Alikriittisen veden käyttö kromatografisessa erotuksessa

Alikriittisellä vedellä tarkoitetaan paineistettua vettä, joka on kriittisen lämpötilansa (374 °C) alapuolella nestemäisessä tilassa. Veden tiheys pienenee lämpötilan kasvaessa Veden liuotinominaisuuksia voidaan säädellä lämpötilan avulla. Veden pintajännitys, viskositeetti, tiheys ja polaarisuus pienenevät lämpötilan kasvaessa, ja alikriittisen veden aineominaisuudet muuttuvat lähemmäksi orgaanista liuotinta. Alikriittisen veden dielektrisyysvakion aleneminen johtuu pääasiassa lämpötilan vaikutuksesta ja vain vähän paineen vaikutuksesta. Alikriittistä vettä on käytetty liuottimena uutossa, mutta nyt myös alikriittinen kromatografia on kehittymässä oleva erotusmenetelmä. Työn kokeellisessa osassa kehitettiin kromatografinen laitteisto alikriittiselle vedelle, jolla tutkittiin sokerialkoholien ja sokerien kromatografista erotusta alikriittisen veden avulla. Lisäksi tutkittiin sokerialkoholien, sokereiden ja stationäärifaasien termistä kestävyyttä. Tutkittavina komponentteina olivat sorbitoli, mannitoli, ksylitoli, arabinoosi, mannoosi, ksyloosi, maltoosi ja ramnoosi. Stationäärifaaseina käytettiin makrohuokoista funktionalisoimatonta polystyreenidivinyylibentseenikopolymeeriä, sekä vahvoja ja heikkoja divinyylibentseenillä ristisilloitettuja kationinvaihtohartseja, jotka olivat joko Na+- tai Ca2+-ionimuodoissa. Veden lämpötilan nostaminen vaikuttaa sekä kromatografisen stationäärifaasin tilavuusmuutoksiin että näytekomponenttien ominaisuuksiin. Vahvoilla kationinvaihtimilla havaittiin termisten tilavuusmuutosten riippuvan ionimuodosta: Na+-muotoiset hartsit turpoavat ja Ca2+-muotoiset kutistuvat lämpötilan noustessa. Heikot kationinvaihtimet kutistuvat molemmissa ionimuodoissa, mutta Ca2+-muoto kutistuu Na+-muotoa voimakkaammin. Näytekomponenteista sokerialkoholien havaittiin kestävän paremmin korkeita lämpötiloja kuin sokerien. Sokerialkoholeista kestävimmäksi havaittiin ksylitoli ja sokereista ramnoosi. Tutkittavien komponenttien piikkien havaittiin kapenevan, häntimisen vähenevän, ja piikkien eluoituvan aikaisemmin riippuen käytettävästä stationäärifaasista. Ca2+-muotoisen vahvan kationinvaihtimen kompleksinmuodostuskyky heikkeni lämpötilan kasvaessa. Näytekomponenttien erotus ei kuitenkaan parantunut lämpötilan noustessa tutkituilla stationäärifaaseilla.

Determination of sugars and organic acids in pulp samples by capillary electrophoresis with UV detection

This MSc work was done in the project of BIOMECON financed by Tekes. The prime target of the research was, to develop methods for separation and determination of carbohydrates (sugars), sugar acids and alcohols, and some other organic acids in hydrolyzed pulp samples by capillary electrophoresis (CE) using UV detection. Aspen, spruce, and birch pulps are commonly used for production of papers in Finland. Feedstock components in pulp predominantly consist of carbohydrates, organic acids, lignin, extractives, and proteins. Here in this study, pulps have been hydrolyzed in analytical chemistry laboratories of UPM Company and Lappeenranta University in order to convert them into sugars, acids, alcohols, and organic acids. Foremost objective of this study was to quantify and identify the main and by-products in the pulp samples. For the method development and optimization, increased precision in capillary electrophoresis was accomplished by calculating calibration data of 16 analytes such as D-(-)-fructose, D(+)-xylose, D(+)-mannose, D(+)-cellobiose, D-(+)-glucose, D-(+)-raffinose, D(-)-mannitol, sorbitol, rhamnose, sucrose, xylitol, galactose, maltose, arabinose, ribose, and, α-lactose monohydratesugars and 16 organic acids such as D-glucuronic, oxalic, acetic, propionic, formic, glycolic, malonic, maleic, citric, L-glutamic, tartaric, succinic, adipic, ascorbic, galacturonic, and glyoxylic acid. In carbohydrate and polyalcohol analyses, the experiments with CE coupled to direct UV detection and positive separation polarity was performed in 36 mM disodium hydrogen phosphate electrolyte solution. For acid analyses, CE coupled indirect UV detection, using negative polarity, and electrolyte solution made of 2,3 pyridinedicarboxylic acid, Ca2+ salt, Mg2+ salts, and myristyltrimethylammonium hydroxide in water was used. Under optimized conditions, limits of detection, relative standard deviations and correlation coefficients of each compound were measured. The optimized conditions were used for the identification and quantification of carbohydrates and acids produced by hydrolyses of pulp. The concentrations of the analytes varied between 1 mg – 0.138 g in liter hydrolysate.