Ultrasound processing of forest biorefinery lignin and lignin–cellulose mixtures

Abstract

Lignotselluloosne biomass hõlmab kõiki taimi, mille põhikomponentideks on tselluloos, hemitselluloos ja ligniin. Esimesed kaks koosnevad suhkrutest, ligniin aga on keeruka ehitusega aromaatne polümeer. Lignotselluloosi hulka kuulub ka puit, mis on väärtuslik tooraine majade ehitamiseks ning vineeri, mööbli ja paberi tootmiseks. Töötlemise käigus tekib puidujääke, mida üldjuhul kasutatakse energia tootmiseks. Seda tüüpi puidujääkide väärindamiseks on loodud biorafineerimistehaseid, mis toodavad energiast kõrgema väärtusega materjale. Eestis on unikaalne biorafineerimistehas, mille põhitoodeteks on puidusuhkrud ja ligniin. Uut tüüpi rafineerimistehased on paindlikumad kui tavapärased paberitööstused ning võimaldavad kasutada ka vaheetappides tekkivaid materjale. Antud doktoritöö keskendub kahele põhilisele temaatikale, milleks on ligniini lahustuvus ning ligniini-tselluloosi segude omaduse kirjeldamisele, kasutades mõlema puhul ultraheli töötlust. Kõrgesagedusega (20 kHz) ultraheli põhjustab füüsikalisi effekte lahustes, mis võivad lõhkuda polümeere endid või nende erinevaid struktuure. Uuriti, kas nende abil saab parandada ligniini lahustumist, muuta ligniini-tselluloosi segu ning selgitada, kuidas ligniin mõjutab tselluloosi vastust ultrahelile. Töö esimeses osas käsitleti ligniini lahustuvust ja kuidas ultraheli seda võimendab leeliselistes tingimustes. Teatud tingimuste puhul saadi 30% rohkem ligniini lahusesse, kuid selline lähenemine ligniin-tselluloos segudes ei toiminud, kuna ultraheli töötlus põhjustas geeli teket. Vesikeskkonnas ultraheliga töötlemisel muutusid aga segu osakesed väiksemaks ja suurenes veesiduvus, mis näitas, et ultraheli suudab materjali muuta ka ligniini ja tselluloosi eelneva eraldamiseta. Ligniini rolli selgitamiseks eemaldati osa ligniinist erinevate lahustitega ning saadud materjale töödeldi uuesti ultraheliga. See võimaldas paremini mõista, kuidas ligniin ja tselluloos omavahel seotud on ning kui tugevalt see töötlemise mõju takistab. Kõige suuremad muutused toimusid väiksema ligniinisisaldusega materjalides. Tulemused näitasid, et ligniin mõjutab seda, kui tõhusalt ultraheli jõud tselluloosini jõuab ja tema struktuuri muudab. Teatud tüüpi ligniin võib katta tselluloosipindu, setõttu tõuseb ultraheli effekt. Tulemused viitavad, et eraldatud ligniini struktuuriomadused mõjutavad ultraheli toimet tselluloosile. Seetõttu tuleb biorafineerimismaterjalide töötlemisel arvestada nii ligniini koguse kui ka omadustega.

Lignocellulosic biomass includes all plants whose main components are cellulose, hemicellulose, and lignin. The first two consist of sugars, whereas lignin is a structurally complex aromatic polymer. Wood is one example and is a valuable raw material for constructing houses and producing plywood, furniture, and paper. Wood residues are generated during processing and are generally used for energy production. Biorefineries have been developed to valorize these residues by producing materials of higher value than energy. Estonia has a unique biorefinery whose main products are wood-derived sugars and lignin. Such new refineries are more flexible than conventional pulp and paper industries and therefore also enable the use of intermediate process materials. This doctoral thesis investigated how power ultrasound can be used to process two materials produced in a wood biorefinery: lignin and a lignin-cellulose mixture. Ultrasound at 20 kHz creates rapidly forming and collapsing bubbles in liquids, producing strong local mechanical forces. The work examined whether these forces could improve lignin dissolution, modify lignin-cellulose mixtures, and reveal how lignin affects the response of cellulose to ultrasound. The first part of the work examined lignin solubility and how ultrasound enhances it under alkaline conditions. Under certain conditions, ultrasound increased the amount of dissolved lignin by up to 30%. The same approach was not effective for separating lignin directly from the lignin-cellulose mixture. However, when the mixture was treated with ultrasound in water, its particles became considerably smaller and its interaction with water increased, showing that ultrasound could modify the material even without first separating lignin and cellulose. To determine how lignin influenced this process, part of the lignin was then selectively removed using different solvents and the resulting materials were treated again with ultrasound. The strongest ultrasound-induced changes occurred in materials containing less lignin. This showed that lignin does not merely accompany cellulose in the mixture but influences how effectively mechanical forces reach and modify the cellulose structure. The results support the idea that larger lignin molecules can restrict access to cellulose surfaces, whereas removing part of this lignin makes cellulose considerably more responsive to ultrasound. The results therefore show that both the amount and properties of lignin must be considered when developing new processing methods for biorefinery materials.