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1 Bild zuschneiden unter: -Format -Zuschneiden -Zuschneidewerkzeug horizontal bis zur ersten oder zweiten Linie ziehen 2 von 14 Ion exchange chromatography in lignocellulosics analysis Nico Anders 2 nd International Conference and Expo on Separation Techniques 28 th September 2016, Session: Chromatography as a Separation Technique

2 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von X“ ist nicht standardmäßig in Powerpoint verfügbar; daher benötigen Sie dazu das mitgelieferte Add-In. Aktivieren Nach dem Öffnen der Vorlage, klicken Sie mit einem Doppelklick auf die Datei „RWTH-Addin- Seitenzahlen“, um das Add-In zu aktivieren. Nach dem Schließen von Powerpoint deaktiviert es sich automatisch wieder. Erstellen Gehen Sie in der Symbolleiste auf den Tab „RWTH AddIn“ und klicken Sie den Button. Nun stellen sich die Seitenzahlen automatisch ein. Falls Sie nachträglich noch Folien hinzufügen oder löschen, klicken Sie einfach erneut auf den Button, um die Seitenzahlen zu aktualisieren. Add-In installieren Wenn Sie das Add-In dauerhaft installieren möchten, damit Sie es nicht immer anklicken müssen, aktivieren Sie es, klicken auf „Datei“- „Optionen“- „Add-Ins“- Wählen Sie „RWTH Addin Seitenzahlen“ und klicken Sie auf „Ok“. Lignocellulosic biomass Composition 2 of 15 © Rubin: Nature; 2008, 454, 841-845

3 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Biorefinery process chain 3 of 15 PretreatmentHydrolysisFermentation solid liquid solid liquid Degradation products Sugars Value added products issues Products Side products (e. g. ABE) fermentation media components issues Unhydrolyzed cellulose Remaining Lignin, Hemicellulose Composition Cellulose Hemi- cellulose Lignin issues Glucose Fermentation inhibitors → Lignin, degradation

4 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Lignocellulose hydrolysis Acidic mechanism 4 of 15 non- reducing end reducing end crystalline amorphous enzymatic hydrolysis acid hydrolysis

5 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Lignocellulose hydrolysis Enzymatic mechanism 4 of 15 non- reducing end reducing end crystalline amorphous enzymatic hydrolysis acid hydrolysis

6 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von X“ ist nicht standardmäßig in Powerpoint verfügbar; daher benötigen Sie dazu das mitgelieferte Add-In. Aktivieren Nach dem Öffnen der Vorlage, klicken Sie mit einem Doppelklick auf die Datei „RWTH-Addin- Seitenzahlen“, um das Add-In zu aktivieren. Nach dem Schließen von Powerpoint deaktiviert es sich automatisch wieder. Erstellen Gehen Sie in der Symbolleiste auf den Tab „RWTH AddIn“ und klicken Sie den Button. Nun stellen sich die Seitenzahlen automatisch ein. Falls Sie nachträglich noch Folien hinzufügen oder löschen, klicken Sie einfach erneut auf den Button, um die Seitenzahlen zu aktualisieren. Add-In installieren Wenn Sie das Add-In dauerhaft installieren möchten, damit Sie es nicht immer anklicken müssen, aktivieren Sie es, klicken auf „Datei“- „Optionen“- „Add-Ins“- Wählen Sie „RWTH Addin Seitenzahlen“ und klicken Sie auf „Ok“. High-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection (HPAEC-PAD) 5 of 15 Thermo Scientific, Dionex ICS 5000+ Flow (1 mL/min) + + + + + + - O-R R-OH NaOH - O-R e-e- O-R · Detection via oxidation Separation due to pK a Deprotonation of sample molecules by NaOH PAD detector

7 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von X“ ist nicht standardmäßig in Powerpoint verfügbar; daher benötigen Sie dazu das mitgelieferte Add-In. Aktivieren Nach dem Öffnen der Vorlage, klicken Sie mit einem Doppelklick auf die Datei „RWTH-Addin- Seitenzahlen“, um das Add-In zu aktivieren. Nach dem Schließen von Powerpoint deaktiviert es sich automatisch wieder. Erstellen Gehen Sie in der Symbolleiste auf den Tab „RWTH AddIn“ und klicken Sie den Button. Nun stellen sich die Seitenzahlen automatisch ein. Falls Sie nachträglich noch Folien hinzufügen oder löschen, klicken Sie einfach erneut auf den Button, um die Seitenzahlen zu aktualisieren. Add-In installieren Wenn Sie das Add-In dauerhaft installieren möchten, damit Sie es nicht immer anklicken müssen, aktivieren Sie es, klicken auf „Datei“- „Optionen“- „Add-Ins“- Wählen Sie „RWTH Addin Seitenzahlen“ und klicken Sie auf „Ok“. Lignocellulose Analysis using HPAEC-PAD Chromatograms of various hydrolyzates 6 of 15 decreasing pKa value Barley Xylan News paper Lime Spruce wood Glucose pK a = 12.28 Galacturonic acid pK a = 3.48 Cellotetraose pK a = 3.65 Xylose pK a = 12.15 5-HMF pK a = 12.82 alcoholic lignin compounds monosaccharides oligosaccharides and sugar acids phenolic lignin compounds equlibration Anders et al.: Analytical Methods; 2015

8 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von X“ ist nicht standardmäßig in Powerpoint verfügbar; daher benötigen Sie dazu das mitgelieferte Add-In. Aktivieren Nach dem Öffnen der Vorlage, klicken Sie mit einem Doppelklick auf die Datei „RWTH-Addin- Seitenzahlen“, um das Add-In zu aktivieren. Nach dem Schließen von Powerpoint deaktiviert es sich automatisch wieder. Erstellen Gehen Sie in der Symbolleiste auf den Tab „RWTH AddIn“ und klicken Sie den Button. Nun stellen sich die Seitenzahlen automatisch ein. Falls Sie nachträglich noch Folien hinzufügen oder löschen, klicken Sie einfach erneut auf den Button, um die Seitenzahlen zu aktualisieren. Add-In installieren Wenn Sie das Add-In dauerhaft installieren möchten, damit Sie es nicht immer anklicken müssen, aktivieren Sie es, klicken auf „Datei“- „Optionen“- „Add-Ins“- Wählen Sie „RWTH Addin Seitenzahlen“ und klicken Sie auf „Ok“. Documented lignin degradation products were investigated for measurability Retention behavior depends on column temperature & eluent composition (minor) -Conditions are given by essential monosaccharide analysis Lignin model compounds Separation optimization 7 of 15 Anders et al.: Analytical Methods; 2015

9 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von X“ ist nicht standardmäßig in Powerpoint verfügbar; daher benötigen Sie dazu das mitgelieferte Add-In. Aktivieren Nach dem Öffnen der Vorlage, klicken Sie mit einem Doppelklick auf die Datei „RWTH-Addin- Seitenzahlen“, um das Add-In zu aktivieren. Nach dem Schließen von Powerpoint deaktiviert es sich automatisch wieder. Erstellen Gehen Sie in der Symbolleiste auf den Tab „RWTH AddIn“ und klicken Sie den Button. Nun stellen sich die Seitenzahlen automatisch ein. Falls Sie nachträglich noch Folien hinzufügen oder löschen, klicken Sie einfach erneut auf den Button, um die Seitenzahlen zu aktualisieren. Add-In installieren Wenn Sie das Add-In dauerhaft installieren möchten, damit Sie es nicht immer anklicken müssen, aktivieren Sie es, klicken auf „Datei“- „Optionen“- „Add-Ins“- Wählen Sie „RWTH Addin Seitenzahlen“ und klicken Sie auf „Ok“. HPAEC-PAD Method Validation 8 of 15 compound natural polymer retention time [min] linearity, R² [-] sensitivity [(nC*min)/(mg/L)] LOQ [mg/L] method standard deviation [mg/L] Rhamnose Hemicellulose / Pectin 6.5000.99930.162.340.33 ArabinoseHemicellulose7.5830.99910.234.470.63 GalactoseHemicellulose9.4080.99920.302.910.41 Glucose Cellulose / Hemicellulose 10.3830.99820.2820.012.82 MannoseHemicellulose11.1670.99890.0654.890.68 XyloseHemicellulose11.7580.9990 0.26 4.41 0.62 Fructose 15.5250.99720.209.961.25 Sucrose 12.6100.99820.317.830.76 CellobioseCellulose22.8250.99620.180.780.11 CellotrioseCellulose24.3500.99830.37 1.32 0.17 CellotetraoseCellulose25.4170.99650.221.950.24 CellopentaoseCellulose26.0090.9948 0.181.14 0.14 CellohexaoseCellulose 26.2000.99660.071.920.24 Galacturonic acidPectin26.8330.99940.0844.920.61 Glucuronic acidPectin 27.0670.99510.00237.740.96 5-HMF Cellulose / Hemicellulose 3.7670.99780.20 1.260.18 2,3-dimethoxybenzyl alcoholLignin2.0670.99890.201.050.15 3,4-dimethoxybenzyl alcoholLignin2.1090.99130.00772.910.41 4 ‑ methoxybenzyl alcoholLignin2.7050.99980.8265.687.28 3,5-dimethoxybenzaldehydeLignin2.9600.99890.2027.693.49 1-(3,4-dimethoxyphenyl)-2-(2- methoxyphenoxy)-1,3- propanediol Lignin5.9080.99400.1512.691.60 2,6-dimethoxyphenolLignin27.6000.99735.930.420.051 2-methoxyphenolLignin29.0580.99780.0214.860.60 4-allyl-2-methoxyphenolLignin36.9420.99970.300.810.13 3,5-dimethoxy-4- hydroxybenzaldehyde Lignin42.5500.99558.360.420.05

10 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von X“ ist nicht standardmäßig in Powerpoint verfügbar; daher benötigen Sie dazu das mitgelieferte Add-In. Aktivieren Nach dem Öffnen der Vorlage, klicken Sie mit einem Doppelklick auf die Datei „RWTH-Addin- Seitenzahlen“, um das Add-In zu aktivieren. Nach dem Schließen von Powerpoint deaktiviert es sich automatisch wieder. Erstellen Gehen Sie in der Symbolleiste auf den Tab „RWTH AddIn“ und klicken Sie den Button. Nun stellen sich die Seitenzahlen automatisch ein. Falls Sie nachträglich noch Folien hinzufügen oder löschen, klicken Sie einfach erneut auf den Button, um die Seitenzahlen zu aktualisieren. Add-In installieren Wenn Sie das Add-In dauerhaft installieren möchten, damit Sie es nicht immer anklicken müssen, aktivieren Sie es, klicken auf „Datei“- „Optionen“- „Add-Ins“- Wählen Sie „RWTH Addin Seitenzahlen“ und klicken Sie auf „Ok“. Cannizzaro reaction Disproportionation of aldehydes  Conditions for disproportionation: 1.Alkaline conditions (NaOH) 2.No hydrogen at α-C-atom AldehydeAcidAlcohol Benzaldehyde Benzoic acidBenzyl alcohol ααα 9 of 15

11 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von X“ ist nicht standardmäßig in Powerpoint verfügbar; daher benötigen Sie dazu das mitgelieferte Add-In. Aktivieren Nach dem Öffnen der Vorlage, klicken Sie mit einem Doppelklick auf die Datei „RWTH-Addin- Seitenzahlen“, um das Add-In zu aktivieren. Nach dem Schließen von Powerpoint deaktiviert es sich automatisch wieder. Erstellen Gehen Sie in der Symbolleiste auf den Tab „RWTH AddIn“ und klicken Sie den Button. Nun stellen sich die Seitenzahlen automatisch ein. Falls Sie nachträglich noch Folien hinzufügen oder löschen, klicken Sie einfach erneut auf den Button, um die Seitenzahlen zu aktualisieren. Add-In installieren Wenn Sie das Add-In dauerhaft installieren möchten, damit Sie es nicht immer anklicken müssen, aktivieren Sie es, klicken auf „Datei“- „Optionen“- „Add-Ins“- Wählen Sie „RWTH Addin Seitenzahlen“ und klicken Sie auf „Ok“. Lignin model compound 3,5-dimethoxybenzylaldehyde 10 of 15 3,5-dimethoxybenzaldehyde 0.1 g/L in NaOH, 40 °C

12 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von X“ ist nicht standardmäßig in Powerpoint verfügbar; daher benötigen Sie dazu das mitgelieferte Add-In. Aktivieren Nach dem Öffnen der Vorlage, klicken Sie mit einem Doppelklick auf die Datei „RWTH-Addin- Seitenzahlen“, um das Add-In zu aktivieren. Nach dem Schließen von Powerpoint deaktiviert es sich automatisch wieder. Erstellen Gehen Sie in der Symbolleiste auf den Tab „RWTH AddIn“ und klicken Sie den Button. Nun stellen sich die Seitenzahlen automatisch ein. Falls Sie nachträglich noch Folien hinzufügen oder löschen, klicken Sie einfach erneut auf den Button, um die Seitenzahlen zu aktualisieren. Add-In installieren Wenn Sie das Add-In dauerhaft installieren möchten, damit Sie es nicht immer anklicken müssen, aktivieren Sie es, klicken auf „Datei“- „Optionen“- „Add-Ins“- Wählen Sie „RWTH Addin Seitenzahlen“ und klicken Sie auf „Ok“. Sugar degradation product 5-hydroxymethylfurfural 11 of 15 5-Hydroxymethyl-2-furaldehyde 0.1 g/L in NaOH, 40 °C,  Polymer formation of HMF  Humins Kuster et al.: 1990

13 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von X“ ist nicht standardmäßig in Powerpoint verfügbar; daher benötigen Sie dazu das mitgelieferte Add-In. Aktivieren Nach dem Öffnen der Vorlage, klicken Sie mit einem Doppelklick auf die Datei „RWTH-Addin- Seitenzahlen“, um das Add-In zu aktivieren. Nach dem Schließen von Powerpoint deaktiviert es sich automatisch wieder. Erstellen Gehen Sie in der Symbolleiste auf den Tab „RWTH AddIn“ und klicken Sie den Button. Nun stellen sich die Seitenzahlen automatisch ein. Falls Sie nachträglich noch Folien hinzufügen oder löschen, klicken Sie einfach erneut auf den Button, um die Seitenzahlen zu aktualisieren. Add-In installieren Wenn Sie das Add-In dauerhaft installieren möchten, damit Sie es nicht immer anklicken müssen, aktivieren Sie es, klicken auf „Datei“- „Optionen“- „Add-Ins“- Wählen Sie „RWTH Addin Seitenzahlen“ und klicken Sie auf „Ok“. Full characterization of hydrolyzates using HPAEC-PAD is possible Soluble lignin compounds are the minor part Lignocellulose with high water content is challenging Hydrolyzate characterization using HPAEC-PAD 12 of 15 Anders et al.: Analytical Methods; 2015

14 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Biorefinery process chain Usage of the HPAEC-PAD method 13 of 15 PretreatmentHydrolysisFermentation solid liquid solid liquid Degradation products Sugars Value added products issues Products Side products (e. g. ABE) fermentation media components Unhydrolyzed cellulose Remaining Lignin, Hemicellulose Composition Cellulose Hemi- cellulose Lignin Glucose Fermentation inhibitors → Lignin, degradation

15 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Summary & outlook 14 of 15 HPAEC-PAD method enables the simultaneous determination of soluble biomass derived compounds from Cellulose, Hemicellulose, Lignin and Pectin Fermentation inhibitors are mostly aldehydes and alcohols Cannizzaro reaction takes place allowing an indirect measurement of aldehydes Soluble lignin is modified by NaOH Identification of unknown compounds and reactions which occur due to the alkaline media Implementation of promising raw materials into a bio-refinery process

16 Thank you for your attention! 14 von 14

17 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Lignin content increases with increasing water content HMF(Sugar degradation product) increases with increasing water content -Cellulose affected during pretreatment Scientific applications Characterization of pretreated pulp Viell et al. Biotechnology for Biofuels, 2016 Increasing water/EMIMAc ratio * * ** *** *

18 Anion Exchange Chromatography in lignocellulosics analysis | Nico Anders | AVT- EPT | 28.09.2016 | Separation Techniques | Valencia, Spain Lignin bondage cleavage is necessary for any kind of usage Alcohols and Monosaccharides are measureable -Degradation occurs Scientific applications Can enzymes degrade Lignin? Picart Faiget et al. 2015, submitted