Application of capillary electrophoretic methods for determining carbohydrates and aliphatic carboxylic acids formed during wood processing

Knowledge of the behaviour of cellulose, hemicelluloses, and lignin during wood and pulp processing is essential for understanding and controlling the processes. Determination of monosaccharide composition gives information about the structural polysaccharide composition of wood material and helps when determining the quality of fibrous products. In addition, monitoring of the acidic degradation products gives information of the extent of degradation of lignin and polysaccharides. This work describes two capillary electrophoretic methods developed for the analysis of monosaccharides and for the determination of aliphatic carboxylic acids from alkaline oxidation solutions of lignin and wood. Capillary electrophoresis (CE), in its many variants is an alternative separation technique to chromatographic methods. In capillary zone electrophoresis (CZE) the fused silica capillary is filled with an electrolyte solution. An applied voltage generates a field across the capillary. The movement of the ions under electric field is based on the charge and hydrodynamic radius of ions. Carbohydrates contain hydroxyl groups that are ionised only in strongly alkaline conditions. After ionisation, the structures are suitable for electrophoretic analysis and identification through either indirect UV detection or electrochemical detection. The current work presents a new capillary zone electrophoretic method, relying on in-capillary reaction and direct UV detection at the wavelength of 270 nm. The method has been used for the simultaneous separation of neutral carbohydrates, including mono- and disaccharides and sugar alcohols. The in-capillary reaction produces negatively charged and UV-absorbing compounds. The optimised method was applied to real samples. The methodology is fast since no other sample preparation, except dilution, is required. A new method for aliphatic carboxylic acids in highly alkaline process liquids was developed. The goal was to develop a method for the simultaneous analysis of the dicarboxylic acids, hydroxy acids and volatile acids that are oxidation and degradation products of lignin and wood polysaccharides. The CZE method was applied to three process cases. First, the fate of lignin under alkaline oxidation conditions was monitored by determining the level of carboxylic acids from process solutions. In the second application, the degradation of spruce wood using alkaline and catalysed alkaline oxidation were compared by determining carboxylic acids from the process solutions. In addition, the effectiveness of membrane filtration and preparative liquid chromatography in the enrichment of hydroxy acids from black liquor was evaluated, by analysing the effluents with capillary electrophoresis.

Käsitys selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin käyttäytymisestä puun käsittelyssä on oleellista, jotta prosesseja kyetään kontrolloimaan. Monosakkaridikoostumuksen määrittäminen antaa tietoa puun polysakkaridikoostumuksesta ja auttaa arvioimaan kuitutuotteiden laatua. Lisäksi happamien hajoamistuotteiden määrittäminen antaa tietoa ligniinin ja polysakkaridien hajoamisesta. Tässä työssä kuvataan kahden kapillaarielektroforeettisen menetelmän kehitys monosakkaridien ja alifaattisten karboksyylihappojen määrittämiseksi ligniinin ja puun alkalihapetuksella käsitellyistä liuoksista. Kapillaarielektroforeesi (CE) monine variaatioineen on vaihtoehtoinen erotustekniikka kromatografisille erotustekniikoille. Kapillaarivyöhyke-elektroforeesissa (CZE) silikakapillaari on täytetty elektrolyyttiliuoksella. Erotusjännite muodostaa sähkökentän kapillaarin päiden välille, jolloin ionien liikkuvuus sähkökentässä perustuu niiden varaukseen ja hydrodynaamiseen säteeseen. Sokeriyhdisteiden hydroksyyliryhmät ionisoituvat vain hyvin emäksisissä olosuhteissa. Ionisoituminen helpottaa hiilihydraattien elektroforeettista analyysia, ja analyyttien monitorointi voidaan tehdä joko epäsuoraa UV-detektiota tai sähkökemiallista monitorointia käyttäen. Tutkimuksessa esitellään uusi kapillaarielektroforeettinen erotusmenetelmä sokerianalytiikkaan. Menetelmässä käytetään vahvasti emäksistä elektrolyyttiliuosta ja sokeriyhdisteet monitoroidaan suoraa UV-detektointia käyttäen 270 nm aallonpituudella. Käytetyt erotusolosuhteet ovat sellaiset, että mono- ja disakkaridit sekä sokerialkoholit varautuvat negatiivisesti ja niistä muodostuu UV-absorboivia yhdisteitä. Optimoitua menetelmää testattiin todellisilla näytteillä, joista mitattiin valikoitujen hiilihydraattien pitoisuudet. Tutkielmassa esitetty erotusmenetelmä on nopea, koska ainoa esikäsittelyvaihe ennen analyysia on laimentaminen. Alifaattisten karboksyylihappojen määrittämiseksi emäksisistä prosessiliuoksista kehitettiin uusi kapillaarielektroforeettinen erotusmenetelmä. Tavoitteena oli luoda menetelmä, jolla kyetään erottamaan yhdellä ajolla dikarboksyylihapot, hydroksihapot sekä haihtuvat hapot, joita syntyy ligniinin ja puun polysakkaridien hajoamisja hapettumisreaktioissa. Kehitettyä CZE-menetelmää sovellettiin kolmessa prosessissa. Ensimmäinen applikaatio käsitti karboksyylihappojen määrittämisen prosessiliuoksesta, kun ligniiniä hapetettiin alkalisessa liuoksessa. Toisessa sovelluksessa verrattiin katalysoitua alkalista hapetusta ei-katalysoituun alkaliseen hapetukseen määrittämällä alifaattisia karboksyylihappoja prosessiliuoksista. Karboksyylihappomäärityksiä käytettiin myös fraktioanalyyseissä tutkittaessa kalvosuodatuksen ja preparatiivisen nestekromatografian käyttökelpoisuutta karboksyylihappojen rikastamisessa mustalipeänäytteistä.