aalto1 untyped-item.component.html
Scaling up the production of value-added bio-based products to industrial scale
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-06-27
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
64 + app. 80
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 129/2025
Abstract
Due to global challenges, such as climate change and depletion of fossil resources, there is increasing interest in utilizing bio-based products for value-added applications. Cellulose and lignin are abundantly available biopolymers, and as such, they are attractive raw materials for the production of bio-based materials. Kraft lignin is a byproduct from the pulping industry, which is currently mainly incinerated for energy. If noncombustible energy were utilized in pulp mills instead, lignin could be used for materials production. It has been proposed that epoxidized kraft lignin (EKL) can be used as a coating or as a formaldehyde-free option to phenol-formaldehyde adhesives as it possesses fire- and water-resistant properties. In addition, cellulose nanocrystals have attractive properties, including their mechanical properties, adaptable surface chemistry, and optical transparency. As a result, they have been proposed for use in polymer reinforcement, biomedical and packaging applications.
Novel production methods for epoxidized kraft lignin and carboxylated cellulose nanocrystals have been demonstrated on a laboratory scale. The purpose of this research was to design industrial-scale production processes for these bio-based products and to conduct techno-economic analyses in order to evaluate the feasibility of the processes. The capital and operating costs were evaluated based on the developed mass and energy balances. Epoxidized kraft lignin is produced by lignin solution preparation, epoxidation reaction, solvent separation, solvent recycling, and isolation of the product. A negligible amount of waste and no greenhouse gas emissions are emitted in the production process. If wind or solar energy were available, the greenhouse gas emissions from utility usage would fall to almost zero. Bio-based solvents and reagents can be utilized in the process, and the recycling rate of the unreacted solvents is over 99%. The minimum selling price of the EKL product was estimated to be 0.7 €/kg when the production facilities are integrated to a biorefinery or a pulp mill. Solvent recycling is a key profitability factor of the production process. Production of EKL is both technically and economically feasible in the current adhesives and coatings markets.
The capacity of the carboxylated cellulose nanocrystals (c-CNCs) plant was designed to be 8 kt/a of c-CNCs per dry matter, where the final product is a 1 wt.% solution. The recycling of the hydrogen chloride gas utilized for the acid hydrolysis is implemented in the process. Experimental testing shows that conventional industrial equipment can be utilized for the product purification and dispersion into c-CNCs. The minimum selling price was found to be 4.3 €/kg per dry matter. The scale-up of the process was found to be favorable.
The KTH Royal Institute of Technology (KTH) Innovation Readiness Level Analysis showed that the development of both processes is progressing in a relatively balanced matter. Each of the sustainable production processes shows potential to be economically viable and to enter markets with high volumes. The c-CNC process development is further along regarding the technology development, whereas the EKL development has progressed more in terms of gathering team capabilities and necessary intellectual property rights. Although the innovation readiness levels remain relatively low at this stage, both products demonstrate the potential to generate added value within the bioeconomy, making them promising candidates for continued scale-up to the industrial level.
Globala utmaningar, så som klimatförändring och utarmning av fossila resurser, har väckt ökat intresse för användning av biobaserade material i produkter med mervärde. Cellulosa och lignin är rikligt förekommande biopolymerer, vilket gör dem intressanta råmaterial för produktion av biobaserade produkter. Kraftlignin är en biprodukt från massaindustrin, och bränns för tillfället främst för energiproduktion. Genom att istället använda icke-brännbar energi i massabruk, skulle lignin kunna utnyttjas för produktion av material. Epoxiderad kraftlignin (EKL) har brand- och vattenresistenta egenskaper och har föreslagits för användning som ytbeläggning eller som ett formaldehydfritt alternativ till fenol-formaldehydlim. Cellulosa nanokristaller har fördelaktiga egenskaper, däribland deras mekaniska egenskaper, anpassningsbar ytkemi och optisk transparens. De har föreslagits för användning inom applikationer som förstärkning av polymerkompositer samt biomedicinska- och förpackningsapplikationer.
Nya produktionsmetoder för EKL och karboxylerade cellulosa nanokristaller (c-CNC) har demonstrerats på laboratorieskala. Syftet med denna forskning var att utveckla industriella processer för de här biobaserade produkterna samt att utföra teknoekonomiska analyser för processerna. Kapital- och driftskostnader har beräknats baserat på de utvecklade mass- och energibalanserna. Den industriella processen för att producera EKL består av beredning av ligninlösning, epoxidering, separation av lösningsmedel, återvinning av lösningsmedel samt separation av produkten. Själva produktionsprocessen genererar en försumbar mängd avfall och inga växthusgasutsläpp. Växthusgasutsläppen från energiproduktionen beror på energikällan, och är nära noll om förnybar energi används. Det går att utnyttja biobaserade lösningsmedel i processen och oreagerade lösningsmedel har en återvinningsgrad av 99%. Effektiv återvinning av lösningsmedel är en nyckelparameter för processens lönsamhet. Det lägsta möjliga försäljningspriset uppskattades till 0,7 €/kg vid produktion i en fabrik som är integrerad med ett befintligt massabruk eller bioraffinaderi. Denna forskning visar att produktion av EKL är både tekniskt och ekonomiskt genomförbar och kan konkurrera på den nuvarande marknaden för lim och ytbeläggningar.
Kapaciteten för c-CNC fabriken var 8 kt/a c-CNC produkt per torrsubstans, där slutprodukten är en lösning med 1% c-CNC. Återvinning av HCl-gas är implementerad i c-CNC produktionsprocessen. De experimentella resultaten visar, att konventionell industriell utrustning kan användas för reningen av produkten och för dispersion till c-CNC produkt. Det lägsta försäljningspriset fastställdes till 4,3 €/kg torrsubstans. Skalning av processen till industriell skala bedömdes som fördelaktig.
Kungliga Tekniska Högskolans (KTH) Innovation Readiness Level analys visade att utvecklingen av både EKL och c-CNC processerna framskrider relativt balanserat. Båda produktionsprocesserna är hållbara, har potential att vara ekonomiskt lönsamma och att nå marknader med hög volym. Utvecklingen av c-CNC processen har framskridit längre inom teknologiutvecklingen, medan utvecklingen av EKL processen är längre inom teamkapacitet och immaterialrätt. Fastän innovationsberedskapen för processerna är ännu relativt låga har båda produkterna potential för att skapa mervärde inom bioekonomin, och är lovande processer att skalas upp till industriell nivå.
Description
Supervising professor
Oinas, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandThesis advisor
Kontturi, Eero, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandOther note
Parts
- [Publication 1]: Henn, K. Alexander; Forssell, Susanna; Pietiläinen, Antti; Forsman, Nina; Nousiainen, Paula; Bangalore Ashok, Rahul Prasad; Oinas, Pekka; Österberg Monika. 2022. Interfacial catalysis and lignin nanoparticles for strong fire- and water-resistant composite adhesives. Green Chemistry, volume 24, number 17, pages 6487 – 6500.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202209145605DOI: 10.1039/D2GC01637K View at publisher
- [Publication 2]: Forssell, Susanna; Bangalore Ashok, Rahul Prasad; Henn, Karl Alexander; Tirronen, Esko; Toivonen, John; Österberg, Monika; Oinas Pekka. 2o25. Techno-economic Assessment of the Industrial-Scale Production of Epoxidized Kraft Lignin for Adhesives or Coatings. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, volume 13, issue 8. 3200-3208.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202503262999DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c09146 View at publisher
- [Publication 3]: Forssell, Susanna; Pääkkönen, Timo; Tirronen, Esko; Kontturi, Eero; Oinas, Pekka. 2025. Techno-economic and life cycle assessment of carboxylated cellulose nanocrystals production on industrial scale. Submitted for publication and under review in ACS Sustainable Chemistry & Engineering