PROGRAMA FONDECYT
INFORME FINAL
ETAPA 2013
COMISIÓN NACIONAL DE INVESTIGACION CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
VERSION OFICIAL Nº 2
FECHA: 04/04/2016
Nº PROYECTO : 11121259 DURACIÓN : 2 años AÑO ETAPA : 2013
TÍTULO PROYECTO : DESARROLLO E IMPLEMENTACION DE METODOLOGIA ANALITICA PARA LA
DETERMINACION DE ACIDOS ORGANICOS, HIDROXIACETALDEHIDO Y ACETOL EN BIO-OIL POR HPLC-UV-RID. APLICACION EN LA OBTENCION DE PRODUCTOS QUIMICOS.
DISCIPLINA PRINCIPAL : QUIMICA ANALITICA
GRUPO DE ESTUDIO : QUIMICA
INVESTIGADOR(A) RESPONSABLE : CATHERINE VALESKA TESSINI ORTIZ
DIRECCIÓN : COMUNA :
CIUDAD : Valparaíso
REGIÓN : V REGION
FONDO NACIONAL DE DESARROLLO CIENTIFICO Y TECNOLOGICO (FONDECYT)
Moneda 1375, Santiago de Chile - casilla 297-V, Santiago 21 Telefono: 2435 4350 FAX 2365 4435
INFORME FINAL
PROYECTO FONDECYT INICIACION
OBJETIVOS
Cumplimiento de los Objetivos planteados en la etapa final, o pendientes de cumplir. Recuerde que en esta sección debe referirse a objetivos desarrollados, NO listar actividades desarrolladas.
Nº OBJETIVOS CUMPLIMIENTO FUNDAMENTO
1 Determinación de hidroxiacetaldehído (glicolaldehído), ácidos orgánicos y acetol en bio-oil por HPLC con detección UV/Vis y RID. Aplicando tratamientos de muestras como extracción en fase sólida y extracción líquido-líquido.
TOTAL
2 Validación de la metodología propuesta comparando los resultados con cromatografía gaseosa con detección FID.
TOTAL La validación del método propuesto por cromatografía de gases, ha mostrado algunas complicaciones debido al cambio de institución. No obstante, se realizó la validación del método propuesto aplicando técnicas de adición de estándares en muestras de líquidos pirolíticos por HPLC-UV/RID.
3 Aplicación de la metodología desarrollada para la caracterización de bio-oil y comparación con métodos químicos.
TOTAL
Otro(s) aspecto(s) que Ud. considere importante(s) en la evaluación del cumplimiento de objetivos planteados en la propuesta original o en las modificaciones autorizadas por los Consejos.
En el cumplimiento de los objetivos, hubo un inconveniente al realizar el cambio de institución. No obstante, el objetivo número 2 era validar el método analítico desarrollado. Este método fue validado, sin recurrir a un método alternativo, si no que aplicando parámetros de aseguramiento de la calidad en la misma técnica instrumental aplicada (más detalle en Resultados).
Por otro lado, la aplicación del método desarrollado ha demostrado ser de utilidad en las investigaciones realizadas a líquidos de pirólisis, tanto en el mejoramiento de este líquido como a la oportunidad de crear nuevos líqiuidos de pirólisis utilizando diferentes materias primas.
1
RESULTADOS OBTENIDOS:
Para cada uno de los objetivos específicos, describa o resuma los resultados. Relacione las publicaciones y /o manuscritos enviados a publicación con los objetivos específicos. En la sección Anexos incluya información adicional que considere pertinente para efectos de la evaluación.
El objetico principal del presente proyecto, fue desarrollar, optimizar e implementar un método analítico selectivo, para la determinación de compuestos de interés comercial en líquido de pirólisis. Para ello se implementó el método basado en una extracción en fase sólida (SPE) para el tratamiento de la muestra, para posteriormente ser separado-detectado en un sistema HPLC-UV-RID con detectores en serie.
El resumen de los resultados específicos se muestra a continuación
Objetivo Nº1
Determinación (implementación) de hidroxiacetaldehído (glicolaldehído), ácidos orgánicos y acetol en bio-oil por HPLC con detección UV/Vis y RID. Aplicando tratamientos de muestras como extracción en fase sólida y extracción líquido-líquido.
El primer objetivo se relacionó con la implementación del método analítico, tanto en el ámbito del tratamiento de muestra como en la separación-detección. Este objetivo, fue desarrollado en el primer año de ejecución del proyecto, a continuación se muestran algunas tablas y figuras que muestran el total cumplimiento del objetivo. En la figura 1, se observa el esquema que se realizó para implementar la metodología propuesta. El primer paso fue elegir la columna cromatográfica óptima, para la separación de los compuestos. Se evaluaron columnas con principios de separación en fase inversa, exclusión iónica, fase inversa-exclusión iónica y exclusión iónica-exclusión iónica. El sistema en serie que mostró resoluciones sobre 1,5 fue el uso de dos columnas de exclusión iónica (Phenomenex Rezex ROA- Ácidos Orgánicos H+ 300x7.80mm)
Sistema cromatográfico utilizado
- Shimadzu Bomba LC-20AT - Autosampler Shimadzu SIL-20A
- Horno de columna Shimadzu CTO-20AC - Detector UV-Vis Shimadzu SPD-20AV - Detector Refractométrico Shimadzu RID-10A
Figura 1 Secuencia del trabajo realizado para lograr el cumplimiento del objetivo 1.
Los parámetros cromatográficos instrumentales fueron optimizados mediante sistema de screening y optimización CCF con factor de respuesta de “resolución” en ambos detectores.
2
Las variables evaluadas para la optimización de los parámetros de separación instrumentales fueron las siguientes:
Variables
Temperatura de columnas: 55-75°C Flujo: 0,4 – 0,6 ml min-1
Concentración fase móvil (H2SO4): 0,0025 – 0,0075 M
- Polinomio de respuesta detector UV (210 nm):
Y= 1.424(±0.019)+ 0.09724(±0.012)T + 0.03637(±0.0124)F+0.06325(±0.0124)C+0.09732(±0.0153)F2- 0.07188(±0.0110)TF+ 0.09219(±0.0110)TC+0.09375(±0.0109923)FC Condiciones óptimas Temperatura: 75°C Flujo: 0,6 ml min-1 Fase móvil: 0,0075 M
- Polinomio de respuesta detector RID:
Y= 1.227(±0.00688)+ 0.02530(±0.00709)T + 0.1613(±0.00709)F + 0.0980 (±0.00709)C +0.0609375(±0.006267) TF -0.04844(±0.006267)TC+ 0.06406(±0.006267)FC Condiciones óptimas Temperatura: 75°C Flujo: 0,6 ml min-1 Fase móvil: 0,0075 M
Las condiciones optimizadas de separación, fueron las mismas para ambos detectores. En la tabla 1, se muestran los parámetros analíticos obtenidos en condiciones óptimas, para los compuestos determinados por la detección UV y en la tabla 2, para los compuestos determinados en el detector RID.
Tabla 1 Parámetros analíticos de los compuestos determinados por detección UV.
Parámetro Analítico Ácido fórmico Ácido acético Acetol
Ecuación y = 1202,8x – 2312,1 y = 716,09x – 942,48 y = 117,53x – 304,93
R2 0,9999 0,9999 0,9999
CV (%) <1,37 <1,31 <2,32
Repetibilidad F
cal < Fcrít Fcal < Fcrít Fcal < Fcrít
Precisión intermedia F
cal < Fcrít Fcal < Fcrít Fcal < Fcrít
Tabla 2 Parámetros analíticos de los compuestos determinados por detección RID
Parámetro Analítico Glioxal Levoglucosano Glicolaldehído
Ecuación y = 186,88x + 1742,3 y = 132,38x – 196,2 y = 99,263x + 248,9
R2 0,9998 0,9999 0,9999
CV (%) <1,44 <1,71 <1,02
Repetibilidad F
cal < Fcrít Fcal < Fcrít Fcal < Fcrít
Precisión intermedia F
3
Posterior a la optimización de los parámetros de separación, se procedió a optimizar la etapa de “tratamiento de muestra”, utilizando en una primera etapa la eliminación de la lignina pirolítica con agua y posteriormente una extracción en fase sólida (SPE) utilizando columnas “medium anionic exchange (MAX)”. Se evaluaron diferentes tipos de columnas (ver informe primer año).
Las condiciones óptimas de separación fueron las siguientes: - Flujo 1 gota/seg
- [NaOH] 0,5 M Solución de lavado - [HCl] 1,0 M Elución
En las figuras 2 y 3 se muestran los cromatogramas obtenidos de una muestra de bio-oil con el método SPE-HPLC-UV-RID. En ambos cromatogramas, se puede evidenciar la necesidad de realizar este análisis utilizando dos detectores en series, por la presencia de azúcares como el levoglucosano, que presenta una baja sensibilidad por el detector UV, a excepción de los ácidos orgánicos.
Figura 2 Cromatograma de una muestra de bio-oil, en condiciones de extracción en fase sólida, separación y
detección optimizadas por detección RID.
Figura 3 Cromatograma de una muestra de bio-oil, en condiciones de extracción en fase sólida, separación y
detección optimizadas por detección UV.
Objetivo N°2
Validación de la metodología propuesta comparando los resultados con cromatografía gaseosa con detección FID.
En un comienzo, la validación del método se propuso realizarla utilizando una técnica instrumental diferente. No obstante, el cambio de institución (cambio de trabajo del jefe de proyecto), impidió realizar la validación por GC/FID ya que este equipo no se encuentra disponible en la Universidad Técnica Federico Santa María (UTFSM). Por esa razón, el objetivo se cumplió, realizando adiciones de los compuestos a determinar, en la matriz de bio-oil. Evaluando parámetros de calidad como: repetibilidad, precisión intermedia y recuperación. En la tabla 3 se muestra el resumen de la validación del método desarrollado.
4
Tabla 3 Resumen de parámetros de calidad obtenidos en matriz de bio-oil
Compuesto LOD (mgL-1) LOQ (mgL-1) (%) Recuperación Detector
Glioxal 2,24 7,48 109 RID
Levoglucosano 1,80 6,00 105 RID Glicolaldehído 0,977 3,26 95 RID Ácido fórmico 5,29 17,64 99 UV-Vis Ácido acético 2,49 8,30 108 UV-Vis
Acetol 3,72 12,39 105 UV-Vis
NOTA: La implementación y validación del método se mostraran en el manuscrito que se encuentra en proceso de redacción (25% avance aproximado, ver anexos). Junto con el cumplimiento del objetivo N°3.
Objetivo N°3
Aplicación de la metodología desarrollada para la caracterización de bio-oil y comparación con métodos químicos.
1.- Comparación del método desarrollado con el método químico utilizado inicialmente en la Unidad de Desarrollo Tecnológico (ver anexos*). La comparación de los resultados, se realizó para corroborar un método rápido sólo para cuantificación de glicolaldehído (ver tabla 4).
Tabla 4 Comparación de la cuantificación de glicolaldehído por el método químico en comparación con la
determinación por HPLC-UV-RID
Muestra de Pirólisis Glicolaldehído método
químico* (% p/p)
Glicolaldehído por HPLC-UV-RID (% p/p)
(AS1) Aserrín fino paja de trigo 16,6 % 16,7 % (AR1) Aserrín grueso paja de trigo 19,7 % 20,6 %
(AR2) N/I 10,9% 11,8 %
BA 3-1 FA 7,3 % 6,9%
Para la Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT), la comparación de estos métodos fue exitosa en dos objetivos:
a) Validar el método químico utilizado, con la finalidad de utilizarlo en análisis rápidos, donde sólo se requiera la cuantificación del glicolaldehído en líquidos de pirólisis y
b) El desarrollar un método donde se pueda cuantificar simultáneamente ácidos orgánicos, azúcares y aldehídos, esto logró un avance en los procesos de optimización de la planta de pirólisis.
2.- Cuantificación de ácidos orgánicos provenientes de la planta de torrefacción de pellet.
En la planta de torrefacción, se produce una pirólisis rápida a menor temperatura, para eliminar la humedad del pellet. Posterior al tratamiento se obtiene como subproducto un líquido de pirólisis que contiene altos porcentajes de ácidos orgánicos y en menor cantidad azúcares.
La metodología desarrollada en este proyecto, permitió cuantificar los ácidos orgánicos acético y fórmico, e incluir el ácido láctico. En la tabla 5, se muestran algunos resultados obtenidos en muestras torrefactadas y en la figura 4 un cromatograma de una muestra de líquido torrefactado, aplicando la metodología de extracción en fase sólida (SPE) – HPLC-UV-RID
Tabla 5 Concentración e ácidos orgánicos en muestras de pellets torrefactadas.
Muestra Ácido láctico Ácido fórmico Ácido acético
MT2 457 mg L-1 623 mg L-1 1837 mg L-1 MT1 352 mg L-1 445 mg L-1 1493 mg L-1
5
Figura 4 Cromatograma del líquido de pirólisis obtenido en la planta de torrefacción (UDT-Coronel), obtenido
por el método SPE-HPLC-UV-RID.
Conclusión de los resultados
El método analítico desarrollado/optimizado e implementado, ha mostrado una versatilidad en la utilización de diferentes procesos de pirólisis (el detalle del desarrollo del método y la optimización, se encuentra en la Unidad de Investigación de la alumna de doctorado Romina Romero, adjunto en el primer informe).
La ventaja de ser un método selectivo y robusto, da espacio para ser utilizado con diferentes matrices y posibles interferentes. La preparación del manuscrito se encuentra en proceso (aproximadamente un 25% de avance, ver anexos) y se enviará a la revista Journal of Analytical and Applied Pyrolysis o a la revista Journal of Separation Science, para el éxito del producto es necesario realizar más análisis a muestras de líquidos de pirólisis que deberían estar preparadas a fines del mes de noviembre del presente año.
Cabe mencionar, que el atraso de la preparación del manuscrito también corresponde al cambio de trabajo y ciudad del investigador responsable, para lo cual se tuvo que implementar todo el sistema en la Uni versidad Técnica Federico Santa María. No obstante, esta implementación ha dado la oportunidad de desarrollar una metodología aplicada para la determinación de compuestos fenólicos en las mismas muestras de pirólisis. Por otro lado, gracias al proyecto se logró avanzar en la cooperación internacional, logrando realizar seminarios a empresarios, alumnos y académicos de la UTFSM, en la cual el tema de pirólisis de biomasa no era conocido y de esta manera avanzar en trabajos multidisciplinarios entre las Universidades e industrias.
DESTAQUE OTROS LOGROS DEL PROYECTO TALES COMO:
- Estadías de investigación.
- Actividades de difusión y/o extensión en la temática del proyecto.
- Cualquier otro logro no contemplado en los ítem anteriores y que Ud. quiera destacar.
La extensión máxima de esta sección es de 1 página (letra tamaño 10, Arial o Verdana).
Cooperación Internacional
Como parte de la visita del Dr. Dietrich Meier, se realizaron 3 actividades de divulgación científica del proyecto, estas fueron:
- 01 abril 2014*: Charla de inauguración del año académico del programa conjunto de doctorado en
Ciencias Químicas “Fundamentals and Applications Pyrolysis of biomass”, dictado por el Dr. Dietrich Meier.
En esta charla dictada por el Dr. Meier, se dio a conocer la investigación del proyecto a nivel institucional (USM), el cual sólo se conocía en la Universidad de Concepción.
- 03 abril 2014*: Seminario proyecto Fondecyt 11121259 “Thermochemical conversion of biomass.”,
dictado por el Dr. Dietrich Meier.
-
04 abril 2014*: Seminario proyecto Fondecyt 11121259 “Avances en Pirólisis de Biomasa y suAplicaciones” dictado por Dr. Dietrich Meier, Dra. Cristina Segura y Dra. Catherine Tessini.
Ambas actividades se realizaron en las dependencias de la Universidad de Concepción, se destaco la visita de académicos, estudiantes y personal de la industria donde se valoró la propuesta del proyecto en aprovechar residuos de biomasa para la obtención de productos químicos y posibles biocombustibles.
*En la sección anexos, se encuentran los documentos que respaldan las actividades realizadas
Difusión Científica
El interés por el tema desarrollado en el proyecto Fondecyt, a llevado a la publicación de notas en la página de la Universidad (ver en anexos) y además la invitación a realizar 2 cursos en el Congreso de Estudiantes de Ingeniería Química (CONEIQ 2014) que se realizará entre el 07 y 11 de Octubre del presente año. Si bien, el curso no es de divulgación del proyecto como tal, la parte esencial es explicar a los alumnos la importancia de la química analítica en industrial en la industria química, explicada en forma de asegurar la calidad de los resultados como la validación del método analítico e interpretación de los resultados obtenidos.
También como parte de la difusión científica a nivel escolar, se realizarán en el mes de octubre 2 charlas a colegios por le programa 1000 científicos 1000 aulas, para promover el conocimiento de la química analítica en la vida diaria, junto con comentar los aspectos de los biocombustibles.
Por otro lado, la Universidad Técnica Federico Santa María, realizada cada año un sección “puertas abiertas”, donde este año se dará a conocer a los alumnos el concepto de “biocombustible”.
COOPERACIÓN INTERNACIONAL
Nº Proyecto: 11121259
Nombre Colaborador (a) Extranjero (a): DIETRICH MEIER
Afiliación Institucional Actual: JOHANN HEINRICH VON THUNEN-INSTITUT
Fechas de estadía Desde :30/03/2014 Hasta :06/04/2014
Describa las actividades realizadas y resultados obtenidos. Destaque su contribución al logro de los objetivos del proyecto. Si es pertinente, indique las publicaciones conjuntas generadas, haciendo referencia a lo informado en la etapa Productos. Agregue en la etapa anexos la información necesaria.
Actividades realizadas en la ciudad de Valparaíso (30 marzo al 02 abril)
1.Visita instalaciones del Departamento de Química de la Universidad Técnica Federico Santa María, en la ciudad de Valparaíso. Evaluación de posibles proyectos y trabajos con la instrumentación disponible.
2.Realización de seminario titulado “Fundamentals and Applications Pyrolysis of Biomass”, para el programa de Doctorado en Ciencias Químicas (programa en conjunto Universidad Técnica Federico Santa María y Universidad de Valparaíso). Además, esta charla dio comienzo al año académico 2014 del nombrado programa de doctorado.
3.Visita al Centro de Tecnologías Ambientales (CETAM), para la formulación de futuros proyectos enfocados en el impacto ambiental de la combustión de los líquidos de pirólisis.
Actividades realizadas en la ciudad de Concepción (03 abril al 05 abril)
1.Seminario de título: “Thermochemical Conversion of Biomass” dictado en la Unidad de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Concepción (03 abril 2014)
Temas abordados: Gasification of Biomass -Fundamental and applications; Hydrothermal conversion of biomass -Fundamental and applications y Pyrolysis of biomass -Fundamental and applications.
2.Seminario de titulo: “Avances de Pirólisis de Biomasa y sus Aplicaciones” dictado en la Universidad de Concepción. 3.Visita a los laboratorios de la Facultad de Farmacia de la Universidad de Concepción.
4.Visitas a las instalaciones de la Unidad de Desarrollo Tecnológico. Laboratorios, salas de procesos entre otros.
5.Reunión con investigadores de la Universidad de Concepción y la Unidad de Desarrollo Tecnológico para la evaluación de futuros proyectos.
PRODUCTOS
ARTÍCULOS
Para trabajos en Prensa/ Aceptados/Enviados adjunte copia de carta de aceptación o de recepción.
Nº : 1
Autor (a)(es/as) : Tessini, Ci; Romero, R; Escobar, M; Gordon, A; Flores, M
Nombre Completo de la Revista : Journal of the Chilean Chemistry Society
COMPOUNDS DERIVED FROM THERMOCHEMICAL CONVERSION OF BIOMASS Indexación : ISI ISSN : Año : 2016 Vol. : Nº : Páginas :
Estado de la publicación a la fecha : En Prensa Otras Fuentes de financiamiento, si las hay :
Envía documento en papel : no
Archivo(s) Asociado(s) al artículo :
4052_(1).pdf
http://sial.fondecyt.cl/index.php/investigador/f4_articulos/descarga/15096944/11121259/2013/85685/1/
OTRAS PUBLICACIONES / PRODUCTOS
Nº : 1
Autor (a)(es/as) : Karla Hernández
Título (Idioma original) : Español
Tipo de publicación o producto : Otros Especificar : Informe Práctica Laboral
ISBN :
Editor (es) (Libro o Capitulo de libros) : Nombre de la editorial /Organización :
País : CHILE Ciudad : Valparaíso Fecha : Marzo - 2014 Año : Vol. : Nº : Páginas :
Otras Fuentes de financiamiento, si las hay :
Envía documento en papel : si
Archivo(s) Asociado(s) al artículo :
Informe_practica_-_Karla_Hernández.pdf
CONGRESOS
Nº : 1
Autor (a)(es/as) : Romina Romero; Catherine Tessini
Título (Idioma original) : Desarrollo de una metodología analítica para la determinación de azúcares y ácidos carboxílicos en bio-oil.
Nombre del Congreso : Jornadas Chilenas de Química
País : CHILE Ciudad : Pucón Fecha Inicio : 12/11/2013 Fecha Término : 15/11/2013 Nombre Publicación : Año : Vol. : Nº : Páginas :
Envía documento en papel : si
Archivo Asociado : Resumen_SCHQ_final.pdf http://sial.fondecyt.cl/index.php/investigador/f4_congresos/descarga/15096944/11121259/2013/91619/1/ PROGRAMA_Y_RESUMENES._XXX_JChQ.pdf http://sial.fondecyt.cl/index.php/investigador/f4_congresos/descarga/15096944/11121259/2013/91619/2/ Nº : 2
Autor (a)(es/as) : Tessini, C; Segura, C
Título (Idioma original) : Analytical methods for the characterization of biocrude obtained from tall-oil
Nombre del Congreso : XVII Euroanalysis
País : POLONIA
Ciudad : Varsovia
Fecha Inicio : 25/08/2013
Fecha Término : 29/08/2013
Nombre Publicación : ANALYTICAL METHODS FOR THE CHARACTERIZATION OF BIOCRUDE
OBTAINED FROM TALL-OIL
Año : Vol. : Nº : Páginas :
Envía documento en papel : si
Archivo Asociado : Abstract_Euroanalysis.pdf http://sial.fondecyt.cl/index.php/investigador/f4_congresos/descarga/15096944/11121259/2013/91620/1/ Cert._Euroanalysis.pdf http://sial.fondecyt.cl/index.php/investigador/f4_congresos/descarga/15096944/11121259/2013/91620/2/ Euroanalysis.pdf
http://sial.fondecyt.cl/index.php/investigador/f4_congresos/descarga/15096944/11121259/2013/91620/3/
Nº : 3
Autor (a)(es/as) : Tessini, C; Müller, N; Berg, A; von Baer, D; Mardones, C
Título (Idioma original) : Chromatographic methods for the characterization of fast pyrolysis liquids from forest biomass
Nombre del Congreso : Pittcon
País : ESTADOS UNIDOS DE AMERICA
Ciudad : Filadelfia Fecha Inicio : 17/03/2013 Fecha Término : 21/03/2013 Nombre Publicación : Año : Vol. : Nº : Páginas :
Envía documento en papel : no
Archivo Asociado : Abstract_Pittcon.pdf http://sial.fondecyt.cl/index.php/investigador/f4_congresos/descarga/15096944/11121259/2013/91621/1/ Final_program_Pittcon.pdf http://sial.fondecyt.cl/index.php/investigador/f4_congresos/descarga/15096944/11121259/2013/91621/2/
TESIS/MEMORIAS
Nº : 1Título de Tesis : Desarrollo de una metodología analítica para el análisis de ácidos carboxílicos y
azúcares en bio-oil.
Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a) : Romina Romero Carrillo Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a) : Catherine Tessini Ortiz
Título Grado : Pregrado
Institución : Universidad de Concepción
País : CHILE
Ciudad : Concepción
Estado de Tesis : Terminada
Fecha Inicio : 11/03/2013
Fecha Término : 04/10/2013
Envía documento en papel : no
Archivo Asociado :
Unidad_de_Investigacion_II_corregido_3_(1).pdf
http://sial.fondecyt.cl/index.php/investigador/f4_tesis_memorias/descarga/15096944/11121259/2013/48127/1/ cert._Romina.pdf