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沃特世让生物柴油的“引擎”转得更快

2018年08月01日 17:33:11来源:沃特世点击:13487


上海焕速文化传媒
  【中国化工仪器网 名企动态】2018年6月1日,上海市人民政府办公厅关于印发的《上海市支持餐厨废弃油脂制生物柴油推广应用暂行管理办法》正式开始实施,规范落实了由餐余油脂到生物柴油的全闭环管理,并提供政府资金优惠补贴。
 
  生物柴油好处多
 
  近年来,随着石油价格上涨,生物柴油作为其环保型替代品受到广泛关注,这是一种更加清洁的可再生燃料。生物柴油采用可再生资源,通过植物油(如芥花籽油和菜籽油)中的甘油三酯(TG)发生酯交换反应生成脂肪酸甲酯(FAME)而制得。此外,生物柴油的理化特性与传统的石油基柴油相近,因此无需经过任何改性即可直接用于柴油汽车,并且所有使用0#柴油的车皆可使用生物柴油。使用生物柴油可以防止地沟油回流餐桌、提升餐厨废弃油脂资源化利用水平,并促进资源综合利用。
 
  可靠的分析方法仍然必不可少
 
  然而,生物柴油本身所含的某些未转化油类化合物(如TG、甘油二酯(DG)、甘油单酯(MG)和甘油)可能会在发动机中沉积、堵塞滤清器、引起燃料劣化或形成有毒排放物,进而影响发动机性能1-3。 因此, 开发出灵敏且可靠的分析方法以便在各个生产阶段(尤其是生成最终的生物柴油产品时)监测和定量这些甘油酯类的浓度非常重要。对生物柴油生产商来说,理想情况是达到最高的FAME收率,同时最大程度减少MG、DG、TG和甘油等污染物。目前,各监管机构已针对生物柴油产品制定了不少标准,包括ASTM(美国材料和试验协会)标准D67514以及欧盟标准EN141055和EN5906,旨在控制和限制上述污染物。GC和HPLC都被用于分析生物柴油及其污染物。然而,表征这些化合物需要在不同实验条件下多次进样。在GC分析之前,分析人员需要进行繁琐的甘油酯衍生化处理,而传统的HPLC方法则需要较长的分析时间(30~80 min)。
 
  沃特世ACQUITY UPLC和Xevo G2 QTof 15分钟内完成多类别甘油酯分离
 
  • 方案优势:
 
  - 在生物柴油生产的各个阶段提供用于监测甘油酯化合物的有用信息。
 
  - 快速分离和确认不同类别的甘油酯。
 
  - 同时采集关键数据,包括低能量母离子数据(MS)和高能量碎片离子数据(MSE)。
 
  - 使用Xevo G2 QTof同时进行甘油酯的定性和定量分析。
 
  - 通过单次运行即可同时完成FAMEs(脂肪酸甲酯)和甘油酯的分析,无需衍生化或多次运行。
 
  


 
  沃特世ACQUITY UPLC-Xevo G2 QTof解决方案
 
  • 实验
 
  - LC条件
 
  进样UPLC梯度详见表1
 
   

 
  表1. 15 min生物柴油分析方法的ACQUITY UPLC梯度。
 
  - MS条件

 
  - MSE条件
 

 
  - LockSprayTM条件
 

 
  • 结果与讨论
 
  本研究采用简单的五步分析工作流程(如图1所示)鉴定生物柴油样品中的化合物。在进样至ACQUITY UPLC-Xevo G2 QTof MS联用系统中进行分析之前,用乙腈将生物柴油稀释100倍。
 
  


 

  图1. 用于生物柴油分析的TOF筛查工作流程。
 
  上述UPLC方法成功实现了不同类别甘油酯(包括FAME、MG、DG和TG)的色谱分离,结果如图2所示。
 
  

  图2. 生物柴油样品中不同类别甘油酯(FAME、MG、DG和TG)的UPLC色谱图
 
  所有分析均采用MSE模式,也就是在单次进样中使用并行的低碰撞能量和高碰撞能量MS模式采集分子数据(碎片离子、母离子和中性丢失),分别采集低能量母离子数据和高能量碎片离子数据。
 
  得益于Xevo G2 QTof的高质量精度,元素组成软件能够以更高的可信度和精密度确定未知化合物母离子和碎片离子的分子式。我们对保留时间7.49 min处的谱峰进行了元素组成分析,该峰由三个共流出峰组成,结果如图3所示。结合脂质数据库(www.lipidmaps.org),分析人员可推测化合物鉴定结果及其结构,并开展深入分析。
 
  

  图3. 7.49 min处的峰m/z 299.2953的元素组成。推测的元素组成为C19H39O2,即硬脂酸甲酯(MeS)。
 
  根据推测的化合物结构和Xevo G2 QTof采集到的MSE数据,使用MassFragment结构解析软件自动确认并关联推测的子离子。MassFragment能够使用一系列创新的化学智能算法自动鉴定子离子碎片。这大幅提高了鉴定推测化合物的可信度,如图4所示。使用该方法鉴定出的化合物列于表2中。
 
  

  图4. 使用MassFragment软件分配硬脂酸甲酯的MSE子离子所得的结果。
 
  

表2. Xevo G2 QTof采集到的各种甘油酯的解析结果,包括保留时间、质量、分子式和质量精度。
 
  * Me:指脂肪酸甲基酯。
 
  St:十八碳四烯酸;Ln:亚麻酸;L:亚油酸;G:鳕油酸;P:棕榈酸;O:油酸;S:硬脂酸;Po:棕榈油酸。
 
  +是指结合到甘油骨架(C3H5(OH)3)上的不同类型的脂肪酸。例如,LLn是指一分子亚油酸和一分子亚麻酸结合到甘油骨架上。
 
  本研究使用市售标准品进一步确认了几种FAME化合物的鉴定结果。亚麻酸甲酯(MeLn)、亚油酸甲酯(MeL)、油酸甲酯(MeO)、棕榈酸甲酯(MeP)和硬脂酸甲酯(MeS)标准品与生物柴油样品的保留时间和MS/MS谱图均成功匹配。图5为该工作流程的一个例子,其中MeS标准品的保留时间与生物柴油样品中的保留时间相同。我们随后对这些峰进行了MS/MS分析,以提高保留时间7.49 min处的化合物鉴定结果(硬脂酸甲酯)的可信度。
 
  

  图5. MeS标准品和生物柴油样品中MeS(7.49 min处)的提取离子流图(XIC)和MS/MS谱图(CE 20 V)。
 
  通过使用TargetLynx应用管理软件从MS数据中提取MeS峰(299.295 m/z)的离子信息,我们进一步完成了MeS的定量分析。所得校准曲线的相关系数达到了0.99,如图6所示。生物柴油样品中的MeS浓度为4.28 mg/mL。
 
  


 

  图6. MeS标准品的校准曲线。
 
  • 结论
 
  在实验中,ACQUITY UPLC与Xevo G2 QTof的组合为分离和鉴定各种甲酯和甘油酯类(如MG、DG和TG)提供了一款出色的工具。
 
  - 通过单次运行即可同时完成FAME和甘油酯的分析,无需衍生化或多次运行。
 
  - Xevo G2 QTof的MSE功能可通过单次快速筛查运行同时采集低能量母离子(MS)和高能量碎片离子(MSE)数据。
 
  - ACQUITY UPLC的保留时间重现性极高,与市售标准品相结合,可提高化合物鉴定的可信度。
 
  - 使用一套系统即可完成甘油酯的定性和定量分析。
 
  - 该方法在15 min内即可完成样品分析,能够在生物柴油生产的各个阶段提供用于监测甘油酯的有用信息。
 
  • 参考文献
 
  1. G Knothe. Analyzing biodiesel: Standards and other methods. JAOCS. 83:823-833, 2006.
 
  2. G Knothe. Analytical methods used in the production and fuel quality assessment of biodiesel. ASAE.44: 193-200, 2001.
 
  3. M Holcapek, P Jandera, J Fischer. Analysis of acylglycerols and methy esters of fatty acids in vegetable oils and in biodiesel. Crit Rev Anal Chem. 31:53-56, 2001.
 
  4. American Society for Testing and Materials (ASTM) standard D6751. Standard specification for biodiesel fuel blend stock (B100) for middle distillate fuels.
 
  5. European Committee for Standardisation. Standard EN 14105. Fat and oil derivatives - Fatty acid methyl esters (FAME) – Determination of free and total glycerol and mono-, di-triglyceride content.
 
  6. European Committee for Standardization. Standard EN 590. Automotive fuels – diesel – requirements and test methods.
 
  • 致谢:
 
  感谢台湾电力公司综合研究所(中国台湾)提供生物柴油样品。
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