάλυµα όσο και στα άγνωστα, βασίστηκε αρχικά στην σύγκριση των φασµάτων µαζών τους µε αυτά της βιβλιοθήκης NIST05, ενώ για τα άγνωστα δείγµατα χρησιµοποιήθηκε επιπλέον ως κριτήριο και ο χρόνος συγκράτησης που προσδιορίσθηκε από τα πρότυπα. Για την ταυτοποίηση των άγνωστων ενώσεων στα δείγµατα τέθηκε κριτήριο οµοιότητας 70% µεταξύ του λαµβανοµένου φάσµατος µε το αντίστοιχο της βιβλιοθήκης, διαφορετικά η ένωση καταχωρήθηκε ως άγνωστη. Μετά την αναγνώριση όλων των κορυφών στο κάθε χρωµατογράφηµα, ακολούθησε κατηγοριοποίηση των ενώσεων και ορισµός των περιοχών έκλουσης για την κάθε κατηγορία[4]. Συγκεκριµένα, ορίστηκαν 6 περιοχές µε σαφή όρια στον τρισδιάστατο χρωµατογραφικό χώρο, τα οποία και ορίζονται ως ζώνες έκλουσης ενώσεων συγκεκριµένης κατηγορίας: 1) Οξέα και Εστέρες 2) Αλδεΰδες και Κετόνες (συµπεριλαµβάνονται οµάδες φουρανίων, κυκλοπεντανονών και κυκλοπεντένονων) 3) Υδρογονάνθρακες (µη αρωµατικές ενώσεις, αλκάνια, αλκένια, αλκύνια) 4) Βενζολικά παράγωγα (αρωµατικές ενώσεις) 5)Φαινολικά παράγωγα (συµπεριλαµβάνονται παράγωγα γουαϊκόλης, συριγγόλης και κατεχολών) 2 of 5
6) Σάκχαρα Εικόνα 1α: 2D χρωµατογράφηµα πρότυπου διαλύµατος Εικόνα 1β: 2D χρωµατογράφηµα βιοελαίου ηµικυτταρίνης Εικόνα 1γ: 2D χρωµατογράφηµα βιοελαίου κυτταρίνης Εικόνα 1δ: 2D χρωµατογράφηµα βιοελαίου λιγνίνης Ο ορισµός των ζωνών έκλουσης επιτρέπει την γρήγορη ποιοτική αποτίµηση των δισδιάστατων χρωµατογραφηµάτων και την σύγκριση µεταξύ διαφορετικών δειγµάτων παρατηρώντας την πυκνότητα των κορυφών σε κάθε 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 1α,β,γ,δ). Με βάση τα παραπάνω, παρατηρώντας τα χρωµατογραφήµατα της εικόνας 1 αποτυπώνεται ο διαφορετικός τρόπος αποικοδόµησης του κάθε βιοπολυµερούς. Η ηµικυτταρίνη και η κυτταρίνη έχουν κυρίως αλδεΰδες και κετόνες και κυρίως φουρανικά παράγωγα, ως προϊόντα αποικοδόµησης, εξαιτίας των σακχάρων από τα οποία αποτελούνται. Επιπλέον η ηµικυτταρίνη παρουσιάζει και κάποιες αρωµατικές, βενζολικές και φαινολικές, ενώσεις ως παράγωγα πιθανώς επειδή οι αλυσίδες της 3 of 5
αποικοδοµούνται σε χαµηλότερη θερµοκρασία σε σχέση µε την περισσότερο κρυσταλλική κυτταρίνη. Η λιγνίνη ως φαινολικό πολυµερές αποδίδει φαινολικές ενώσεις ως προϊόντα αποικοδόµησης και στην προκειµένη περίπτωση κυρίως παράγωγα της γουαϊακόλης, λόγω της προέλευσής της (softwood λιγνίνη)[5]. 3.2Ποσοτική αποτίµηση Για την ποσοτική αποτίµηση των περιεχόµενων ενώσεων στα τρία βιοέλαια, ακολουθήθηκε η µέθοδος του εσωτερικού προτύπου χρησιµοποιώντας πρότυπα διαλύµατα αποτελούµενα από 33 ενώσεις, οι οποίες ανήκουν σε διαφορετικές οµάδες και επιλέχθηκαν µε βάση την συχνότητα ανίχνευσής τους στα βιοέλαια. Η φασµατοσκοπία µαζών είναι η καλύτερη 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, αλλά και της µικρής περιοχής γραµµικής απόκρισης που παρουσιάζει ως ανιχνευτής[6,7]. 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. Η χρήση του εσωτερικού προτύπου διευκολύνει την ποσοτικοποίηση σε τέτοια δείγµατα µέσω του υπολογισµού των RRF, ωστόσο, οι συγκεκριµένοι συντελεστές είναι διαφορετικοί για την κάθε ένωση και η τιµή τους εξαρτάται και από την συγκέντρωση της κάθε ένωσης. Αρχικά η µελέτη επικεντρώθηκε στην χαµηλή περιοχή συγκεντρώσεων από ~10 έως ~60ppm, µε την ανάλυση πρότυπων διαλυµάτων σε 5 επίπεδα µε σταθερή την συγκέντρωση του εσωτερικού προτύπου. Ο διαφορετικός τρόπος ιονισµού οξυγονούχων και µη οξυγονούχων ενώσεων, έκανε απαραίτητη την εφαρµογή διαφορετικού τρόπου επεξεργασίας των αποτελεσµάτων τους. Έτσι, για τις µη οξυγονούχες ενώσεις εφαρµόστηκε ANOVA και εντοπίστηκε η στενή περιοχή των συγκεντρώσεων για την οποία η τιµή του RRF είναι σταθερή, ενώ για τις οξυγονούχες ενώσεις εφαρµόστηκε WLSLR για να προσδιοριστεί η εξίσωση που περιγράφει την γραµµική εξάρτηση του RRF από την συγκέντρωση της ένωσης, σε ένα συγκεκριµένο εύρος. Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται οι πρότυπες ενώσεις µε τις αντίστοιχες τιµές, καθώς και η εφαρµογή των τιµών για τις ποσοτικές µετρήσεις, επί του αρχικού βιοελαίου, για τα βιοελαία της ηµικυτταρίνης (Η), της κυτταρίνης (Κ) και της λιγνίνης(λ). Για λόγους οικονοµίας χώρου οι αρωµατικές και πολυαρωµατικές ενώσεις που δεν ανιχνεύτηκαν στα δείγµατα δεν παρουσιάζονται στον πίνακα. Πρέπει να σηµειωθεί πως οι τιµές των RRF ήταν επαναλήψιµες για διάστηµα 2µηνών, εµφανίζοντας διακύµανση µικρότερη του 20%, για τις περισσότερες ενώσεις. Ωστόσο, είναι φανερό πως η παρουσία των υποκαταστατών επηρεάζει σηµαντικά την σχετικά απόκριση της κάθε ένωσης, µε αποτέλεσµα να µην είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθεί µια τιµή RRF για την κάθε οµάδα ενώσεων. 4.Συµπεράσµατα Η 2DGC-TOF-MS είναι µια αξιόπιστη και αποτελεσµατική χρωµατογραφική τεχνική για τον ποιοτικό χαρακτηρισµό των βιοελαίων. Η επιπλέον ανάγκη για την χρήση της τεχνικής για ποσοτικοποίηση απαιτεί προσεκτική προσέγγιση. Σε συνέχεια της παρούσας εργασίας, θα οριστεί και δεύτερη περιοχή γραµµικότητας σε υψηλότερη περιοχή συγκεντρώσεων, προκειµένου να αποφευχθούν οι πολλαπλές αραιώσεις και αναλύσεις του ίδιου δείγµατος, ενώ θα εξεταστεί και επαναληψιµότητα των µετρήσεων σε χρονικό διάστηµα µεγαλύτερο των 2 µηνών, ώστε να είναι δυνατή η χρήση της µεθόδου σε αναλύσεις ρουτίνας 4 of 5
Πίνακας 1: Τιµές RRF και για επιλεγµένες ενώσεις και ποσοτική αποτίµηση αυτών σε τρία βιοέλαια Η Κ Λ Οµάδα Ένωση RRF sd (ppm) (ppm) (ppm) υδρογονάνθρακες δεκατετράνιο 1,6268 0,0840 0 0 0 αλδεΰδες-κετόνες 2-φουραλδεΰδη 1,4034 0,0851 1273,7 2347,6 278,84 κυκλοπεντανόνη 2,6016 0,2582 173,52 0 0 2-κυκλο-πεντεν-1-όνη 1,0192 0,0831 732,73 619,14 0 3-µεθυλο-2-κυκλο-πεντεν-1-όνη 0,3958 0,0325 316,04 0 0 2(5Η)φουρανόνη 1,1934 0,0616 222,21 900,72 159,13 3-µεθυλο-2(5Η)φουρανόνη 0,7254 0,0296 141,71 295,23 0 2-φουρυλ-µεθυλ-κετόνη 2,6338 0,0222 348,74 96,71 0 ανισόλες φαινόλες παράγωγα γουαϊακόλης παράγωγα συριγγόλης ανισόλη 3,4483 0,1191 0 0 <LOQ 3-µεθυλο-ανισόλη 1,8298 0,0647 0 0 <LOQ φαινόλη 1,1842 0,0110 366,21 254,09 1340,6 3-µεθυλοφαινόλη 0,5900 0,0493 345,70 118,21 1486.4 2,6-διµεθυλοφαινόλη 0,7892 0,0529 81,00 0 115,69 3-αιθυλοφαινόλη 0,6850 0,0376 105,54 49,38 691,84 4-tetr-βοτυλοφαινόλη 0,4630 0,0174 0 0 0 πυροκατεχόλη 0,2096 0,0232 0 711,88 9448.6 3-µεθοξυ-κατεχόλη 0,1135 0,0259 157,71 0 677,52 γουαϊακόλη 0,4570 0,0373 70,44 0 14855,9 4-µεθυλ-γουαϊακόλη 0,2428 0,0170 0 0 18549,9 ευγενόλη 0,0837 0,0068 0 0 1448,2 βανιλλίνη 0,0507 0,1804 0 0 4670,2 συριγγόλη 0,1101 0,0167 98,38 0 255,10 συριγγαλδεΰδη 0,0421 0,0031 0 0 0 Ευχαριστίες Η έρευνα χρηµατοδοτήθηκε από το 7 ο ΚΠΣ [FP7/2007-2013] υποέργο n o 227248, DIBANET The production of sustainable diesel-miscible biofuels from the residues and wastes of Europe and Latin America Βιβλιογραφία [1] Mohan D., Pttman C.U., Steele P.H., Energy&Fuels, 20 (2006) 848-889 [2] Lappas A., Iliopoulou E., Kalogiannis K., in Thermochemical conversion of biomass to liquid fuels and chemicals eds RSC, USA (2011) pp263 [3] Bridgwater A.V., Biomass and Bioenergy (2011), doi:10.1016/j.biombioe.2011.01.048 [4] Sfetsas T., Michailof C., Lappas A., Li Q., Kneale B., J. of Chromatogr. A 1218 (2011) 3317-3325 [5] Shafizadeh F., J. Anal. App. Pyrolysis 3 (1982) 283 305 [6] CicchetiE., Merle P., Chaintreau A., Flavour Fragr. J., 23 (2008) 450-459 [7] Bedner M., Duewer D.L., Anal. Chem. 83 (2011) 6169-6176 5 of 5