Assessment of lignin valorization technologies

Abstract

Lignin, the second most abundant natural polymer, can provide an additional product stream for biorefineries. However, the utilization of lignin is still at a moderate level due to its complex chemistry and a limited number of existing applications. Moreover, it is not clear, which lignin production method provides lignin with the highest commercial potential. The aim of this thesis is to assess the potential of different lignin samples produced by different technologies.

First, fifteen applications for lignin were identified, and for each application, a techno-economic assessment is conducted. Application economic attractiveness is evaluated based on the available market size, market growth, market entry, and lignin intermediate price level criteria. The technical maturity is evaluated with the technology readiness level (TRL) method. Second, four lignin samples from different biomass fractionation technologies are characterized and their suitability towards applications are assessed based on the literature. Finally, the applicability for lignin samples produced by different technologies is compared against the applications’ attractiveness.

This study found that phenol formaldehyde -resins, polyurethanes, and concrete plasticizers are applications with the highest potential. Differences between different lignin production technologies were relatively small, as the sample evaluation score difference is only ±7 %. In the evaluation scoring, the hot water-alkali extracted lignin and organosolv lignin had the highest potential of studied samples. A more condensed (another) organosolv lignin showed slightly less potential and slightly lower suitability for some applications. The kraft lignin sample was in the middle ground, as its sulfur content may cause limitations in valorization opportunities.

This thesis introduces an integrative framework for estimating the commercial potential of bioproducts, and a framework for intermediate price evaluation. The presented model and frameworks are useful for evaluating alternative production opportunities in the biorefinery plant pre-design phase. The model’s results with lignin are in line with available literature sources, but for absolute suitability evaluation additional application specific laboratory tests are required.

Ligniini, toiseksi yleisin luonnossa esiintyvä polymeeri, on mahdollinen uusi tuotevirta biojalostamoille. Ligniinin kaupallinen hyödyntäminen on vielä vähäistä johtuen sen kompleksisesta kemiasta ja sovellusten rajallisuudesta. Eri tuotantoteknologioilla tuotettujen ligniinien eroja kaupallisen hyödyntämisen näkökulmasta ei ole juurikaan tutkittu. Työn tarkoitus on arvioida eli teknologioilla tuotettujen ligniininäytteiden potentiaalia.

Neljällä eri teknologialla tuotettua ligniininäytettä karakterisoitiin ja tulosten perusteella niitä arvoitiin 15 mahdolliseen ligniinisovellukseen kirjallisuuslähteiden perusteella ja sovellusten houkuttelevuus arvioitiin teknis-taloudellisin perustein. Sovellusten taloudellinen houkuttelevuus arvioitiin seuraavin kriteerein: tuotemarkkinan suuruuden, markkinan kasvun, markkinoille pääsyn ja ligniinivälituotteen arvon perusteella. Tekninen kypsyys arvioitiin TRL-asteikolla. Lopuksi ligniinin soveltuvuutta vertailtiin sovellusten houkuttelevuuteen.

Tutkimustulosten mukaan potentiaalisimmat käyttökohteet ovat fenoli-formaldehydihartsit, polyuretaanit sekä betonin notkistimet. Ligniininäytteiden arvioinnissa erot teknologioiden välillä olivat melko pieniä (±7 %). Tutkituista näytteistä kuumavesiuutto-alkalikeitto prosessin ligniini ja organosolv ligniini osoittivat korkeampaa kaupallista potentiaalia. Kondensoitunut (toinen) organosolv-näyte antoi viitteitä alhaisemmasta potentiaalista ja rajoittuneemmasta soveltuvuudesta osaan ligniinituotteista. Sulfaattiligniininäyte sijoittui arvioinnissa edellä mainittujen keskelle ja sen rikkipitoisuuden koettiin mahdollisesti haittaavan sen hyödyntämistä.

Diplomityössä esitetään arviointimalli (integratiivinen viitekehys) biotuotteiden kaupallisen potentiaalin arviointiin, sekä erillinen viitekehys välituotteen hinnan määrittämiselle. Esitetty malli todetaan hyväksi työkaluksi eri tuotevaihtoehtojen vertailuun biojalostamon esisuunnitteluvaiheessa. Mallin tulokset ligniinille ovat linjassa kirjallisuuslähteiden kanssa, joskin absoluuttisen soveltuvuuden arviointi vaatii myös sovelluskohtaiset laboratoriokokeet.