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Advanced chromatographic methods for lignin characterization = Verbesserte chromatographische Methoden zur Lignincharakterisierung
2020
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020
Deutsche und englische Zusammenfassung
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-09-21
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Moderne Bioraffinerien nutzen erneuerbare Rohstoffe, wie zum Beispiel lignocellulosehaltige Biomasse, für eine nachhaltige Produktion von Kraftstoffen und Chemikalien. Effiziente Lignocelluloseverwertungsprozesse beinhalten normalerweise einen thermischen- oder elektrochemischen Ligninabbauprozess. Neben komplexen Produktmischungen sowie geringen Ausbeuten der Zielprodukte, stellen fehlende geeignete analytische Methoden für eine qualitative und quantitative Beurteilung der Ligninabbauprozesse die größten Herausforderungen beim Ligninabbau dar. Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung und Entwicklung von chromatographischen Methoden für die Analyse von Lignin in Ligninverwertungsprozessen. Um Lignin in unbehandelter Biomasse zu analysieren, wurde eine bereits existierende Methode basierend auf Hochdurchsatz Anionenaustauschchromatographie mit gepulster amperometrischer Detektion um die Möglichkeit zur Detektion von Fermentationsinhibitoren, wie z.B. Aldehyden und Alkoholen aus Lignin, erweitert. Größenausschlusschromatographie (GPC) ist die Standardtechnik, um das Molekulargewicht von Lignin während des Abtrenn- und Abbauprozesses zu bestimmen. In dieser Arbeit wurden sekundäre Separierungseffekte, wie z.B. Säuleninteraktion oder Ligninassoziation, durch Zugabe von Additiven zum GPC Eluenten verringert. Flüssigkeitschromatographie gekoppelt mit Elektrosprayionisation-Quadrupol-Flugzeitmassenspektrometrie (LC-ESI-Q-ToF-MS) wurde genutzt um eine Modifikation der Ligninoberfläche als zugrundeliegenden Mechanismus der Lignocellulosebehandlung mit Laccasen in Kombination mit dem Mediator 1-Hydroxybenzotriazol zu identifizierenn. Außerdem wurde Kraft-Lignin elektrochemisch depolymerisiert und resultierende Abbauprodukte, wie z.B. Carbonsäuren, wurden mittels LC-ESI-Q-ToF-MS detektiert und quantifiziert. Um eine einfachere Analyse von komplexen Ligninabbauprozessen zu ermöglichen, wurden GPC und LC-ESI-QToF-MS gekoppelt. Mit Hilfe der neuen Methode konnte das Molekulargewicht von Lignin, sowie die Ligninabbauprodukte in einem einzigen Schritt untersucht werden, ohne arbeitsintensive Probenvorbereitungs- und Verdünnungsschritte. Insgesamt wird die Wichtigkeit von effizienten und exakten analytischen Methoden für die Ligninanalyse während des gesamten Bioraffinerieprozesses in dieser Arbeit hervorgehoben. Durch die Verbesserung existierender Analytik sowie die Kopplung von Methoden konnten erste wichtige Schritte zu einer vereinfachten und umfangreicheren Ligninanalyse gemacht werden. Speziell die Kopplung von Methoden birgt großes Potenzial, um die Vorteile verschiedener Techniken zu verbinden und somit ein besseres Verständnis von Lignin zu generieren.Recent biorefineries employ renewable resources such as lignocellulosic biomass for sustainable production of fuels and chemicals. Efficient lignocellulose valorization processes usually include thermochemical or electrochemical lignin degradation. However, complex product mixtures and low yields of target products are challenges in lignin degradation. Furthermore, a qualitative and quantitative assessment of lignin degradation processes is often not possible, due to the lack of suitable analytical methods. This work aims at improving and developing new chromatographic methods for the analysis of lignin in biorefineries and lignin valorizationprocesses. For the analysis of lignin in raw lignocellulosic biomass, an existing method based on high performance anion exchange chromatography coupled to pulsed amperometric detection was extended by the ability to detect lignin derived aldehydes and alcohols that act as fermentation inhibitors. Gel permeation chromatography (GPC) is the standard technique to monitor the lignin molecular weight during lignin removal and degradation. Here, secondary separation effects such as column interactions and lignin association were reduced by the addition of additives to GPC eluents. Liquid chromatography electrospray ionization quadrupole time-of-flight mass spectrometry (LC-ESI-Q-ToF-MS) was used to elucidate the underlying mechanism of lignocellulose treatment with laccases in combination with the mediator 1-hydroxybenzotriazole (HBT). Lignin surface modification by HBT grafting led to reduced unspecific cellulase adsorption and thus, increased glucose yields. Furthermore, Kraft lignin was electrochemically depolymerized to produce valuable degradation products such as carboxylic acids that were detected and quantified by LC-ESI-Q-ToF-MS. To enable a more facilitated analysis of complex lignin degradation processes, GPC and LC-ESI-Q-ToF-MS were coupled. With the help of the new method, the lignin molecular weight as well as lignin degradation products could be determined in a single step without labor intensive sample preparation and dilution steps. Overall, the importance of efficient and accurate analytical methods for lignin analysis during the whole biorefinery process chain was highlighted in this work. By refining existing analytical techniques and coupling of methods, first important steps were successfully taken for a facilitated and comprehensive lignin analysis. Especially, the coupling of different analytical methods has great potential to combine their respective advantages, thereby providing a better understanding of lignin chemistry.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020650202
Interne Identnummern
RWTH-2020-11334
Datensatz-ID: 807408
Beteiligte Länder
Germany
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