TBT4135 Biopolymerkjemi Laboratorieoppgave 2: Nedbryting av biopolymerer undersøkt med viskometri Gruppe 5

Transkript

1 TBT4135 Biopolymerkjemi Laboratorieoppgave 2: Nedbryting av biopolymerer undersøkt med viskometri Gruppe 5 Hilde M. Vaage hildemva@stud.ntnu.no Malin Å. Driveklepp malinad@stud.ntnu.no Oda H. Ramberg odahera@stud.ntnu.no Audun F. Buene audunfor@stud.ntnu.no 16. oktober 2014

2 1 Introduksjon I dette forsøket skal nedbrytning av biopolyemerer undersøkes ved hjelp av et viskometer. Tilfeldig nedbrytning av to ulike polysakkarider skal sammenlignes og analyseres. Et Fe 2+ /H 2 O 2 system ved PH 5,0 brukes som reagent. 2 Teori 2.1 Radikaldegradering av biopolymer Fentons reagent er en løsning av hydrogenperoksid, H 2 O 2, og en jernkatalysator, Fe 2+. Systemet kan brukes til å bryte ned organiske forbindelser, som biopolymerer. Reaksjonen foregår i to trinn. Først blir Fe 2+ oksidert av hydrogenperoksid til Fe 3+, et hydroksylradikal og et hydroksylanion. Fe 3+ reduseres deretter av samme hydrogenperoksid tilbake til Fe 2+, et superoksidradikal og et proton. Effekten av dette er en disproporsjonering av hydrogenperoksid til å danne to ulike oksygenradikaler, med vann som biprodukt. F e 2+ + H 2 O 2 + H + F e 3+ + HO + H 2 O (2.1) F e 3+ + H 2 O 2 F e 2+ + HOO + H + (2.2) De frie radikalene brukes i videre reaksjoner, eksempelvis i oksidasjon av organiske forbindelser. 2.2 Viskositet og gjennomstrømningstid Viskositet (skjærviskositet) av en væske er definert som forholdet mellom skjærkrefter (tau) og skjærhastighet (gamma prikk): η = τ γ (2.3) Strømningshastighet av et volum væske gjennom et kapillærviskometer kan beskrives ved Poiseuille s ligning: 2

3 Strømningsrate U = dv dt = π (P 1 P 2) r4 8 η l der P 1 P 2 er trykkforskjell i kapillæret, r er radius og l er lengden av røret. (2.4) Strømningshastighet U er inversproporsjonal med gjennomstrømningstiden, t. Derfor er viskositet direkte proporsjonalt med gjennomstrømningstiden. η t (2.5) Relativ og spesifikk viskositet finnes enkelt ved hjelp av følgende ligninger: η sp = η η 0 η 0 η r = η η 0 = t t 0 (2.6) = η r 1 = t t 0 1 (2.7) der η er løsningsviskositet, η 0 er viskositet av løsningsmiddel, t er gjennomstrømningstid av testløsning, t 0 er gjennomstrømningstid av løsningsmiddel. Den intrinsikke viskositeten avhenger ikke av konsentrasjon av oppløste molekyler, og er derfor en iboende egenskap til polymeren vi studerer. Den intrinsikke viskositeten er grenseverdien for η sp /c når konsentrasjonen, c, går mot null. Matematisk blir dette η sp [η] = lim c 0 c (2.8) For å finne intrinsikk viskositet fra eksperimentelle data benyttes Huggins ligning. Den beskriver hvordan spesifikk viskositet av en fortynnet løsning avhenger av konsentrasjonen. η sp c = [η] + k [η] 2 c (2.9) k er Huggins konstant, og er oppgitt for polymer B (Xanthan) til å være 0.5 og for polymer A (Na-Alginat) til å være

4 For å finne sammenhengen mellom intrinsikk viskositet og molekylvekt benyttes Mark-Houwink-Sakurada (MHS) ligningen: [η] = K M a log[η] = log K + a log M (2.10) der K og a er MHS-konstanter oppgitt for en gitt polymer. For polymer B (Xanthan) er a = 1,23 og K = 4, MHS-plot for alginat er ikke lineært og M w kan derfor ikke beregnes fra denne forenklede ligningen. I stedet benyttes en enkel polynomialligning: [η] = M 2 w M w 36.3 (2.11) For tilfeldig degradering kan pseudo-førsteordens ratekonstant k finnes fra følgende sammenheng: 1 = 1 + k t (2.12) M w M w,0 2M 0 k kan dermed finnes eksperimentelt ved å plotte 1/M w mot nedbrytningstiden t rx og lese av stigningstallet fra lineær regresjon. 3 Eksperimentelt Forsøket ble utført som beskrevet i laboratoreheftet 1. 4 Resultat Ved hjelp av et Ubbelohde kapillærviskometer ble gjennomstrømningshastighet av polymerløsningen bestemt for 30 påfølgende målinger. Polymerløsningen ble behandlet med en degraderingsreagent, slik at polymeren gradvis brytes ned over tidsløpet av forsøket. Figur 4.1 og Figur 4.2 viser gjennomstrømningstid som funksjon av degraderingstid (t rx ) for henholdvis Alginat LF 10/60 (Polymer A) og Xanthan (Polymer B). 4

5 Figur 4.1: Gjennomstrømningshastighet som funksjon av nedbrytningstiden for polymer A. Figur 4.2: Gjennomstrømningshastighet som funksjon av nedbrytningstiden for polymer B. 5

6 Spesifikk viskositet ble beregnet ved hjelp av Ligning (2.7). Intrinsikk viskositet ble beregnet fra Huggins ligning, jfr Ligning (2.8), ved bruk av oppgitte k -verdier. Vektgjennomsnittlig molekylvekt, M w, ble bestemt ved Mark- Houwink-Sakurada (MHS) ligningen med oppgitte parametere a og K. Figur 4.3 og Figur 4.4 viser spesifikk viskositet η sp som funksjon av degraderingstid, t rx for hhv. polymer A og B. Figur 4.3: Spesifikk viskositet som funksjon av nedbrytningstiden for polymer A. 6

7 Figur 4.4: Spesifikk viskositet som funksjon av nedbrytningstiden for polymer B. Figur 4.5 og Figur 4.6 viser 1/M w som funksjon av degraderingstid, t rx, for henholdsvis polymer A og B. Ved hjelp av lineær regresjon finnes ligningene y = 1E-08x + 1E-05 for A og y = 3E-07x + 0,0007 for B. Dette gir k = min 1 for A og k = min 1 for B. Fra plottene kan skjæringspunktet leses av som 1/M w. Her finnes utgangsmolekylvekt for polymerene, M 0, fra M w ved T=0. Dette gir M 0 (A)= g/mol og M 0 (B) = g/mol. 7

8 Figur 4.5: 1/M w som funksjon av nedbrytningstiden for polymer A. Figur 4.6: 1/M w som funksjon av nedbrytningstiden for polymer B. 8

9 5 Diskusjon Figur 4.2 viser at gjennomstrømningstiden for ploymer B nesten ikke endres over tid, noe som er forventet ettersom polymer B er en dobbelttrådig, forgrenet polymer og derfor ikke degraderes lett. Polymer A er en lineær, uforgrenet polymer som brytes ned med jevn hastighet, noe som genspeiles i den lineære gjennomstrømningstiden, vist i Figur 4.1. Ser av Figur 4.3 og 4.4 at den spesifikke viskositeten er direkte proporsjonal med gjennomstrømningstiden, da de viser samme trend som Figur 4.1 og 4.2. Dette er forventet, da gjennomstrømningstiden minker med lavere viskositet. Beregnet molekylvekt for polymer B er 1,426 mill g/mol, omtrent halvparten av tabellverdi, gitt i labheftet som ca 3 mill g/mol. Beregnet verdi av polymer A, g/mol, avviker mindre fra den som er oppgitt, ca g/mol. 1/M w plottet mot t rx gir en lineær sammenheng for polymer A, mens for polymer B er det stor uorden, som gir stor usikkerhet ved beregning av k. Beregnet degraderingsrate, k, for polymer A og B ble begge veldig lave. For polymer A kan dette skyldes at målingene ikke ble startet før 20 minutter etter at degraderingsreagent ble tilsatt. For polymer B var det forventet, fordi den dobbelttrådige polymerstrukturen beskytter mot degradering. 6 Konklusjon Polymer A brytes ned eksponentielt, mens polymer B nesteand n ikke brytes ned i det hele tatt. k-verdiene til polymer A og B ble funnet til henholdsvis min 1 og min 1. Siden det mangler målinger for de første 20 minuttene for nedbrytning av polymer A, blir nedbrytningsraten lavere enn forventet for denne polymeren. Molekylvekten til polymer A ble bestemt til å være g/mol, og molekylvekten til polymer B ble bestemt til å være g/mol. 9

10 Trondheim, 16. oktober 2014 Referanser [1] Christensen, B. E., Laboratory course TBT4135 Biopolymers, I