Fortschritte bei der Anwendung spektroskopischer Techniken im Bereich der Biokraftstoffe in den letzten Jahrzehnten

Anzeige

Vibrationsspektroskopie: Infrarot- und Raman-Spektroskopie für die Bewertung von Biokraftstoffen

Die Vorstellung, dass Systeme, die aus Molekülen bestehen, Schwingungsbewegungen unterworfen sein können, bei denen sich ihre Atome in ständiger Bewegung um ihre Gleichgewichtslage befinden, lässt sich durch die Vibrationsspektroskopie erklären. Jedes Molekül besitzt eine Grundzustandsenergie (einschließlich der Schwingungsenergie), die sich als Summe verschiedener Komponenten beschreiben lässt. Diese Energie definiert die Mindestenergie, mit der sich die Atome in einem Molekül in einer periodischen Bewegung bewegen können, die hauptsächlich durch die sechs in Abbildung 2 dargestellten Bewegungen beschrieben wird.

Das Prinzip dieser Spektroskopieart besteht darin, dass elektromagnetische Strahlung mit Molekülen in Wechselwirkung treten kann und sie von ihrer Grundzustandsenergie in einen schwingungsangeregten Zustand bringt, in dem die Bewegungen der Atome eine höhere Energie haben. Der Zustandsübergang folgt quantenmechanischen Regeln und gehorcht quantisierten Energieniveaus; bei einer harmonischen Oszillatorbetrachtung der Schwingung ist die Energie, die ein Molekül von einem Schwingungszustand in einen unmittelbar höheren Zustand bringt, (12hv), wobei his die Planck-Konstante und vis die Frequenz der Schwingung ist. Das Photon, das mit einem Molekül in Wechselwirkung treten kann, muss also eine Energie haben, die diesem Wert entspricht, um den Schwingungszustand des Moleküls zu verändern; andernfalls wird der Übergang nicht erreicht. Der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der zu diesen Übergängen führen kann, ist der Infrarotbereich. Dieser Bereich kann in drei verschiedene Bereiche unterteilt werden, die sich für spektroskopische Untersuchungen eignen: Nahes Infrarot (NIR), 14.000-4000 cm-1, ermöglicht die Untersuchung von Obertönen und harmonischen oder kombinierten Schwingungen; mittleres Infrarot (MIR), 4000-400 cm-1, ermöglicht die Untersuchung der Grundschwingungen und der Rotations-Schwingungs-Struktur kleiner Moleküle; und fernes Infrarot (FIR), 400-10 cm-1, ermöglicht die Untersuchung der Schwingungen der leichten Atome. Ein mehratomiges Molekül kann je nach Anzahl der Atome und ihrer Freiheitsgrade viele Schwingungsarten aufweisen. Für nichtlineare Moleküle kann die Anzahl der möglichen Schwingungen durch die 3N- 6-Regel definiert werden, wobei N die Gesamtzahl der Atome ist. Verschiedene Moleküle machen also verschiedene Arten von Schwingungen durch, was zu verschiedenen möglichen Übergängen durch Absorption von Infrarotstrahlung führt. Dies ist die Voraussetzung für diese Art der Spektroskopie, da ein mit dieser Technik erzieltes Spektrum als Fingerabdruck eines Moleküls angesehen und speziell für die Analyse funktioneller Gruppen verwendet werden kann.

Die beiden wichtigsten Techniken zur Untersuchung dieser Schwingungen sind die Infrarot- und die Raman-Spektroskopie, und sie wurden seit Mitte des 20. Obwohl die theoretischen Kenntnisse bereits im vorigen Jahrhundert entwickelt wurden, gelang der Infrarotspektroskopie erst im Zweiten Weltkrieg der Durchbruch, als die Zahl der Instrumente von weniger als 20 vor dem Krieg auf 700 im Jahr 1947 anstieg. Mehrere britisch-amerikanische Programme während des Krieges gaben den Anstoß für die Erforschung und Entwicklung der ersten kommerziell erhältlichen Infrarotgeräte, z. B. für die Erdölanalyse (z. B. zur Rückverfolgung der Herkunft des von der deutschen Luftwaffe verwendeten Benzins), für die Qualitätskontrolle bei der Herstellung von synthetischem Kautschuk und für die Auflösung der Struktur von Penicillin. Beispiele für frühe Veröffentlichungen reichen von industriellen Anwendungen bis hin zu eher akademischen Studien. So nutzten Downing et al. die Infrarotspektroskopie, um Isomere des Moleküls Dichlordiphenyltrichlorethan zu unterscheiden und das Vorhandensein von Verunreinigungen in seinen Proben qualitativ zu erkennen, und Pfann et al. nutzten die Infrarotspektroskopie, um das Vorhandensein von Molekülfragmenten der zur Katalyse einer Polymerisationsreaktion verwendeten Initiatoren in der Struktur des endgültigen Polymers zu bewerten. Was den Bereich der Biokraftstoffe betrifft, so wurden die ersten Anwendungen der Infrarotspektroskopie erst Ende der 1990er Jahre beschrieben, da es sich um ein neueres Thema handelt. Im Jahr 1996 nutzten Adjaye et al. sie zur Charakterisierung verschiedener Mischungen von Siliziumdioxid-Aluminiumoxid und HZSM-5 als Katalysatoren für die katalytische Umwandlung eines Biokraftstoffs aus der thermischen Verarbeitung von Ahornholz in flüssige Kohlenwasserstoffe; im selben Jahr setzten Sanderson et al. die Technik für die Analyse der Zusammensetzung von Biomasse-Rohstoffen ein. Die Raman-Spektroskopie hingegen wurde fast ein Jahrzehnt später als die Infrarotspektroskopie für Studien über Biokraftstoffe eingesetzt, wie bei der Arbeit von Oliveira et al. Sie nutzten diese Technik, um die Verfälschung von Diesel-/Biodieselmischungen durch den Zusatz von Pflanzenöl festzustellen. In dieser Studie wurden sowohl die Raman- als auch die Nahinfrarotspektroskopie für die Bestimmung eingesetzt, und beide lieferten ein ähnlich genaues Endergebnis für die Quantifizierung der Verfälschung, abhängig von dem für die Berechnung verwendeten Algorithmus.

Die beiden Techniken, obwohl sie mit den Schwingungsmoden der Moleküle zusammenhängen, haben unterschiedliche Prinzipien und ergänzen sich. Die Infrarotspektroskopie beruht auf der Absorption von Strahlung, während die Raman-Spektroskopie auf der Wechselwirkung durch unelastische Stöße beruht. Bei der Infrarotspektroskopie kann ein Infrarotphoton einer bestimmten Energie (mit einer Frequenz v) von einem Molekül absorbiert werden, wenn diese Energie genau der Energiedifferenz zwischen einem schwingungsfähigen Grundzustand und einem schwingungsfähigen angeregten Zustand entspricht; unter Verwendung eines vereinfachten harmonischen Modells ist die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen (12hv), wie bereits im Text erwähnt. Daher ist die Photonenenergie (Ep), die erforderlich ist, damit ein Übergang möglich ist, wie folgt definiert:

Aber selbst wenn ein Photon eine solche Energie hat, kann es sein, dass dieser Zustandsübergang aufgrund der wichtigsten Auswahlregel der Infrarotspektroskopie nicht existiert: Damit eine Absorption (also ein Übergang) stattfindet, muss die Schwingung zu einer Änderung des Dipolmoments führen. Tritt keine Änderung auf, so gilt dieser Übergang als „infrarot verboten“. Die Intensität der Übergänge hängt auch von den Molekülbindungen ab, die mit der Schwingung verbunden sind, da sie proportional zum Quadrat des Dipolmoments ist.

Bei der Raman-Spektroskopie ist die Änderung des Dipolmoments durch die Schwingung nicht die entscheidende Regel, und Schwingungsübergänge, die in der Infrarotspektroskopie nicht zulässig sind, können in der Raman-Spektroskopie zulässig sein. Dies ist auf die unterschiedlichen Phänomene zurückzuführen, die bei dieser Spektroskopie auftreten; wie gesagt, nutzt die Technik einen unelastischen Zusammenstoß zwischen dem Photon und dem Molekül, was zur Streuung der elektromagnetischen Strahlung mit einer anderen Wellenlänge als der eingestrahlten führt. Das elektrische Feld der elektromagnetischen Strahlung kann mit dem Molekül in Wechselwirkung treten und ein zusätzliches induziertes Dipolmoment als Reaktion auf die Bewegung der Elektronen und Kerne in entgegengesetzte Richtungen des Feldes gemäß dem Coulombschen Gesetz erzeugen. Die Abhängigkeit bezieht sich in diesem Fall auf die Fähigkeit des Moleküls, polarisiert zu werden, gemessen durch seine Polarisierbarkeit, d. h. die Verformbarkeit der Elektronenwolke um das Molekül durch ein äußeres elektrisches Feld. Die Auswahlregel für einen Schwingungsübergang in der Raman-Spektroskopie lautet, dass er eine Änderung der Polarisierbarkeit des Moleküls bewirkt. Das einfallende Photon wird dann kurzzeitig vom Molekül absorbiert, was zu einem Übergang vom Grundzustand in einen virtuellen Zustand führt; ein neues Photon wird erzeugt und durch einen Übergang von diesem virtuellen Zustand in einen Schwingungszustand mit niedrigerer Energie gestreut, wie in Abbildung 3 dargestellt. Der größte Teil des gestreuten Lichts hat die gleiche Frequenz wie das ursprüngliche Licht, wie durch die Rayleigh-Streuung beschrieben, die keine Informationen über das Molekül enthält. Die Informationen stammen aus der Stokes- und Anti-Stokes-Streuung, bei der das Molekül von einem Grundzustand in einen virtuellen Zustand oder von einem angeregten Zustand in einen virtuellen Zustand übergeht; im ersten Fall hat das gestreute Licht eine geringere Frequenz als das Ausgangslicht, während im zweiten Fall das gestreute Licht eine höhere Frequenz als das Ausgangslicht hat. Daher können die Raman-Spektren durch beide Arten von Streuspektren geteilt werden, und der Frequenzunterschied entspricht dem in der Infrarotspektroskopie.

Für beide Techniken ist die Charakterisierung eine der Hauptmöglichkeiten, da die Frequenzen der Molekülschwingungen von den Massen der Atome, ihrer geometrischen Anordnung und der Stärke ihrer chemischen Bindungen abhängen. Die Spektren liefern Informationen über die molekulare Struktur, die Dynamik und die Umgebung.

In Bezug auf die Anwendung verfügen beide Techniken über unterschiedliche Apparateschemata, die von den Autoren hier nicht behandelt werden, sondern leicht an anderer Stelle gefunden werden können. Was den Unterschied zwischen den Techniken zu Vergleichszwecken angeht, so hat Peter Larkin in seinem Buch „Infrared and Raman Spectroscopy: Principles and Spectral Interpretation“, wie in Tabelle 2 dargestellt.

Der Unterschied zwischen den Spektren von Proben, die durch Infrarotspektroskopie und Raman-Spektroskopie erhalten wurden, wird von Corsetti et al. veranschaulicht, in denen beide Techniken für quantitative Messungen in systematisch variierten Mischungen von Ethanol und einem Benzin verwendet wurden, ein Thema, das aufgrund der Herstellung von Bioethanol von Interesse ist. Abbildung 4 zeigt einen Vergleich zwischen den beiden Techniken für die Mischung und für reines Ethanol und Benzin.

Ein Vergleich zwischen den Spektren ist sehr direkt, wobei Banden, die bei der IR-Spektroskopie sehr intensiv sind, bei der Raman-Spektroskopie eine geringe Intensität aufweisen und umgekehrt. Die mit den Alkoholmolekülen verbundenen Schwingungsbanden, d. h. die Ausdehnungen der O─H- (3600-3000 cm-1) und der C─O-Bande (1000-1100 cm-1), sind in den IR-Spektren aufgrund der Elektronegativität, die eine große Veränderung des Dipolmoments bewirkt, sehr intensiv; diese Schwingungen sind jedoch nicht sehr polarisierbar, so dass sie in den Raman-Spektren mit geringer Intensität dargestellt werden. Andererseits verursachen die Banden, die mit den Streckungen und Biegungen der C─H-Banden (3000-2800 cm-1 und 1600-1200 cm-1) zusammenhängen, keine große Änderung des Dipolmoments und sind in den IR-Spektren nicht sehr intensiv, während sie in den Raman-Spektren tendenziell stärker polarisierbar sind und eine höhere Intensität aufweisen.

Wie bereits erwähnt, dienten die ersten Anwendungen der beiden Techniken im Bereich der Biokraftstoffe der Charakterisierung und Quantifizierung der Komponenten/Eigenschaften von Biokraftstoffen. Diese Art von Anwendungen sind sehr verbreitet, und in der Literatur finden sich zahlreiche Arbeiten aus den letzten zwei Jahrzehnten dazu. Die Charakterisierung ist das Hauptmerkmal dieser Techniken, die in verschiedenen Situationen angewandt wurden. Eine davon ist die Bewertung von Katalysatoren, wie in der Studie von Wembabazi et al. über heterogene Biokatalysatoren aus Saccharose, Sägemehl und Hühnereierschalen für die Biodieselproduktion. Eine andere Studie untersuchte die Herstellung von Kohlenwasserstoff-Biokraftstoffen durch Hydroprocessing von Carinata-Öl, während andere die Herstellung von Bioadditiv-Kraftstoffen aus Bioglycerin unter umweltfreundlichen Bedingungen untersuchten. Die Charakterisierung wurde nicht nur auf die für Biokraftstoffprozesse verwendeten Katalysatoren, sondern auch auf den Biokraftstoff selbst angewandt, wie z. B. die Strukturanalyse von Bioölen aus der unter- und überkritischen hydrothermalen Verflüssigung einer Pflanze aus der Türkei in einer Studie von Durak und Aysu oder die Charakterisierung von unlöslichem Material, das aus kolumbianischem Palmöl-Biodiesel isoliert wurde, in Plata et al. Auch Nanda et al. bewerteten Pferdemist durch katalytische Vergasung mit überkritischem Wasser als möglichen Rohstoff der nächsten Generation für die Biokraftstoffproduktion. Viele andere haben diesen Ansatz verwendet.

Ein weiteres wichtiges Merkmal dieser Techniken ist ihre Konzentrationsabhängigkeit. Die Intensität der Signale hängt von der Charakteristik der Bandschwingung und von der Anzahl der Moleküle ab, die für den Zustandsübergang erforderlich sind (d. h. von der Molekülkonzentration). Diese Abhängigkeit kann durch das Lambert-Beer-Gesetz definiert werden, das besagt, dass es eine lineare Beziehung zwischen Signal und Konzentration gibt. Dies kann daher für die Schätzung der Konzentration von Komponenten in Gemischen oder für andere Eigenschaften in verschiedenen Systemen verwendet werden. Wie bereits erwähnt, zielte einer der ersten Artikel, der unter Verwendung der Infrarotspektroskopie veröffentlicht wurde, auf eine Analyse der Zusammensetzung von Biomasse-Rohstoffen ab, bei der die chemische Zusammensetzung verschiedener holziger und krautiger Rohstoffe (insgesamt 121 Proben) mit Hilfe der NIR-Spektroskopie bestimmt wurde. Die Proben wurden auf Ethanolextrakte, Asche, Lignin, Uronsäuren, Arabinose, Xylose, Mannose, Galaktose, Glukose sowie C, H, N und O untersucht, und all diese Reaktionen wurden mittels Spektroskopie quantifiziert. Die Ergebnisse zeigten große Korrelationen für die meisten Antworten, wie in Abbildung 5 dargestellt, was darauf hindeutet, dass die Infrarotspektroskopie in der Lage war, Komponenten, die mit Biomasse-Rohstoffen in Verbindung stehen, mit hoher Genauigkeit zu quantifizieren.

Zu Quantifizierungs- oder Klassifizierungszwecken können viele chemometrische Algorithmen auf Schwingungsdaten angewendet werden, um die Daten in relevantere quantitative Informationen umzuwandeln. Im Falle der oben vorgestellten Arbeit von Sanderson wurde die partielle Regression der kleinsten Quadrate (PLSR) verwendet, um die Spektraldaten in Antworten umzuwandeln. In mehreren anderen Arbeiten im Bereich Biokraftstoffe wurden verschiedene Algorithmen zur quantitativen Bewertung verschiedener Antworten oder zur Qualitätskontrolle und Klassifizierung verwendet, z. B. multivariate lineare Regression (MLR), Hauptkomponentenregression (PCR), Support Vector Machines (SVM), Künstliches Neuronales Netzwerk (ANN), Partial Least Squares-Discriminant Analysis (PLS-DA), Principal Component Analysis (PCA), K-nearest neighbors (KNN), Linear discriminant Analysis (LDA), Quadratic discriminant Analysis (QDA), Regularized discriminant Analysis (RDA), u.a. (siehe Abbildung 6).

Weitere Anwendungen im Bereich der Schwingungstechniken sind die Bewertung des Abbaus von Biokraftstoffen und die Prozessbewertung. In Bezug auf das letztgenannte Thema hat sich im letzten Jahrzehnt eine neue Strategie für die Prozessoptimierung und -kontrolle herausgebildet, nämlich die Initiative für prozessanalytische Technologie (PAT). PAT kann definiert werden als die optimale Anwendung von Technologien in Strategien zur Prozesssteuerung, Informationsmanagement-Tools und/oder Produkt-Prozess-Optimierung, wie von Chadwick et al. beschrieben. Um die Ziele zu erreichen, werden Echtzeit-Sensortechniken zur Steuerung und Überwachung von Parametern in der gesamten Verarbeitungskette eingesetzt, wodurch eine große Menge an Daten gewonnen wird. In der Literatur wurde PAT zur Verfolgung von Reaktionswegen, zur Überwachung der Umwandlung im Zeitverlauf und sogar zur quantitativen Bewertung der Katalysatoreffizienz bei der Biodieselproduktion eingesetzt. So haben beispielsweise Kartnaller et al. aus unserer Forschungsgruppe die Veresterungsreaktion einer freien Fettsäure zu Biodiesel mit Hilfe der Infrarotspektroskopie und der Chemometrie verfolgt und dabei jeden Bestandteil des Gemischs quantifiziert und verschiedene enzymatische Katalysatoren bewertet. Abbildung 7a zeigt die Veränderung der Spektren des Reaktionsgemischs, in dem sich die Banden, die den verschiedenen Komponenten zugeordnet sind, mit dem Fortschreiten der Reaktion verändern. Wie bereits erwähnt, ist das spektroskopische Signal gemäß dem Lambert-Beer-Gesetz konzentrationsabhängig; wenn sich also die Konzentration eines Produkts in einem Gemisch ändert, ändert sich auch die Intensität seiner Banden. Mit dem technischen Fortschritt haben sich die Infrarotgeräte in den letzten Jahrzehnten verändert, und es sind neue Typen auf den Markt gekommen. Dies hat es den Geräten ermöglicht, mehr Informationen in kürzerer Zeit und auf automatisierte Weise zu erfassen, was eine große Menge an Informationen generieren und eine einfache Überwachung der Reaktionswege ermöglichen kann, wie in Abbildung 7b dargestellt.

Daraus lässt sich leicht schließen, dass die Schwingungsspektroskopie im Allgemeinen ein breites Anwendungsspektrum hat, und im Bereich der Biokraftstoffe wurde sie in den vergangenen Jahren für viele verschiedene Ziele eingesetzt. Mit der Zunahme des technologischen Fortschritts, sowohl aus technischer Sicht als auch in der Biokraftstoffforschung, wird der Einsatz dieser Technik noch weiter zunehmen.