DIPLOMSKO DELO

(1)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

DIPLOMSKO DELO

Jaka Komar

Ljubljana, 2021

(2)

(3)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM 1. STOPNJE KEMIJSKO INŽENIRSTVO

Izbira topila za ekstrakcijo 5-hidroksimetilfurfurala iz vodne faze

DIPLOMSKO DELO

Jaka Komar

M

^ENTOR

: izr. prof. dr. Blaž Likozar

Ljubljana, 2021

(4)

(5)

IZJAVA O AVTORSTVU

diplomskega dela

Spodaj podpisani Jaka Komar

sem avtor diplomskega dela z naslovom: Izbira topila za ekstrakcijo 5- hidroksimetilfurfurala iz vodne faze.

S svojim podpisom zagotavljam, da:

 je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom izr.

prof. dr. Blaža Likozarja;

 sem poskrbel, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v predloženem diplomskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;

 se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje

predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);

 sem poskrbel za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;

 je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.

V Ljubljani, 24. 8. 2021 Podpis avtorja:

(6)

(7)

Zahvala

Zahvaljujem se svojemu mentorju, izr. prof. dr. Blažu Likozarju, za pomoč in ključne strokovne nasvete med nastajanjem diplomskega dela.

Velika zahvala gre delovni mentorici, dr. Ljudmili Fele Žilnik, ki me je pri laboratorijskemu delu vodila in usmerjala, hkrati pa podajala nasvete glede

diplomskega dela.

Hvala tudi dr. Urošu Novaku in dr. Miši Mojci Cajnko za pomoč pri izvajanju laboratorijskih analiz.

Na koncu bi se zahvalil še svoji družini, punci in vsem prijateljem, ki so mi med študijem pomagali, me podpirali in motivirali.

(8)

(9)

Izbira topila za ekstrakcijo 5-hidroksimetilfurfurala iz vodne faze Povzetek:

5-hidroksimetilfurfural (5-HMF) je spojina, ki postaja v današnjem času zaradi svoje uporabnosti na področju biogoriv in proizvodnje kemikalij vse bolj poznana. Za njeno proizvodnjo je ključna metoda ekstrakcije tekoče–tekoče, pri kateri iz vodne faze ekstrahiramo 5-hidroksimetilfurfural v organsko fazo. Za uspešno vzpostavitev tega procesa pa je potrebno poznavanje ravnotežja trokomponentnega sistema voda – 5-hidroksimetilfurfural – organsko topilo.

Namen diplomskega dela je izbira organskega topila za ekstrakcijo spojine 5-HMF z dobrim izkoristkom. Za topila 2-etilheksan-1-ol (2-EtH), ciklopentil metil eter (CPME), izoforon (ISP), benzil alkohol (BnOH), 2-sek-butilfenol (2-SBP) in tetrahidrofuran (THF) je bila določena ekstrakcijska izoterma v izbranem koncentracijskem območju 5-HMF- ja. Pripravljena je bila serija dvofaznih sistemov različnih volumskih razmerij (O/Aq)vol

z vodno fazo, ki je vsebovala 1,5 ali 5 oz. 9 ut% 5-HMF. Opravljen je bil tudi presejalni test za dve seriji naključnih topil različnih polarnosti v volumskem razmerju (O/Aq)vol = 1 : 1.

Količina 5-HMF-ja je bila v posamezni fazi določena z analizo HPLC preko kalibracijske krivulje iz umeritvenih standardov. Iz dobljenih rezultatov smo nato izračunali še porazdelitvene koeficiente (Kd) in tako kvantificirali sposobnost ekstrakcije topila.

Najboljše rezultate je dosegel THF z dodatkom NaCl v vodno fazo – porazdelitveni koeficient sistema s tem topilom je znašal 9,1. ISP in BnOH sta dosegla porazdelitvene koeficiente 3,65 in 3,8, Kd za 2-SBP pa se je gibal v območju 1,8–9. Kd za topila metil izobutil keton (MIBK), etil acetat (EtAc), butan-2-ol (2-BuOH), 2-metil-2-butanol (TAA) in 2-metiltetrahidrofuran (2-MTHF) je bil v območju 1–2.

Ključne besede: 5-hidroksimetilfurfural, ekstrakcija tekoče-tekoče, topilo, separacija, ekstrakcijska izoterma

(10)

(11)

Solvent selection for extraction of 5-hydroxymethylfurfural from aqueous phase Abstract:

5-hydroxymethylfurfural (5-HMF) is a compound that is becoming increasingly recognized due to its utility in the field of biofuels and chemical production. A key method for its production is the liquid-liquid extraction, during which the 5- hydroxymethylfurfural is extracted from aqueous to organic phase. A thorough understanding of the tricomponent system water–5-hydroxymethylfurfural–organic solvent equilibrium is needed for a successful establishment of the aforementioned process.

The purpose of this work is choosing a solvent for extraction of 5-HMF with a good yield.

An extraction isotherm, in a selected concentration range, was determined for solvents 2- ethylhexan-1-ol (2-EtH), cyclopentyl methyl ether (CPME), isophorone (ISP), benzyl alcohol (BnOH), 2-sec-butylphenol (2-SBP) and tetrahydrofuran (THF). We prepared a series of biphasic systems of different volumetric ratios (O/Aq)vol, with the aqueous phase containing 1,5, 5 or 9 wt% of 5-HMF. We also conducted a screening test for two series of randomly selected solvents with different polarities in a 1:1 volumetric ratio.

The amount of 5-HMF in each phase was determined with HPLC analysis by calibration standards. From the results we calculated the partition coefficient (Kd) and quantified the solvent's extraction capabilities.

THF with addition of NaCl showed the best results, partition coefficient of this system was 9,1. ISP and BnOH reached partition coefficients of 3,65 and 3,8, meanwhile the Kd for 2-SBP fell into the 1,8–9 range. Kd for solvents methyl isobutyl ketone (MIBK), ethylacetat (EtAc), butan-2-ol (2-BuOH), 2-methyl-2-butanol (TAA) and 2-methyltetrahydrofuran (2-MTHF) moved within the 1-2 range.

Keywords: 5-hydroxymethylfurfural, liquid-liquid extraction, solvent, separation, extraction isotherm

(12)

(13)

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 5-hidroksimetilfurfural... 1

1.2 Sinteza 5-hidroksimetilfurfurala ... 2

1.3 Dvofazni sistemi za ekstrakcijo 5-HMF ... 4

1.3.1 Enokomponentne faze... 5

1.3.2 Večkomponentne faze... 6

2 Namen dela... 7

3 Eksperimentalni del ... 9

3.1 Uporabljeni materiali ... 9

3.2 Merilne tehnike ... 10

3.2.1 Tekočinska kromatografija visoke ločljivosti ... 10

3.3 Medsebojna topnost voda–topilo ... 13

3.4 Priprava vzorcev... 13

3.4.1 Priprava prve in druge skupine "screening" topil ... 14

3.4.2 Priprava dvofaznega sistema z 2-EtH in CPME... 16

3.4.3 Priprava dvofaznega sistema z ISP in BnOH ... 19

3.4.4 Priprava dvofaznega sistema s THF in 2-SBP ... 19

4 Rezultati in razprava ... 21

4.1 Določitev koncentracij oz. 5-HMF-ja v vodni in organski fazi ... 21

4.2 Določitev porazdelitvenega koeficienta (Kd) ... 22

4.3 Predstavitev rezultatov za posamezno topilo ... 23

5 Zaključek ... 37

6 Literatura ... 39

(14)

(15)

Kazalo slik

Slika 1.1: Strukturna formula 5-hidroksimetilfurfurala... 1

Slika 1.2: Poenostavljen prikaz pretvorbe heksoz v 5-HMF in druge stranske produkte. 2 Slika 1.3: Koncept LLE-metode za ekstrakcijo 5-HMF-ja. ... 3

Slika 3.1: Blokovni diagram, ki prikazuje komponente in potek HPLC-analize... 10

Slika 3.2: Primer kromatograma HPLC-analize. ... 12

Slika 3.3: Aparatura za HPLC... 12

Slika 3.4: Umeritvena krivulja za določanje koncentracije 5-HMF-ja v vzorcih. ... 14

Slika 4.1: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo 2-EtH. ... 24

Slika 4.2: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi za topilo 2-EtH... 25

Slika 4.3: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo CPME. ... 26

Slika 4.4: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi za topilo CPME. ... 27

Slika 4.5: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo ISP. ... 28

Slika 4.6: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi za topilo ISP. ... 29

Slika 4.7: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo BnOH. ... 30

Slika 4.8: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi za topilo BnOH. ... 31

Slika 4.9: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo 2-SBP. ... 32

Slika 4.10: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi za topilo 2-SBP. ... 33

Slika 4.11: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo THF. ... 34

Slika 4.12: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v vodni ravnotežni fazi za topilo THF... 35

Slika 4.13: Povzetek vseh porazdelitvenih koeficientov za posamezna preučevana topila. ... 36

(16)

(17)

Kazalo tabel

Tabela 1: Dvofazni sistemi za uporabo pri ekstrakciji 5-HMF-ja in njihovi izkoristki [11].

... 4 Tabela 2: Uporabljeni materiali, njihovi proizvajalci in čistost spojine. ... 9 Tabela 3: Medsebojna topnost vode (Aq) in organskega topila (O) pri podani temperaturi.

... 13 Tabela 7: Volumska razmerja za "screening" topila prve in druge skupine ... 15 Tabela 4: Volumska razmerja za posamezni dvofazni sistem z 2-EtH in CPME. ... 16 Tabela 5: Zatehte vzorcev za dvofazni sistem 9 ut% modelna vodna raztopina–2-EtH.

... 17 Tabela 6: Zatehte vzorcev za dvofazni sistem 9 ut% modelne vodne raztopine–CPME.

... 18 Tabela 8: Volumska razmerja za THF... 19 Tabela 9: Ravnotežni utežni delež 5-HMF-ja v organski in vodni fazi ter porazdelitveni koeficient za "screening" topila prve skupine... 23 Tabela 10: Ravnotežni utežni delež 5-HMF-ja v organski in vodni fazi ter porazdelitveni koeficient za "screening" topila druge skupine... 23

(18)

(19)

Seznam uporabljenih kratic in simbolov

2-BuOH butan-2-ol (angl. butan-2-ol)

2-EtH 2-etilheksan-1-ol (angl. 2-ethylhexan-1-ol)

2-MTHF 2-metiltetrahidrofuran (angl. 2-methyltetrahydrofuran) 2-SBP 2-sek-butilfenol (angl. 2-sec-butylphenol)

5-HMF 5-hidroksimetilfurfural (angl. 5-hydroxymethylfurfural) BHA butilhidroksianizol (angl. butylated hydroxyanisole) BnOH benzil alkohol (angl. benzyl alcohol)

CPME ciklopentil metil eter (angl. cyclopentyl methyl ether) DCM diklorometan (angl. dichloromethane)

DMSO dimetilsulfoksid (angl. dimethyl sulfoxide) EtAc etilacetat (angl. ethylacetat)

FDCA 2,5-furandikarboksilna kislina (angl. 2,5-furandicarboxylic acid) GVL γ-valerolakton (angl. γ-valerolactone)

ISP izoforon (angl. isophorone)

Kd porazdelitveni koeficient (angl. partition coefficient) LLE ekstrakcija tekoče–tekoče (angl. liquid-liquid extraction) MIBK metil izobutil keton (angl. methyl isobutyl ketone)

MTBE terc-butil metil eter (angl. tert-butyl methyl ether) NMP N-metil-2-pirolidon (angl. N-Methyl-2-pyrrolidone) PET polietilen tereftalat (angl. polyethylene terephthalat) PTA para-tereftalna kislina (angl. para-terephthalic acid) PVP polivinilpirolidon (angl. polyvinylpyrrolidone) TAA 2-metil-2-butanol (angl. 2-methyl-2-butanol) THF tetrahidrofuran (angl. tetrahydrofuran)

(20)

(21)

Izbira topila za ekstrakcijo 5-hidroksimetilfurfurala iz vodne faze Jaka Komar

1

1 Uvod

1.1 5-hidroksimetilfurfural

Spojine, ki bi lahko zmanjšale potrebo človeštva po škodljivih in neobnovljivih fosilnih gorivih, so v zadnjem času zelo priljubljena tematika na področju raziskav. Bioobnovljive kemikalije, proizvedene iz biomase oz. natančneje iz sladkorjev, so trenutno ena najboljših alternativ zaradi visoke vsebnosti ogljika in velike razpoložljivosti [1].

Ena takšnih kemikalij je 5-hidroskimetilfurfural (5-HMF), ki jo lahko pridobimo v procesu dehidracije heksoz (sladkorjev s šestimi ogljiki) [2]. Gre za molekulo, sestavljeno iz furanskega obroča, na katerega sta vezani aldehidna in hidroksilna funkcionalna skupina (Slika 1.1), kar omogoča pretvorbo 5-HMF-ja v nadaljnje produkte [1].

Molekula, kot je FDCA (2,5-furandikarboksilna kislina), bi lahko nadomestila PTA (para-tereftalna kislina) pri proizvodnji PET (polietilenteraftalat), ki se uporablja za izdelavo plastenk. Molekula 2,5-dimetilfuran pa je zaradi svojih lastnosti eno najbolj obetavnih biogoriv. To sta le dva izmed mnogih derivatov 5-HMF-ja [3, 4]. Zaradi navedenih dejstev je 5-HMF ena izmed desetih najbolj perspektivnih biomolekul na listi Oddelka za energijo Združenih držav Amerike (angl. U.S. Department of Energy) [5].

Slika 1.1: Strukturna formula 5-hidroksimetilfurfurala.

Zgodovina omenjene molekule sega v 19. stoletje, ko sta Düll in Kiermeyer leta 1895 neodvisno objavila članka o kemijski spojini, ki sta jo takrat poimenovala

»oksimetilfurfural« [6]. Zanimanje za furanske derivate se je v dvajsetem stoletju le še stopnjevalo, posledično je rastlo tudi število znanstvenih člankov; danes jih je na to tematiko spisanih že več kot 1000 [6]. Kljub številnim raziskavam, obsežnem poznavanju reakcijske kinetike in razumevanju mehanizma reakcije pa sinteza 5-HMF-ja še ni na točki, ko bi jo lahko izvajali v industrijskem merilu, saj je reakcija zelo kompleksna in lahko predstavlja številne probleme.

(22)

2

1.2 Sinteza 5-hidroksimetilfurfurala

Sinteza 5-HMF-ja temelji na treh mogočih reakcijskih mehanizmih. Prvi mehanizem je metoda kislinsko katalizirane dehidracije heksoz, drugi je reakcija heksoz z aminokislinami ali amini, imenovana Maillardova reakcija, tretji pa je aldol-kondenzac ija manjših sladkorjev [7].

Od teh je najpogosteje uporabljen mehanizem kislinsko katalizirane dehidracije heksoz.

Gre za odcepitev molekule vode s pomočjo kisline v vsakem od treh korakov, od začetne heksoze do končnega 5-HMF-ja. Številne raziskave kažejo, da bi reakcija lahko potekala po ciklični ali po aciklični poti, žal pa ni bil sprejet še noben enoten dogovor [7].

Glavni vir heksoz predstavlja lignocelulozna biomasa, ki sestoji pretežno iz celuloze (25–

50 %), hemiceluloze (15–40 %) in lignina (5–25 %) [8]. Pretvorba te biomase do želenih sladkorjev zahteva čim bolj učinkovito predobdelavo in hidrolizo celuloze, saj proces poteče v majhni meri in ni selektiven [9]. Glukoza in fruktoza, monomerni enoti celuloze, ki ju pridobimo v zgoraj navedenem procesu, sta osnovni molekuli za sintezo 5-HMF-ja.

Glukoza, ki je sicer cenovno bolj ugodna, je precej bolj stabilna in se pretvori v veliko manjši meri kot pa dražja, vendar bolj reaktivna in selektivna fruktoza. Iz tega razloga posvečajo znanstveniki svojo pozornost obema molekulama. Van Dam in sodelavci so obravnavali reakcijo kislinsko katalizirane dehidracije glukoze in fruktoze v vodni in nevodni raztopini [10]. Dokazali so, da se lahko posamezni sladkor preko procesov izomerizacije, dehidracije, ločitve in kondenzacije pretvori v približno 37 različnih spojin. Slika 1.2 prikazuje poenostavljen potek reakcije dehidracije in njene produkte.

Poglaviten dejavnik pri nižanju izkoristka sinteze 5-HMF-ja je rehidracija 5-HMF-ja v levulinsko in mravljinčno kislino, kar se zgodi v vodni raztopini. Enakovreden dejavnik pa je tudi polimerizacija v netopne huminske kisline, kar pa se zgodi v vodni in nevodni raztopini [12, 13].

Slika 1.2: Poenostavljen prikaz pretvorbe heksoz v 5-HMF in druge stranske produkte.

(23)

3

Izkaže se, da je izbira topila (med drugimi dejavniki) ključnega pomena pri sintezi 5- HMF-ja, saj zadostna čistost in zadostna stopnja separacije topila 5-HMF-ja poveča izkoristek [12]. Uporaba čiste vode kot topila je iz ekonomskega in okoljevarstvenega vidika najbolj atraktivna, žal pa je izkoristek zelo majhen. Raziskave takega sistema pri temperaturah nad 200 °C kažejo, da je največji možni izkoristek zgolj 30 %. Uporaba nevodnega topila, ki je bila prva alternativa raziskovalcev na tem področju, naleti na problem slabe topnosti heksoz v teh topilih, saj so te molekule zelo hidrofilne. Da bi našli topilo z zadostno topnostjo heksoz, so znanstveniki izvedli številne teste različnih nevodnih topil, kjer so DMF (2,5-dimetilformamid), DMSO (dimetilsulfoksid) in acetonitril izstopali kot potencialne visokovreliščne organske spojine za uporabo pri sintezi 5-HMF-ja [6].

Možno rešitev problema uporabe vodnih ali organskih (nevodnih) topil pa je leta 1931 prvi predstavil Teunissen, ki je predlagal uporabo homogenega dvofaznega sistema (voda–organsko topilo) [13]. Tak sistem je sestavljen iz topila oziroma vstopne faze, ki jo nasičimo s topljencem. Ker v vstopni fazi poteče reakcija nastanka 5-HMF-ja, jo imenujemo tudi reakcijska faza. Reakcijsko fazo po izvedeni reakciji vodimo v separator, v katerega hkrati uvajamo ekstrakcijsko fazo. V našem primeru je ta faza čisto organsko topilo, ki se ne meša z vstopnim topilom, vanj pa se 5-HMF med procesom konstantno akumulira. Najpogosteje je prva faza polarna voda in druga faza tekoče organsko topilo.

Takšna tehnika separacije, ki se imenuje ekstrakcija tekoče–tekoče ali LLE, bi lahko potencialno obšla probleme visoke energijske porabe in neučinkovitosti, ki jih predstavljajo prej navedene tehnike [14]. Slika 1.3 prikazuje LLE-metodo za ekstrakcijo 5-HMF-ja.

Slika 1.3: Koncept LLE-metode za ekstrakcijo 5-HMF-ja.

5-HMF, ki vstopa v separator, prek fazne meje prehaja v ekstrakcijsko fazo. Rafinat, tj.

izstopna reakcijska faza, vsebuje veliko manjši delež 5-HMF-ja kot na vstopu, medtem ko izstopna ekstrakcijska faza vsebuje glavnino te molekule. Bistvo dvofaznega sistema

(24)

4

z uporabo LLE je v tem, da se 5-HMF, ki je nastal v reakciji v vodni fazi, hitro ekstrahira v organsko fazo, saj je le v tej stabilnejši in ne rehidrira v stranske produkte. Porazdelitev topljenca med obema fazama je posledica razlike v kemijskem potencialu ene in druge raztopine. Sistem se tako pomika proti ravnotežju, kjer bo prosta entalpija, tj. razlika kemijskih potencialov, najnižja [15]. Spremenljivka, ki podaja porazdelitev topljenca med fazama, imenovana porazdelitveni koeficient (Kd), je razmerje med koncentracijo topljenca v organskem topilu in vodi. Višje kot je razmerje, bolj učinkovito je topilo.

Poleg tega mora uporabljeno topilo izkazovati čim večjo selektivnost do topljenca, vendar z njim ne sme reagirati. Še bolj pomembno pa je, da lahko topilo, ki smo si ga izbrali, učinkovito odstranimo v procesu "solvent recovery" in tako pridobimo čim več 5-HMF- ja, topilo pa vračamo nazaj v proces [15].

1.3 Dvofazni sistemi za ekstrakcijo 5-HMF

Izkaže se, da obstajajo številne kombinacije topil za tvorbo dvofaznega sistema tekoče–

tekoče. Ta je odvisen od mnogih dejavnikov, kot so izbira topila za reakcijsko in ekstrakcijsko fazo, razmerje posameznih topil med fazama, vrsta katalizatorja, vrsta stabilizatorja, modifikatorja in substrata, iz katerega pridobivamo 5-HMF. Substrat je lahko glukoza, saharoza ali pa fruktoza.

Neglede na navedene dejavnike je reakcijska faza največkrat kar voda, medtem ko se za ekstrakcijsko fazo preizkušajo številna organska topila [11]. Nekateri dvofazni sistemi in njihovi izkoristki 5-HMF-ja so podani v Tabela 1, ki je povzeta po literarnem viru [11].

V tabeli so navedeni tudi izbrani modifikatorji in katalizatorji za posamezen sistem ter temperatura ekstrakcije. Substrat je v vseh primerih fruktoza.

Tabela 1: Dvofazni sistemi za uporabo pri ekstrakciji 5-HMF-ja in njihovi izkoristki [11].

Reakcijska

faza (RF) Ekstrakcijska

faza (EF) Modifi-

kator Volumsko razmerje RF : EF

Katalizator T

(°C) ^Iz^k^or

istek

5-HMF (%)

H2O MIBK / 1 : 9 Lewatit SPC-

108 88 36

H2O MIBK / 1 : 1,25 Diaion PK216 90 28

H2O MIBK / 1 : 2,25 Ag3PW12-

O40

120 78

H2O MIBK-2–BuOH

(7 : 3) / 1 : 4 HCl 180 47,6

(25)

5

H2O MIBK-2–BuOH

(7 : 3)

/ 1 : 4 HCl 180 41,9

H2O MIBK-2–BuOH

(7 : 3)

/ 1 : 2 Amberlyst-70 180 57,6

H2O Toluen / 2 : 3 Al-TUD-1 170 20

H2O Butironitril / 1 : 9 Lewatit SPC-

108 89 24

H2O Dietilketon / 1 : 9 Lewatit SPC-

108

83 17

H2O Heptan / 1 : 9 Lewatit SPC-

108

84 6 H2O 2-Nitropropan / 1 : 9 Lewatit SPC-

108

87 36

H2O Benzonitril / 1 : 9 Lewatit SPC-

108

88 40 H2O 2,2′-

Dikloroetileter

/ 1 : 9 Lewatit SPC- 108

84 42

H2O Isopar E / 1 : 9 Lewatit SPC-

108

85 8

H2O Isopar G / 1 : 9 Lewatit SPC-

108

87 9 H2O–

DMSO (5:5)

MIBK / 1 : 1 Diaion PK216 90 73

H2O–NMP (4:6)

MIBK / 1 : 1 Diaion PK216 90 83

H2O–

DMSO–PVP (5,6 : 1,4 : 3)

MIBK-2–BuOH

(7 : 3) / 1 : 4 HCl 180 71

H2O–

DMSO–PVP (5,6 : 1,4 : 3)

MIBK-2–BuOH (7 : 3)

/ 1 : 4 HCl 180 76

H2O THF NaCl 1 : 3 FePO4 140 71,5

H2O THF NaCl

(35 ut%)

1 : 3 Cr/β zeolit 150 74

H2O THF NaCl 1 : 4 HfO(PO4)x 160 94,8

H2O 1-BuOH / 1 : 3 TiO2 200 18

H2O 1-BuOH NaCl

(13 ut%)

1 : 3,6 HCl 170 81,7

H2O 2-BuOH / 1 : 1,5 Nb2O5·nH2O 160 89

1.3.1 Enokomponentne faze

MIBK (metil izobutil keton) pri uporabi ionizacijskih smol kot katalizatorjev doseže relativno nizke izkoristke. Pri uporabi smole Lewatit SPC-108 s fruktozo kot substratom

(26)

6

izkoristek 5-HMF-ja za sistem H2O/MIBK doseže le 36 % [16]. Poleg MIBK so raziskovalci kot topilo za ekstrakcijsko fazo uporabili tudi toluen, butironitril, dietilketon, heptan, 2-nitropropan, izopar E, izopar G, benzonitril in 2,2′-dikloroetileter, ki pa niso zagotavljali izkoristkov, višjih od 42 % [16]. Poleg ionizacijskih smol pa lahko v sistemu H2O/MIBK uporabimo kislinski katalizator Ag3PW12O40. Ta v sistemu doseže kar 78 % izkoristek pretvorbe fruktoze v 5-HMF že po samo eni uri pri 120 °C [17].

1.3.2 Večkomponentne faze

Pri uporabi smole Diaion PK216 kot katalizatorja so znanstveniki uporabili nov pristop.

Vodi v reakcijski fazi so dodali še druga topila, kot sta na primer DMSO (dimetilsulfoksid) in NMP (N-metil-2-pirolidon). Takšen sistem je zvišal izkoristke ekstrakcije: H2O–DMSO/MIBK je dosegel 73 % izkoristek, medtem ko je H2O–

NMP/MIBK dosegel kar 83 % izkoristek ekstrakcije [11]. Naknadno so se pojavile tudi kombinacije topil v ekstrakcijski fazi, kjer so znanstveniki poskušali z različnimi razmerji topil dosegati čim višje stopnje konverzije in selektivnosti za 5-HMF. Roman-Lehskov in sodelavci [18] so opravili analize za različne kombinacije reakcijske in ekstrakcijske faze. V njihovem delu se je najbolje odrezal dvofazni sistem H2O–DMSO–PVP (polivinilpirolidon)/MIBK–2-BuOH, ki je dosegel 71 % izkoristek in 91 % konverzijo.

Kot ekstrakcijska faza so bili uporabljeni tudi THF (tetrahidrofuran), 1-BuOH in 2-BuOH [11].

Kljub številnim raziskavam na temo izbire ustreznega dvofaznega sistema za ekstrakcijo 5-HMF-ja pa industrijska proizvodnja še ni mogoča, zato so potrebni nadaljnji preizkusi.

(27)

7

2 Namen dela

V diplomskem delu smo se osredotočili na izbiro organskega topila za ekstrakcijo 5- HMF-ja iz vodne faze z metodo LLE. Namen našega dela je bil, da v množici izbranih potencialnih topil določimo tiste, ki zagotavljajo učinkovito ekstrakcijo 5-HMF-ja iz vodne faze z dobrim izkoristkom, hkrati pa so cenovno ugodna za uporabo v industrijski proizvodnji 5-HMF-ja.

Za šest izbranih organskih topil smo določili ekstrakcijsko izotermo za ekstrakcijo 5- HMF-ja iz modelne vodne raztopine z organskim topilom pri sobni temperaturi in porazdelitvene koeficiente 5-HMF-ja med fazama. Spreminjali smo volumsko razmerje organske proti vodni fazi (O/Aq)vol in določili ravnotežne podatke za ekstrakcijo 5-HMF- ja iz modelne vodne raztopine.

Za niz organskih topil različne polarnosti pa smo izvedli "solvent screening" oziroma t. i.

presejalni test topil pri enem izbranem volumskem faznem razmerju (O/Aq)vol organske proti vodni fazi in primerjali porazdelitvene koeficiente 5-HMF-ja.

(28)

(29)

9

3 Eksperimentalni del

3.1 Uporabljeni materiali

Vsi materiali, ki smo jih uporabili pri eksperimentalnem delu, so navedeni v spodnji tabeli. BHA je antioksidant, ki smo ga uporabili kot stabilizator v začetni modelni vodni (angl. stock) raztopini 5-HMF-ja in tako preprečili razpadanje molekule. NaCl služi kot modifikator v sistemu voda–THF, ki se sicer mešata med seboj, od dodatku soli NaCl pa sistem postane dvofazen in omogoča ekstrakcijo 5-HMF-ja iz vodne v organsko fazo (THF) z visokimi izkoristki.

Tabela 2: Uporabljeni materiali, njihovi proizvajalci in čistost spojine.

Ime Proizvajalec Čistost

5-HMF BIOSYNTH Carbosynth > 97 %

2-EtH Sigma Aldrich > 99,6 %

2-SBP Sigma Aldrich 98 %

CPME Sigma Aldrich > 99,9 %

benzil alkohol Fluka Chemika > 99 %

ISP Acros organics 97 %

EtAc Honeywell 99,5 %

TAA Acros organics 99 %

MIBK Merck 99 %

MTBE Merck 99 %

2-BuOH Merck 99 %

2-MTHF Sigma Aldrich 99 %

BHA Sigma Aldrich 99 %

cikloheksan Zorka Šabac 99,5 %

toluen Merck 99,99 %

benzen Sigma Aldrich ≥ 99 %

DCM Merck 99,4 %

NaCl Merck Millipore ≥ 99,5 %

p-ksilen Fluka Chemika 99 %

n-heptan Merck 99 %

THF Merck Millipore 99,8 %

(30)

10

3.2 Merilne tehnike

3.2.1 Tekočinska kromatografija visoke ločljivosti

Koncentracijo 5-HMF-ja v organski in vodni fazi smo določali z uporabo tekočinske kromatografije visoke ločljivosti. Tekočinska kromatografija visoke ločljivosti (angl.

high performance liquid chromatography) oziroma HPLC je analizna tehnika, s katero lahko zelo učinkovito prepoznamo posamezno komponento določene mešanice in določimo njeno koncentracijo.

Tehnika tekočinske kromatografije temelji na različnih interakcijah med snovmi v vstopni mešanici (mobilna faza) in adsorbentnim materialom (stacionarna faza), zato snovi v mobilni fazi skozi sistem potujejo z različno hitrostjo. Gre torej za vrsto adsorpcijske kromatografije, pri kateri skozi kolono, napolnjeno z majhnimi trdnimi delci velike specifične površine, črpamo mobilno fazo s pomočjo visokotlačnih črpalk [19].

Stacionarna faza sestoji iz relativno polarnega materiala; največkrat so to kroglice s premerom 3–10 µm, narejene iz silikata, uporablja pa se tudi aluminijev ali magnezijev oksid. Mobilna faza je komponenta HPLC-ja, ki služi za prenos analita skozi kolono.

Izbira mobilne faze je odvisna od vrste tekočinske kromatografije, s katero analiziramo.

Pri adsorpcijski kromatografiji gre običajno za mešanico vode in organskega topila, na primer acetonitrila, heksana ali metanola, v katerem se vzorec dobro raztaplja. Sestavo te faze lahko med analizo spreminjamo, kar imenujemo gradientno izpiranje, ali pa jo držimo konstantno, čemur pravimo izokratsko izpiranje. Pretok mobilne faze je običajno v rangu 0,5–5 ml/min [20].

Slika 3.1: Blokovni diagram, ki prikazuje komponente in potek HPLC-analize.

(31)

11

Pri črpanju mobilne faze čez porozne delce stacionarne faze prihaja do padca tlaka čez celotno dolžino kolone. Manjši kot so delci, večji je padec tlaka, kar pa morajo črpalke kompenzirati, da zagotovimo konstanten pretok mobilne faze skozi kolono. Padec tlaka skozi porozen medij nam podaja Darcyjeva enačba:

∆𝑃 = 𝜇𝑢𝐿

𝐵 (1)

kjer je ∆𝑃 razlika tlakov na začetku in koncu kolone, 𝐿 dolžina kolone, 𝐵 permabilnost, 𝜇 viskoznost mobilne faze in 𝑢 površinska hitrost (angl. superficial velocity), ki jo dobimo kot količnik med pretokom Q in površino preseka kolone A. Vidimo, da je padec tlaka premo sorazmeren z dolžino kolone in obratno sorazmeren s permeabilnostjo poroznega medija [21]. Obratovalni tlak visokotlačnih črpalk za HPLC lahko znaša do pribl.

600 barov oziroma 60 MPa, od koder izvira tudi staro ime metode »visokotlačna tekočinska kromatografija« [20]. Kromatografske kolone za višje tlake so narejene iz nerjavečega jekla dolžine 10–30 cm in notranjega premera 0,3–10 mm, kjer je najpogostejši premer 4,6 mm. Pri delu s tlaki, ki so manjši od 10 bar, se lahko uporablja tudi teflonske ali steklene kolone [20].

Vzorec je po izstopu iz kolone potrebno tudi analizirati, za kar uporabljamo vrsto selektivnih detektorjev. Spektrofotometri, fluorimetri in elektrokemični detektorji so le nekateri izmed mnogih. Detektor vrača signale, ki jih programska oprema zapisuje v obliki kromatograma (Slika 3.2), hkrati pa program izpiše še podatka za retencijski čas tR

in višino teoretskega poda H za posamezno komponento. Površino teoretskega poda (vrha) določimo računsko z integracijo ali pa uporabimo za to ustrezno programsko orodje. Površino vrha nato preko umeritvene krivulje pretvorimo v koncentracijo naše vzorčne komponente [19].

(32)

12

Slika 3.2: Primer kromatograma HPLC-analize.

Aparatura, s katero smo določali koncentracijo 5-HMF-ja:

Naprava: Thermo Scientific™ Dionex™

UltiMate 3000 UHPLC⁺

Kolona: Supelco Gel 8H 300 x 7,8 mm Detektor: UV-VIS diodni detektor pri 285 nm

Mobilna faza: 2.0 mM H2SO4 s pH = 2 Pretok: 0,6 ml/min

Čas analize: 30 min

Temperatura kolone: 70 °C Temperatura vzorca: 22 °C Injicirani volumen: 1 μl

Slika 3.3: Aparatura za HPLC.

(33)

13

3.3 Medsebojna topnost voda–topilo

Pri ekstrakciji tekoče–tekoče idealno uporabimo topili, ki sta med seboj popolnoma netopni, v realnem primeru pa se pogosto zgodi, da se del enega topila raztaplja v drugem in obratno. V primeru ekstrakcije 5-HMF-ja to pomeni, da se del vode raztopi v organskem topilu in s tem kontaminira naš ekstrakt, poleg tega pa negativno vpliva na stabilnost 5-HMF-ja. V nasprotnem primeru pa se del organskega topila raztopi v vodi, kar pomeni izgube tega topila. Količino vode v organskih topilih se lahko določa z metodo Karl Fischer za določitev vode. V Tabela 3 je navedenih nekaj topnosti kot utežni deleži topljenca v topilu v procentih.

Tabela 3: Medsebojna topnost vode (Aq) in organskega topila (O) pri podani temperaturi.

Topnost (ut%)

Topilo T (℃) Aq v O O v Aq

2-EtH 25 2 0,088

CPME 25 0,55 1,12

ISP 30 4,5–6 1

EtAc 20 3,3 8,7

TAA 25 23,46 11,01

MIBK 25 2,6 1,25

MTBE 25

34,75 1,4

1,6 4,1

3,2

2-MTHF 25 3,7 11,5

toluen 25 0,0532 0,0682

benzen 25 0,074 0,179

DCM 25 0,176 1,701

p-ksilen 25 4,5 1,8

n-heptan 20 0,01 0,0003

3.4 Priprava vzorcev

Vsi standardi in vzorci so bili raztopljeni v acetonu z ustrezno razredčitvijo.

Kvantifikacija je bila izvedena z večtočkovno kalibracijo s pripravljenimi kalibracijskimi raztopinami 5-HMF-ja v acetonu, v koncentracijskem območju 0,072 mg/g–4,329 mg/g.

(34)

14

Slika 3.4: Umeritvena krivulja za določanje koncentracije 5-HMF-ja v vzorcih.

Kot vodno fazo smo pripravili modelno vodno raztopino (angl. stock) z 9,0 ut% 5-HMF- ja, ki smo jo naredili z dodatkom 49,5 g 5-HMF-ja in 0,74 g BHA-ja kot stabilizatorja v 500 ml destilirane vode. Raztopino smo zaradi prisotnosti morebitnih nečistoč tudi prefiltrirali.

Vsi dvofazni sistemi so bili pripravljeni v stekleničkah z volumnom 15 ml, v katere smo odpipetirali ustrezno količino modelne vodne raztopine in organskega topila, tako da smo dobili čim večji nabor volumskih razmerij (O/Aq)vol.

3.4.1 Priprava prve in druge skupine "screening" topil

Z namenom pridobitve okvirne informacije o porazdelitvenih koeficientih 5-HMF-ja za določena topila smo pripravili dvofazne sisteme za izbrano množico organskih topil v volumskem razmerju 1 : 1. Topila smo razdelili v skupino 1 in skupino 2. Prva je predstavljala bolj polarna, druga pa manj polarna topila. Topila prve skupine so bila MIBK, 2-SBP, GVL, 2-BuOH, 2-MTHF, EtAc, MTBE, ISP, BnOH in TAA, topila druge skupine pa kloroform, benzen, toluen, heptan, cikloheksan in p-ksilen. Dvofazni sistemi teh topil so bili pripravljeni okvirno z 5 ml 1,5 ut% modelne vodne raztopine in 5 ml topila. Pripravljene vzorce smo stresali dve uri, nato pa jih pustili mirovati 48 ur pri temperaturi 23 ℃, da so se faze ustrezno ločile.

0 100 200 300 400 500 600 700

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Signal [mAU*min]

5-HMF [ut%]

Umeritvena krivulja

(35)

15

Tabela 4: Volumska razmerja za "screening" topila prve in druge skupine

Topilo Aq O O/A

Skupina 1 Skupina 2 [ml] [ml] [/]

MIBK kloroform 5 5 1

2-SBP benzen 5 5 1

GVL toluen 5 5 1

2-BuOH heptan 5 5 1

2-MTHF cikloheksan 5 5 1

EtAc p-ksilen 5 5 1

MTBE / 5 5 1

ISP / 5 5 1

BnOH / 5 5 1

TAA / 5 5 1

Po fazi mirovanja smo iz stekleničk ločeno odvzeli del zgornje in spodnje faze, ki smo ju prenesli v vialo. Pri tem koraku smo v steklenički z GVL in 2-SBP naleteli na problem:

v prvi steklenički je zaradi visoke oz. popolne topnosti GVL v vodi bila prisotna ena faza, pri 2-SBP pa ni prišlo do popolne separacije obeh faz. Domneven razlog za slednje je majhna razlika v gostoti obeh komponent. GVL je bil posledično izvzet kot primerno topilo za ekstrakcijo 5-HMF-ja iz vode, 2-SBP pa smo se odločili predhodno centrifugirati.

Preostale vzorce za analizo smo pripravili v vialah in smo jih redčili na dva načina. Vzorci za topila prve skupine so bili pripravljeni z 40 μl vodne faze in 1 ml acetona ter 100 μl organske faze in 1 ml acetona, pri drugi skupini topil pa smo za razliko uporabili 50 μl vodne faze. Da bi preko izmerjenega utežnega deleža pri HPLC-analizi lahko določili utežni delež 5-HMF-ja v originalnem vzorcu, smo beležili maso vzorca po vsakem dodatku snovi v vialo.

(36)

16

3.4.2 Priprava dvofaznega sistema z 2-EtH in CPME

Pri uporabi 2-EtH smo pripravili sedem stekleničk z volumskimi razmerji organske in vodne faze med 0,3 in 2, v primeru CPME pa smo pripravili devet različnih vzorcev v območju med 0,33 in 3. Zaradi morebitnih odstopanj smo v obeh primerih pripravili dve paralelki z modelno vodno raztopino, ki je vsebovala 9 ut% 5-HMF.

Tabela 5: Volumska razmerja za posamezni dvofazni sistem z 2-EtH in CPME.

2-EtH CPME

Oznaka Aq O O/Aq Oznaka Aq O O/Aq

vzorca [ml] [ml] [/] vzorca [ml] [ml] [/]

1a, b 10 3 0,3 1a, b 9 3 0,33

2a, b 8 4 0,5 2a, b 8 4 0,5

3a, b 6 4 0,67 3a, b 7 4 0,57

4a, b 4 4 1 4a, b 6 4 0,67

5a, b 4 6 1,5 5a, b 5 5 1

6a, b 4 7 1,75 6a, b 4 6 1,5

7a, b 4 8 2 7a, b 4 7 1,75

8a, b 4 8 2

9a, b 3 9 3

Tako pripravljene vzorce smo kontaktirali na stresalniku dve uri, nato pa so mirovali vsaj 16 ur ter vse do 72 ur pri povprečni sobni temperaturi 23 ℃. V stopnji mirovanja želimo doseči čim boljšo porazdelitev 5-HMF-ja med fazama in popolno ločitev organske in vodne faze z jasno vidno mejo med njima, saj nam to omogoča učinkovito ločbo topil.

Po mirovanju smo iz stekleničke odvzeli del vsake izmed faz in ga prenesli v vialo, ki smo jo dopolnili z acetonom. Pri 2-etilheksan-1-olu je bilo razmerje v vialah enako 100 μl organske faze : 1 ml acetona in 40 μl vodne faze : 1 ml acetona, pri CPME pa 100 μl organske faze : 1 ml acetona in 50 μl vodne faze : 1 ml acetona. Z namenom določitve utežnega deleža 5-HMF-ja v originalnem vzorcu preko HPLC analize, smo beležili maso vzorca po vsakem dodatku snovi v vialo.

(37)

17

Tabela 6: Zatehte vzorcev za dvofazni sistem 9 ut% modelna vodna raztopina–2-EtH.

2-EtH

O (organska faza) Aq (modelna vodna raztopina)

100 μl O

1 ml

acetona+ 1 ml

acetona+

100 μl O 40 μl Aq 40 μl Aq oznaka zatehta (g) zatehta (g) oznaka zatehta (g) zatehta (g) 1a 2-EtH-O 0,08567 1,02644 1a 2-EtH-Aq 0,03788 0,96336 1b 2-EtH-O 0,08216 1,08876 1b 2-EtH-Aq 0,03727 0,99059 2a 2-EtH-O 0,08358 1,08905 2a 2-EtH-Aq 0,04000 0,99694 2b 2-EtH-O 0,08371 1,08470 2b 2-EtH-Aq 0,04189 0,99280 3a 2-EtH-O 0,08323 1,08191 3a 2-EtH-Aq 0,03829 1,01125 3b 2-EtH-O 0,08053 1,07974 3b 2-EtH-Aq 0,03732 0,99881 4a 2-EtH-O 0,08444 0,90874 4a 2-EtH-Aq 0,04117 1,00482 4b 2-EtH-O 0,08514 1,11203 4b 2-EtH-Aq 0,04057 1,00106 5a 2-EtH-O 0,08515 1,11206 5a 2-EtH-Aq 0,03816 1,00305 5b 2-EtH-O 0,08455 1,05108 5b 2-EtH-Aq 0,03760 0,99762 6a 2-EtH-O 0,08454 1,13454 6a 2-EtH-Aq 0,03708 0,99434 6b 2-EtH-O 0,08202 1,08097 6b 2-EtH-Aq 0,03923 0,99081 7a 2-EtH-O 0,08110 1,06959 7a 2-EtH-Aq 0,03913 1,00539 7b 2-EtH-O 0,08439 1,07920 7b 2-EtH-Aq 0,03561 0,97657

(38)

18

Tabela 7: Zatehte vzorcev za dvofazni sistem 9 ut% modelne vodne raztopine–CPME.

CPME

O (organska faza) Aq (modelna vodna raztopina)

100 μl O

1 ml

acetona+ 1 ml

acetona+

100 μl O 50 μl Aq 50 μl Aq oznaka zatehta (g) zatehta (g) oznaka zatehta (g) zatehta (g) 1a CPME-O 0,08670 0,99142 1a CPME-Aq 0,04821 0,96381 1b CPME-O 0,08810 1,07631 1b CPME-Aq 0,05228 1,02045 2a CPME-O 0,08910 1,07940 2a CPME-Aq 0,04647 1,00379 2b CPME-O 0,08497 1,07115 2b CPME-Aq 0,05172 0,97154 3a CPME-O 0,08236 1,07679 3a CPME-Aq 0,04915 0,94226 3b CPME-O 0,08672 1,08389 3b CPME-Aq 0,04782 1,03896 4a CPME-O 0,08132 1,08617 4a CPME-Aq 0,04624 1,02941 4b CPME-O 0,08457 1,06809 4b CPME-Aq 0,04462 0,98713 5a CPME-O 0,07891 1,06731 5a CPME-Aq 0,04630 1,03761 5b CPME-O 0,08042 1,06932 5b CPME-Aq 0,04805 1,03432 6a CPME-O 0,07961 1,07363 6a CPME-Aq 0,04872 1,03976 6b CPME-O 0,08376 1,07602 6b CPME-Aq 0,04765 1,02273 7a CPME-O 0,08241 1,04686 7a CPME-Aq 0,04803 1,03537 7b CPME-O 0,08315 1,05704 7b CPME-Aq 0,04992 1,02817 8a CPME-O 0,08174 1,03678 8a CPME-Aq 0,04891 1,04576 8b CPME-O 0,08112 1,05152 8b CPME-Aq 0,04861 0,98162 9a CPME-O 0,08105 1,04896 9a CPME-Aq 0,04875 1,04138 9b CPME-O 0,08011 1,03171 9b CPME-Aq 0,04719 1,03198

Z namenom analize porazdelitvenega koeficienta v območju nižjih utežnih deležev 5- HMF-ja smo osnovno modelno vodno raztopino redčili v razmerju 100 ml modelna raztopina : 500 ml destilirana voda in tako dobili razredčeno modelno vodno raztopino z 1,5 ut% 5-HMF-ja. To raztopino smo uporabili za enak način priprave dvofaznega sistema, kot je bil opisan že zgoraj. Volumski deleži vodne in organske faze so enaki za 2-EtH in CPME ter znašajo 9 : 3, 7 : 4, 5 : 5, 4 : 7 in 3 : 9, kjer so volumni v ml. Vzorce za analizo smo pripravili iz 40 μl vodne faze in 1 ml acetona ter 100 μl organske faze in 1 ml acetona.

(39)

19

3.4.3 Priprava dvofaznega sistema z ISP in BnOH

Izoforon in benzil alkohol sta po opravljeni analizi izkazovala najboljši porazdelitveni koeficient 5-HMF-ja, zato smo eksperimente razširil na širše koncentracijsko območje 5- HMF-ja. Analogno kot pri CPME smo z 1,5 ut% modelno vodno raztopino pripravili devet vzorcev različnih volumskih razmerij za ISP in BnOH. Naknadno smo z mešanjem 100 ml modelne vodne raztopine in 80 ml destilirane vode pripravili še razredčeno modelno vodno raztopino s 5 ut% 5-HMF-ja. S slednjo smo pripravili dodatnih pet vzorcev za obe analizirani spojini in dopolnili koncentracijsko območje med 1,5 in 10 ut% 5-HMF-ja. Pri enem od vzorcev z ISP (razmerje O/Aq = 0,33; 5 ut% modelna vodna raztopina) je prišlo do visoke stopnje disperzije ene faze v drugi, zaradi česar smo vzorec zavrgli.

Preostale vzorce smo pripravili v vialah za HPLC-analizo, in sicer v razmerju: 1 ml acetona + 100 μl ISP-O, 1 ml acetona + 50 μl ISP-Aq, 1 ml acetona + 70 μl BnOH-O, 1 ml acetona + 50 μl BnOH-Aq. Redčitve veljajo za 1,5 ut% in 5 ut% 5-HMF modelno vodno raztopino.

3.4.4 Priprava dvofaznega sistema s THF in 2-SBP

Mnogi viri, med njimi tudi J. Esteban s sodelavci, so dokazali pozitiven vpliv dodatka NaCl na dvofazna ravnotežja za ekstrakcijo 5-HMF-ja. Med ravnotežji je še posebej izstopal bifazni sistem THF–voda–5-HMF, ki je z dodatkom soli dosegel ločitev vodne in organske faze in učinkovito ekstrakcijo 5-HMF-ja v organsko fazo. Z namenom pridobitve konkretnih ravnotežnih podatkov in porazdelitvenih koef. 5-HMF-ja med fazama smo opravili analize za navedeni sistem. Pripravili smo več vzorcev z različnimi volumskimi razmerji, za vodno fazo pa smo uporabili 1,5 ut% in 5 ut% 5-HMF modelno vodno raztopino, nasičeno s soljo. Razmerja so navedena v Tabela 8.

Tabela 8: Volumska razmerja za THF.

1,5 ut% modelna vodna raztopina z

NaCl 5 ut% modelna vodna raztopina z NaCl

THF + NaCl THF + NaCl

Oznaka Aq O O/A Oznaka Aq O O/A

vzorca [ml] [ml] [/] vzorca [ml] [ml] [/]

2 THF 8 4 0,5 1a THF 9 3 0,33

4 THF 6 4 0,67 3a THF 7 4 0,57

6 THF 4 6 1,5 5a THF 5 5 1

8 THF 4 8 2 7a THF 4 7 1,75

9 THF 3 9 3 9a THF 3 9 3

(40)

20

Po pripravi sistema smo tega kontaktirali dve uri, nato pa pustili mirovati 72 ur. Vsako od faz smo nato posamezno odvzeli iz stekleničke in iz nje pripravili vzorce za HPLC- analizo tako, da smo v ločenih vialah z 1 ml acetona redčili 100 μl organske faze in 50 μl vodne faze.

Dvofazni sistem z 2-SBP je pripravljen po enakem postopku kot sistem s THF, vendar brez dodatka soli. Za ustrezno ločitev faz smo sisteme pripravili v 15 ml centrifugirkah, kjer smo jih centrifugirali 10 minut na 4000 obratih. Po centrifugiranju smo fazi ločili in pripravili vzorce za analizo. Pri 1,5 ut% modelni vodni raztopini smo 100 μl organske faze in 65 μl vodne faze v ločenih vialah redčili z 1 ml acetona, za 5 ut% modelno vodno raztopino pa smo 1 ml acetona dodali v vialo z 80 μl organske faze in v vialo s 50 μl vodne faze.

(41)

21

4 Rezultati in razprava

5-HMF je spojina, ki je potencialen kandidat za platformno kemikalijo prihodnost i.

Njegova uporabnost in možnost pridobivanja iz lignocelulozne biomase ga uvrščata med ekološko zelo pomembne molekule, zato je razvoj učinkovite industrijske proizvodnje 5-HMF-ja ključen. Eden od proizvodnih korakov je ekstrakcija 5-HMF-ja iz vode v organsko topilo z namenom stabilizacije in lažje ekstrakcije produkta. S tem namenom smo se odločili analizirati množico organskih topil, ki bi jih lahko uporabili v tem koraku, in za stacionarne dvofazne sisteme voda–organsko topilo izdelati ravnotežne krivulje porazdelitve 5-HMF-ja med obema fazama.

4.1 Določitev koncentracij oz. 5-HMF-ja v vodni in organski fazi

S HPLC-analizo smo za vsak vzorec pridobili signal v enotah mAU*min, ki je pripadal določenemu utežnemu deležu 5-HMF-ja na kalibracijski krivulji.

𝐴[𝑚𝐴𝑈 ∗ min] = 1503,2 ∗ 𝑤[𝑢𝑡%] (4.1.1) 𝑤[𝑢𝑡%] =𝐴[𝑚𝐴𝑈 ∗ min]

1503,2 (4.1.2)

Iz dobljenih utežnih deležev smo preko celotne mase vsebine viale izračunali maso 5- HMF-ja v zatehti organske faze (enačba 4.1.3), nato pa iz te vrednosti izračunali delež 5- HMF-ja v organski in vodni fazi v 15 ml steklenički (enačbi 4.1.4 in 4.1.5).

𝐻𝑃𝐿𝐶[𝑢𝑡%] ∗ 𝑐𝑒𝑙. 𝑧𝑎𝑡𝑒ℎ𝑡𝑎[𝑔] = 𝑚(5-𝐻𝑀𝐹)[𝑔] (4.1.3) 𝑚(5-𝐻𝑀𝐹)[𝑔]

𝑧𝑎𝑡𝑒ℎ𝑡𝑎 𝑜𝑟𝑔. 𝑓𝑎𝑧𝑒 [𝑔]= 𝑤(5-𝐻𝑀𝐹) (4.1.4) 𝑤(5-𝐻𝑀𝐹) ∗ 100% = 𝑤(5-𝐻𝑀𝐹)[𝑢𝑡%] (4.1.5)

(42)

22

4.2 Določitev porazdelitvenega koeficienta (Kd)

Glavna spremenljivka, ki smo jo določali iz izračunanih utežnih deležev, je porazdelitveni koeficient Kd oziroma razmerje med ravnotežno količino 5-HMF-ja v organski in vodni fazi. Ta je odvisen poglavitno od izbire organskega topila, pa tudi od začetne sestave (začetnih volumnov) dvofaznega sistema oz. koncentracije 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi. Za posamezno topilo smo pripravili dva grafa. Prvi graf prikazuje odvisnost količine 5-HMF-ja v organski fazi od tiste v vodni fazi. Drug graf podaja odvisnost Kd od utežnega deleža 5-HMF-ja v vodni fazi.

(43)

23

4.3 Predstavitev rezultatov za posamezno topilo

V Tabela 9 in Tabela 10 so zbrani ravnotežni podatki porazdelitve 5-HMF-ja med fazama za izbrana "screening" topila prve in druge skupine v volumskem razmerju 1 : 1. Topila prve skupine predstavljajo bolj polarna topila, topila druge skupine pa manj polarna. V zadnjem stolpcu so navedeni izračunani ravnotežni porazdelitveni koeficienti.

Tabela 9: Ravnotežni utežni delež 5-HMF-ja v organski in vodni fazi ter porazdelitveni koeficient za "screening" topila prve skupine.

(O/Aq)v = 1/1

Topilo O (ut% 5-HMF) Aq (ut% 5-HMF) Kd (w/w)

benzil alkohol 1,10605 0,29231 3,78

izoforon 1,21917 0,33743 3,61

2-MTHF 1,14488 0,57090 2,01

TAA 1,04662 0,52521 1,99

2-BuOH 0,99273 0,61960 1,60

EtAc 0,95572 0,64812 1,47

MIBK 0,94840 0,72761 1,30

Iz Tabela 9 je razvidno, da je porazdelitveni koeficient za topili ISP in BnOH efektivno 1,8-krat večji od preostalih "screening" topil. V primerjavi s topiloma 2-EtH in CPME, katerih vrednosti za Kd pri nizkih koncentracijah dosegata zgolj 0,55 in 0,38, gre tu za kar več kot šestkratno povečanje v porazdelitvi 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo.

2-MTHF, TAA, 2-BuOH, EtAc in MIBK kljub temu izkazujejo relativno visok Kd.

Tabela 10: Ravnotežni utežni delež 5-HMF-ja v organski in vodni fazi ter porazdelitveni koeficient za "screening" topila druge skupine.

(O/Aq)vol = 1/1

Topilo O (ut% 5-HMF) Aq (ut% 5-HMF) Kd (w/w)

kloroform 1,15415 0,26543 4,348

benzen 0,09522 1,46633 0,065

toluen 0,06448 1,49873 0,043

p-ksilen 0,04815 1,50392 0,032

cikloheksan 0,00537 1,54618 0,003

heptan 0,00250 1,53100 0,002

Vsa topila druge skupine, izključujoč kloroform, izkazujejo zelo nizke vrednosti Kd.

Kloroform, ki je v literaturi naveden kot dobro ekstrakcijsko topilo za 5-HMF, pa je rakotvoren in uvrščen na evropsko regulacijsko listo »REACH«, zato ga je zaželeno nadomestiti z bolj zelenimi topili [22].

(44)

24

Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo 2-EtH je predstavljena na Slika 4.1, Slika 4.2 pa podaja izračunane porazdelitvene koeficiente 5- HMF-ja med vodno in organsko fazo v odvisnosti od koncentracije 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi.

Slika 4.1: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo 2-EtH.

y = -0,0169x² + 0,5717x R² = 0,9975

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

O (ut% 5-HMF)

Aq (ut% 5-HMF) Topilo 2-EtH, T = 23 °C

(45)

25

Slika 4.2: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi za topilo 2-EtH.

Iz slike 4.1 je razvidno, da porazdelitev 5-HMF-ja med fazama ni strogo linearna. Kd ni konstanten, ampak pada z naraščajočo koncentracijo 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi.

Porazdelitveni koeficient je relativno nizek, opazimo pa, da je Kd pri nižji ravnotežni koncentraciji 5-HMF-ja v vodni fazi nekoliko višji (Kd = 0,56) kot pa pri višji koncentraciji (Kd = 0,44).

y = -0,0006x² - 0,0127x + 0,5716 R² = 0,961

0,40 0,42 0,44 0,46 0,48 0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

KD

Aq (ut% 5-HMF)

Topilo 2-EtH, T = 23 °C

(46)

26

Slika 4.3 prikazuje ravnotežno porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo CPME, Slika 4.4 pa podaja izračunane porazdelitvene koeficiente 5-HMF-ja med vodno in organsko fazo v odvisnosti od koncentracije 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi.

Slika 4.3: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo CPME.

y = -0,0078x² + 0,3953x R² = 0,9994

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

O (ut% 5-HMF)

Aq (ut% 5-HMF) Topilo CPME, T = 23 °C

(47)

27

Slika 4.4: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi za topilo CPME.

Porazdelitveni koeficient za sistem s topilom CPME znaša 0,38 za koncentracijsko območje 0,7–1,4 ut% 5-HMF-ja in 0,34 za konc. območje 4,5–8,2 ut%. Iz Slika 4.4 je razvidno počasno a konstantno padanje porazdelitvenega koeficienta po celotnem konc.

območju 5-HMF-ja v vodni fazi. Kd je po celotnem območju grafa še nižji kot za 2-EtH.

y = -0,0001x² - 0,0063x + 0,3911 R² = 0,9715

0,32 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Kd

Aq (ut% 5-HMF) Topilo CPME, T = 23 °C

(48)

28

Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo ISP je predstavljena na Slika 4.5, Slika 4.6 pa podaja izračunane porazdelitvene koeficiente 5- HMF-ja med vodno in organsko fazo v odvisnosti od koncentracije 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi.

Slika 4.5: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo ISP.

y = -0,2554x² + 3,8285x R² = 1

0 1 2 3 4 5 6 7

0 0,5 1 1,5 2

O (ut% 5-HMF)

Aq (ut% 5-HMF) Topilo ISP, T = 23 °C

(49)

29

Slika 4.6: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi za topilo ISP.

Rezultati širše analize za ISP so prikazani na Slika 4.5. Odvisnost porazdelitve 5-HMF- ja ustreza polinomu druge stopnje, ki strmo narašča. Glede na utežni delež 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi se Kd giblje v območju 3,35–3,75, kar predstavlja relativno hitro padanje Kd-ja z višanjem koncentracije 5-HMF-ja.

y = -0,0642x² - 0,1021x + 3,7575 R² = 0,9766

3,30 3,35 3,40 3,45 3,50 3,55 3,60 3,65 3,70 3,75 3,80

0 0,5 1 1,5 2

Kd

Aq (ut% 5-HMF) Topilo ISP, T = 23 °C

(50)

30

Slika 4.6 prikazuje ravnotežno porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo BnOH, Slika 4.7 pa prikazuje izračunane porazdelitvene koeficiente 5-HMF-ja med vodno in organsko fazo v odvisnosti od koncentracije 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi.

Slika 4.7: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo BnOH.

y = -0,1532x² + 3,9038x R² = 1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0,5 1 1,5 2 2,5

O (ut% 5-HMF)

Aq (ut% 5-HMF) Topilo BnOH, T = 23 °C

(51)

31

Slika 4.8: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi za topilo BnOH.

Na sliki 4.7 vidimo popolno prekrivanje točk porazdelitve 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo ter polinoma druge stopnje. Pri nižjih koncentracijah je Kd večji kot pri višjih.

Na Slika 4.8 vidimo, da se Kd za sistem z BnOH giblje med 3,55 in 3,9 ter pada z večanjem koncentracije 5-HMF-ja v vodni fazi.

y = -0,1586x + 3,9142 R² = 0,952 3,50

3,55 3,60 3,65 3,70 3,75 3,80 3,85 3,90 3,95

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Kd

Aq (ut% 5-HMF) Topilo BnOH, T = 23 °C

(52)

32

Slika 4.9 prikazuje ravnotežno porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo 2-SBP. Izračunani porazdelitveni koeficienti 5-HMF-ja med vodno in organsko fazo v odvisnosti od koncentracije 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi pa so prikazani na Slika 4.10.

Slika 4.9: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo 2-SBP.

y = -1,2917x² + 8,8232x R² = 0,9989

0 2 4 6 8 10 12

0 0,5 1 1,5

O (ut% 5-HMF)

Aq (ut% 5-HMF) Topilo 2-SBP, T = 23 °C

(53)

33

Slika 4.10: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v ravnotežni

vodni fazi za topilo 2-SBP.

Točke na Slika 4.9 za topilo 2-SBP v primerjavi z drugim topilom najmanj sledijo linearnemu profilu. Kd dosega relativno visoke vrednosti med 3 in 9, Slika 4.10 pa pokaže nelinearno odvisnost koeficienta od koncentracije 5-HMF-ja v Aq-fazi. Graf iz desne strani enakomerno narašča in doseže maksimum pri 0,27 ut% 5-HMF-ja v vodni fazi, nato pa porazdelitveni koeficient strmo pade. Razlog za to je lahko slaba ločba faz pri 2- SBP ali pa drugačno obnašanje ravnotežja v tem koncentracijskem območju.

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00

0 0,5 1 1,5

Kd

Aq (ut% 5-HMF) Topilo 2-SBP, T = 23 °C

(54)

34

THF z dodatkom NaCl

Slika 4.11 prikazuje ravnotežno porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo THF z dodatkom NaCl. Slika 4.12 prikazuje izračunane porazdelitvene koeficiente 5-HMF-ja med vodno in organsko fazo v odvisnosti od koncentracije 5-HMF-ja v ravnotežni vodni fazi.

Slika 4.11: Ravnotežna porazdelitev 5-HMF-ja med organsko in vodno fazo za topilo THF.

y = -0,8719x² + 9,5937x R² = 0,9998

0 2 4 6 8 10 12

0 0,5 1

O (ut% 5-HMF)

Aq (ut% 5-HMF) Topilo THF, T = 23 °C

(55)

35

Slika 4.12: Porazdelitveni koeficient v odvisnosti od deleža 5-HMF-ja v vodni ravnotežni fazi za topilo THF.

Nasičenje vodne faze z NaCl povzroči izpodrivanje 5-HMF-ja in THF-ja iz vodne faze, zato je ekstrakcija zelo učinkovita. To vidimo tudi iz naklona trendne črte na sliki 4.11, ki predstavlja najvišjo vrednost, kar pa je analogno z najvišjo doseženo vrednostjo Kd izmed vseh analiziranih topil. Na Slika 4.12 vidimo, da so v nizkem koncentracijskem območju 0,5 ut% 5-HMF-ja porazdelitveni koeficienti dokaj razpršeni in ne ustrezajo linearnemu trendu. Vrednosti Kd so med 8,8 in 9,5.

y = -0,5115x + 9,2886 R² = 0,5269 8,40

8,60 8,80 9,00 9,20 9,40 9,60

0 0,5 1 1,5

Kd

Aq (ut% 5-HMF) Topilo THF, T = 23 °C

(56)

36

Na Slika 4.13 so prikazani porazdelitveni koeficienti pri nizkih koncentracijah za vsa topila, ki smo jih preučevali v tem diplomskem delu. Opazimo, da porazdelitveni koeficienti pokrivajo široko območje, od 10^-3 vse do 10¹ in so močno odvisni od dvofaznega sistema v katerem ekstrakcija poteka. Izpostaviti je treba, da najboljša tri topila navedena na sliki 4.13 predstavljajo določene izzive. THF z dodatkom NaCl dosega najvišje vrednosti, vendar je dodatek soli v industrijski proizvodnji nezaželen zaradi nevarnosti korozije. Pri uporabi 2-SBP predstavlja problem dodaten korak centrifugiranja za doseganje ustrezne ločbe, kloroform pa se v industriji zaradi njegove škodljive narave opušča. BnOH in ISP sta tako naslednji zelo primerni topili brez očitnih slabosti.

Slika 4.13: Povzetek vseh porazdelitvenih koeficientov za posamezna preučevana

topila.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

heptan cikloheksan p-ksilen toluen benzen CPME 2-EtH MIBK EtAc 2-BuOH TAA 2-MTHF ISP BnOH kloroform 2-SBP THF

K_d

(57)

37

5 Zaključek

V diplomskem delu smo se osredotočili na izbiro organskega topila za ekstrakcijo 5-hidroksimetilfurfurala iz vodne faze z metodo LLE. S HPLC-analizo smo preko kalibracijske krivulje določali količino 5-HMF-ja v organski ter vodni fazi za pripravljene dvofazne sisteme. Znotraj izbranega koncentracijskega območja 5-HMF-ja smo pri temperaturi 23 °C definirali ekstrakcijsko izotermo za šest topil in izračunali vrednost porazdelitvenega koeficienta 5-HMF-ja za ta organska topila. Iskali smo topila, katerih vrednosti porazdelitvenih koeficientov so primerne za uporabo v industrijski ekstrakciji LLE 5-HMF-ja.

Rezultati eksperimentalnega dela pokažejo, da ustreznost topila težko določimo zgolj na podlagi strukture, protičnosti oziroma aprotičnosti in polarnosti topila, imajo pa alkoholi, z aromatskim obročem in furani nekoliko višjo prioriteto. THF je v preučevanem dvofaznem sistemu izkazoval najboljši Kd. V tem sistemu nasičenje vodne faze z NaCl povzroči efekt izsoljevanja oziroma izpodrivanja 5-HMF-ja v organsko fazo, ki hkrati nastane. Tudi sistemi z 2-SBP, ISP in BnOH so dosegali visoke porazdelitvene koeficiente, kljub temu pa sta zadnja dva bolj primerna zaradi dodatnega koraka centrifugiranja sistema z 2-SBP. Topili 2-EtH in CPME sta dosegali nizke stopnje ekstrakcije 5-HMF-ja v organsko fazo, navkljub velikim pričakovanjem glede na literaturne podatke o njihovi učinkovitosti za ekstrakcijo furfurala iz vodne faze.

Za dve seriji organskih topil različnih polarnosti smo opravili presejalni test dvofaznih sistemov v volumskem razmerju (O/Aq)vol = 1 : 1. Za topila MIBK, EtAc, 2-BuOH, TAA in 2-MTHF je bil Kd v rangu 1–2. Z uporabo večstopenjske ekstrakcije so tudi ta topila potencialni kandidati za industrijsko ekstrakcijo. Porazdelitveni koeficienti druge serije topil, izključujoč kloroform, so zanemarljivo majhni.

Kljub dobljenim rezultatom menimo, da se bodo z nadaljnjimi raziskavami našla še bolj ustrezna topila z večjo stopnjo izkoristka, ki bodo izkazovala višji porazdelitveni koeficient za ta proces.

(58)